間歇精餾制備高純甲醇的過程研究

楊菌菌

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤炭化學(xué)工業(yè)分公司甲醇廠 寧夏 銀川 750411）

0 引言

間歇精餾根據(jù)操作過程中有無采出可分為：全回流間歇精餾和部分回流間歇精餾。全回流間歇精餾過程比較簡單，整個(gè)過程無回流比變化及產(chǎn)品切換，濃度滿足要求時(shí)整個(gè)過程結(jié)束；部分回流間歇精餾過程要復(fù)雜得多，一個(gè)典型的部分回流間歇精餾操作周期一般分為：全回流開工過程、前餾分餾出段和產(chǎn)品餾出段，其中產(chǎn)品段和前段可能不止一個(gè)。

（1）全回流過程

全回流開工的目的是在塔身建立起一定的濃度梯度，使塔頂?shù)囊合嘟M成達(dá)到產(chǎn)品純度要求，全回流開工的結(jié)束條件一般為塔頂?shù)囊合嘟M成達(dá)到第一個(gè)產(chǎn)品的純度要求。

（2）產(chǎn)品餾出段

產(chǎn)品段從全回流開工或前面的前段結(jié)束時(shí)開始，結(jié)束條件分為兩種：一種是塔頂餾出物的瞬時(shí)組成剛降到低于產(chǎn)品純度要求，這種結(jié)束條件所得產(chǎn)品的平均組成高于產(chǎn)品的純度要求，可將其與一定數(shù)量的前餾分混合使其濃度等于產(chǎn)品的純度要求；另一種是塔頂餾出物的平均組成下降至產(chǎn)品純度要求。本文的模擬過程采用的是第一種結(jié)束條件。

（3）前餾分餾出段

在間歇精餾過程中，塔頂產(chǎn)品的收率總是小于100%的，塔內(nèi)必定殘余一部分輕組分，通常這部分殘余輕組分中的大部分將作為前餾分收集，否則下一產(chǎn)品將達(dá)不到純度要求，這個(gè)去除殘存輕雜質(zhì)的過程即為前餾分餾出段。一般前餾分餾出段有兩種情況，第一種情況是該前餾分段后面有產(chǎn)品餾出段，這種前餾分條件為下一產(chǎn)品組分在塔頂餾出物中的瞬時(shí)濃度剛好達(dá)到下一產(chǎn)品的濃度要求；第二種情況是前餾分段后面不再有產(chǎn)品餾出段，即整個(gè)操作周期中的最后一個(gè)餾出段，這種前餾分段結(jié)束的條件為塔釜中最后一產(chǎn)品組分的濃度剛好達(dá)到產(chǎn)品的濃度要求。

（4）氣液平衡計(jì)算

由氣液平衡條件有：

式中：Ai、Bi、Ci為組分 i的 Antoine 常數(shù)。

本文的分離物系是在常壓下進(jìn)行，甲醇、水、丙酮、異丙醇等都屬于極性物質(zhì)，其物系狀態(tài)呈現(xiàn)非理想性，根據(jù)實(shí)際情況，其物系汽相可視為理想狀態(tài)，液相為非理想狀態(tài)，活度系數(shù)γi≠1，因此甲醇體系的氣液平衡計(jì)算式如下：

