丙烯酸甲酯-甲醇-水體系逆流萃取過(guò)程的模擬

陳艷紅，張貝克，馬 昕，盧秉南

（北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029）

丙烯酸甲酯主要用于生產(chǎn)高分子聚合單體，易于與多種乙烯單體共聚，是有機(jī)合成及制作涂料、紡織、皮革、膠黏劑、工業(yè)用各種樹脂的重要原料。由丙烯酸甲酯可以合成很多性能極佳的水性化產(chǎn)品，符合當(dāng)今人類環(huán)保意識(shí)加強(qiáng)的要求，因此，丙烯酸甲酯生產(chǎn)的發(fā)展是極其迅速的[1-2]。

某丙烯酸甲酯廠生產(chǎn)工藝主要由反應(yīng)系統(tǒng)與精制系統(tǒng)組成，來(lái)自反應(yīng)系統(tǒng)的粗酯液中含有約73%的丙烯酸甲酯、21%的甲醇及少量水和其它副產(chǎn)物。由于丙烯酸甲酯與甲醇沸點(diǎn)較近，若直接選用精餾方法分離，將會(huì)耗費(fèi)大量能量，并且不利于節(jié)能減排。而丙烯酸甲酯-甲醇-水是一個(gè)部分互溶三元體系，采用水萃取丙烯酸甲酯中的甲醇，不僅大大提高了分離能力，而且萃取操作后的產(chǎn)物也易于分離，并且能夠循環(huán)用于生產(chǎn)，符合當(dāng)今社會(huì)對(duì)化工廠節(jié)能減排的要求[3]。萃取塔的處理能力與分離效率大大影響了精制系統(tǒng)中后續(xù)精餾塔的負(fù)荷和產(chǎn)品的質(zhì)量，為此，本文作者擬以化工流程模擬軟件對(duì)該廠精制系統(tǒng)的甲醇萃取塔進(jìn)行流程模擬和操作優(yōu)化，為指導(dǎo)甲醇萃取塔的實(shí)際生產(chǎn)與工藝改造提供理論依據(jù)。

1 甲醇萃取的流程模擬

1.1 甲醇萃取工藝流程

來(lái)自反應(yīng)系統(tǒng)的粗酯液經(jīng)流量調(diào)節(jié)進(jìn)入萃取塔。加料冷卻器，用冷卻水冷卻到40℃進(jìn)入萃取塔底部；工藝水經(jīng)流量調(diào)節(jié)進(jìn)入萃取塔頂部。經(jīng)過(guò)逆流萃取，甲醇被溶解到萃取水中，塔底部流出的萃取水經(jīng)換熱到70℃進(jìn)入甲醇回收塔進(jìn)行甲醇的回收。塔頂部水相和酯相分層，萃余相中含少量甲醇及少量水的丙烯酸甲酯，被送往脫輕組分塔進(jìn)行進(jìn)一步的精制。甲醇萃取系統(tǒng)的簡(jiǎn)易流程圖如圖1所示。該廠的萃取塔是一個(gè)塔高8.32 m的轉(zhuǎn)盤萃取塔，其中萃取段高度為4.32 m，內(nèi)有30個(gè)轉(zhuǎn)盤，塔徑1.2m，轉(zhuǎn)盤直徑0.66 m，孔徑0.84 m，隔室高度0.144 m，澄清室高度2 m，轉(zhuǎn)速為0.55 r/s。

1.2 理論級(jí)的計(jì)算

根據(jù)轉(zhuǎn)盤萃取塔的形式結(jié)構(gòu)和進(jìn)塔物料的物理性質(zhì)以及文獻(xiàn)[9]中的計(jì)算方法可以計(jì)算該轉(zhuǎn)盤萃取塔的表觀傳質(zhì)單元數(shù)即理論級(jí)。過(guò)程中解得的主要參數(shù)如表1。

由表1 可知，解得的表觀傳質(zhì)單元高度為1.53 m，已知萃取段高度為4.32 m，則萃取段高度與表觀傳質(zhì)單元高度的比值2.82為傳質(zhì)單元數(shù)，近似為整數(shù)3，即理論級(jí)為3。

圖1 甲醇萃取系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

表1 表觀傳質(zhì)單元數(shù)主要參數(shù)

1.3 進(jìn)料組分簡(jiǎn)化

實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)入萃取塔底部的物料含有73.05%的丙烯酸甲酯、21.24%的甲醇、4.80%的水及0.91%的雜質(zhì)，雜質(zhì)是由上游反應(yīng)系統(tǒng)的副反應(yīng)產(chǎn)生，成分不確定，而且雜質(zhì)含量較低，所以作簡(jiǎn)化處理，進(jìn)料組分?jǐn)M三元化[4-5]。

1.4 模擬計(jì)算

利用Aspen Plus 模擬軟件對(duì)甲醇萃取塔進(jìn)行模擬。模擬計(jì)算時(shí)，萃取塔采用Extract 平衡級(jí)模型模塊，甲醇萃取塔模擬圖如圖2。塔頂進(jìn)料S為萃取劑工藝水，塔底進(jìn)料F為粗酯液，塔頂出料R為萃余液，塔底出料E為萃取液。另外還需要輸入進(jìn)料的組成、流量以及狀態(tài)值和塔設(shè)備的相關(guān)工藝參數(shù)。進(jìn)料物流的工藝參數(shù)和組成見(jiàn)表2，塔設(shè)備的工藝參數(shù)見(jiàn)表3，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的對(duì)比見(jiàn)表4。