將Antoine方程代入上式，則

式中：Ki為組分 i的氣液平衡常數(shù)；p為系統(tǒng)壓力，Pa；t為系統(tǒng)溫度，℃。

對于活度系數(shù)，會隨著壓強(qiáng)、溫度及組成而變，其中壓強(qiáng)影響較小，一般可忽略，而組成的影響較大。常用的活度系數(shù)方程一般有 Wilson方程、NTRL方程、UNIQUAC方程和UNIFAC方程。對于不同的活度系數(shù)模型，其適用性和優(yōu)劣針對不同的物系而不同。郭天民和鐘銀珠曾對Wilson、NTRL、UNIQUAC和UNIFAC模型進(jìn)行過較系統(tǒng)的評價(jià)，研究發(fā)現(xiàn)，對于多元系，Wilson、NTRL模型的關(guān)聯(lián)參數(shù)少，預(yù)測的氣相組成一般相當(dāng)接近，但預(yù)測的泡點(diǎn)溫度有時(shí)偏離2～3℃，對具有中等正偏差的體系，Wilson方程的方差略小一些。UNIQUAC模型形式最復(fù)雜，對有些體系 （如甲醇—丙酮—水）的預(yù)測有較大差別。在Gmehling等編纂的DECHEMA VLE Data Collection中，應(yīng)用不同的活度系數(shù)模型對所收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（共3563組）進(jìn)行了擬合，分析得出：在醇類的收集部分中，Wilson活度系數(shù)模型的最佳擬合出現(xiàn)率最高。

多元的Wilson方程如下：

求出各物質(zhì)的活度系數(shù)γi后，即可用式（4）計(jì)算氣液平衡常數(shù)，隨后由公式y(tǒng)i=kixi求出各組分的汽相組成。

（5）最小理論板數(shù)計(jì)算

在多組分的精餾中，一般先規(guī)定關(guān)鍵組分在塔頂和塔底產(chǎn)品中的組成或回收率，其它組分的分配應(yīng)通過物料衡算或近似估算得到。在本文的研究中，根據(jù)甲醇、丙酮、水、異丙醇的相對揮發(fā)度的差異，規(guī)定甲醇為輕關(guān)鍵組分，水為重關(guān)鍵組分。由于兩關(guān)鍵組分不是相鄰組分，為非清晰分割情況，因此，最小理論板數(shù)采用芬斯克全回流公式進(jìn)行估算：

式中：Nmin+1為最小理論板數(shù)（包括塔釜）；

xlD為塔頂產(chǎn)品中輕關(guān)鍵組分的平均摩爾分率；xhD為塔頂產(chǎn)品中重關(guān)鍵組分的平均摩爾分率；xlW為塔釜產(chǎn)品中輕關(guān)鍵組分的平均摩爾分率；xhW為塔釜產(chǎn)品中輕關(guān)鍵組分的平均摩爾分率；αlh為輕重關(guān)鍵組分的平均相對揮發(fā)度。

（6）最小回流比計(jì)算

在多元精餾過程中，常采用恩德伍德（Underwood）的簡化公式進(jìn)行估算，即：

式中：αij為組分i對基準(zhǔn)組分（重關(guān)鍵組分）的平均相對揮發(fā)度；θ為參數(shù)值，介于輕重關(guān)鍵組分對基準(zhǔn)組分的相對揮發(fā)度之間；q為加料熱狀態(tài)參數(shù)；χFi為進(jìn)料產(chǎn)品中各組分的平均摩爾分率；χDi為塔頂產(chǎn)品中各組分的平均摩爾分率。

（7）產(chǎn)品的收率計(jì)算

本文將以高純甲醇的產(chǎn)品段收率為指標(biāo)，來研究各種因素對其的影響。產(chǎn)品段收率計(jì)算式如下：

式中：η為產(chǎn)品段組分收率；PR為產(chǎn)品段餾出量，Kmol；xDm為產(chǎn)品段目標(biāo)組分的平均摩爾分?jǐn)?shù)；F為塔釜投料量，Kmol；xF為原料中目標(biāo)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。

結(jié)束語

間歇精餾有兩種操作方式：其一是餾出物組成恒定的間歇精餾操作，即餾出液組成恒定，而相應(yīng)的回流比不斷增大；其二是回流比恒定的間歇精餾操作，即回流比保持恒定，而餾出液組成逐漸減少。實(shí)際生產(chǎn)中，有時(shí)可采用聯(lián)合操作方式，即某一操作階段（如操作初期）采用恒餾出液組成的操作，另一階段（如操作后期）采用恒回流比操作，聯(lián)合的方式視具體情況而定。

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