圖2 甲醇萃取塔模擬圖

表2 進(jìn)料物流的工藝參數(shù)和組成

表3 萃取塔模型輸入變量

表4 模擬結(jié)果與裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)比較

表4的模擬結(jié)果表明：模型模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)基本吻合，分析模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的誤差首先由于實(shí)際工廠中的塔是轉(zhuǎn)盤萃取塔，機(jī)械動(dòng)力的加入使級(jí)間返混加劇，模擬模型中的簡(jiǎn)單平衡級(jí)模型不能充分體現(xiàn)這種級(jí)間的返混程度[6]；其次，由于缺乏最適用于液液相平衡關(guān)系的NRTL 方程參數(shù)，而采用了SRK 方程，同樣對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。但模型能夠用于預(yù)測(cè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程、研究相關(guān)操作變量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的影響，指導(dǎo)工業(yè)裝置參數(shù)優(yōu)化運(yùn)行。

2 基于流程模擬的甲醇萃取塔工況分析與操作優(yōu)化

對(duì)于該丙烯酸甲酯廠的轉(zhuǎn)盤萃取塔來(lái)說(shuō)，影響萃取結(jié)果的操作因素有溫度，萃取相比以及轉(zhuǎn)盤速度。本研究工作將在已經(jīng)建立的萃取模型基礎(chǔ)上，研究各操作條件對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，為改進(jìn)生產(chǎn)工藝提供依據(jù)[7-8]。

2.1 操作溫度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

由于萃取平衡時(shí)甲醇在水相和丙烯酸酯相中的濃度分布與溫度有關(guān)，所以根據(jù)模型考察了操作溫度對(duì)萃取過(guò)程的影響，得到了如圖3所示的變化曲線。

由圖3 可知，隨著溫度的增加，萃余相中丙烯酸酯與甲醇的含量逐漸減少，萃余相中水的含量逐漸增加。因?yàn)轷ズ痛嫉姆蛛x較困難，所以工廠生產(chǎn)追求的目標(biāo)是使萃余相中酯的含量多而同時(shí)醇的含量少，由萃余相中丙烯酸酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)做差，可得兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差值，如圖4。由圖4 可知，當(dāng)操作溫度在39℃左右時(shí)，目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大值，這與實(shí)際生產(chǎn)中的操作溫度基本相符，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)塔頂出料的最低質(zhì)量要求來(lái)確定生產(chǎn)合格的塔頂產(chǎn)品所需要的操作溫度范圍，用以指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖3 操作溫度對(duì)萃余相各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖4 溫度對(duì)萃余相中丙烯酸甲酯與甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)差值的影響

2.2 萃取相比對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

萃取相比是指塔底的產(chǎn)物進(jìn)料與塔頂溶劑進(jìn)料的體積比，根據(jù)模型考察了不同的相比對(duì)萃余相產(chǎn)品質(zhì)量的影響，得到了如圖5所示的變化曲線，以及如圖6所示的萃余相中丙烯酸甲酯與甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)差值的曲線。

由圖5 與圖6 可知，相比越小，即塔頂進(jìn)料溶劑水越多，萃取效果越好，但是溶劑水不能無(wú)限制的增多，因?yàn)檩腿∷奶幚砟芰Q定了溶劑水的最大用量，當(dāng)超過(guò)這個(gè)最大值，萃取塔會(huì)發(fā)生液泛。根據(jù)轉(zhuǎn)盤塔的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[9]，可得最小相比為1.03，即塔頂溶劑水最大進(jìn)料為3347.56 kg/h。

2.3 理論級(jí)數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

根據(jù)模型考察了不同的理論級(jí)數(shù)對(duì)萃余相產(chǎn)品質(zhì)量的影響，得到了如圖7所示的變化曲線以及如圖8所示的萃余相中丙烯酸甲酯與甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)差值的曲線。

圖5 萃取相比對(duì)萃余相各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖6 萃取相比對(duì)萃余相中丙烯酸甲酯與甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)差值的影響

圖7 理論級(jí)數(shù)對(duì)萃余相各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖8 理論級(jí)數(shù)對(duì)萃余相中丙烯酸甲酯與甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)差值的影響

由圖7 與圖8 可知，當(dāng)進(jìn)料狀態(tài)不變時(shí)，只改變萃取塔的理論級(jí)數(shù)，萃余液的質(zhì)量先隨級(jí)數(shù)的增加而增加，當(dāng)理論級(jí)數(shù)為4時(shí)效果最好。但理論級(jí)數(shù)繼續(xù)增加后，萃余液的質(zhì)量基本與理論級(jí)數(shù)為3時(shí)的萃取結(jié)果相近。所以，若能在實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)改進(jìn)轉(zhuǎn)盤萃取塔的操作情況，如提高轉(zhuǎn)速，或改進(jìn)萃取塔結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)盤萃取塔的理論級(jí)數(shù)達(dá)到4，將會(huì)取得較好的效果[10]。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)丙烯酸甲酯廠甲醇萃取塔分離過(guò)程的模擬，結(jié)果表明：通過(guò)進(jìn)料組分的擬三元簡(jiǎn)化以及選取SRK 熱力學(xué)方程，運(yùn)用Aspen Plus 流程模擬軟件的模擬結(jié)果基本與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)吻合。同時(shí)對(duì)萃取過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，得出在四級(jí)逆流萃取，萃取相比為1.03、操作溫度為39℃的情況下，模擬結(jié)果最好，模擬結(jié)果對(duì)萃取塔的實(shí)際生產(chǎn)和改造具有一定的指導(dǎo)意義。

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