甲苯-正庚烷共沸體系萃取精餾分離的模擬與優(yōu)化

包 力

(吉林化工學(xué)院成人教育學(xué)院，吉林吉林132022)

對于混合物的分離，若被分離體系中各組分的揮發(fā)度差別較大時(shí)，可優(yōu)先考慮普通精餾技術(shù)，但當(dāng)各組分的揮發(fā)度差別較小或形成共沸物時(shí)，采用普通精餾方法分離所需理論塔板數(shù)會(huì)很多、能耗會(huì)很高，對共沸體系也很難得到理想的分離要求，針對這一類混合物，常見分離方法有萃取、萃取精餾、共沸精餾、加鹽萃取精餾和膜分離等等［1-4］.其中萃取精餾的方法是在普通精餾過程中添加一種或幾種萃取劑(或稱溶劑)，從而增大待分離組分間的相對揮發(fā)度，達(dá)到有效分離的目的，該方法適用于近沸或共沸體系的分離［1］.其優(yōu)點(diǎn)是裝置相對簡單、處理量大和可連續(xù)有效地分離，是目前工業(yè)上最為廣泛應(yīng)用的分離近沸或共沸體系的方法之一［5-7］.本文針對甲苯-正庚烷共沸體系的特點(diǎn)，選擇苯酚為萃取劑，以Aspen Plus軟件為工具，對萃取精餾全流程進(jìn)行模擬優(yōu)化.旨在優(yōu)化萃取精餾塔的最佳分離操作條件，為工業(yè)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo).

1 模型建立

1.1 工藝過程

萃取精餾分離流程是由萃取精餾塔和溶劑回收塔組成的雙塔流程.溶劑和原料分別從萃取精餾塔進(jìn)料，在塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品正庚烷，含有甲苯的塔釜液進(jìn)入溶劑回收塔，在溶劑回收塔塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品甲苯，塔釜為含少量甲苯的溶劑返回萃取精餾塔重復(fù)利用.

1.2 模擬條件

取原料進(jìn)料量100 kmol/h為計(jì)算基準(zhǔn)，根據(jù)萃取精餾溶劑選擇原則，選取苯酚為萃取劑.由于本體系屬于強(qiáng)的非理想物系，故熱力學(xué)模型選擇NRTL方程.分離要求為正庚烷摩爾分?jǐn)?shù)在0.995以上，經(jīng)計(jì)算分析萃取精餾塔全塔總理論板數(shù)30塊，溶劑回收塔總理論板20塊.采用RadFrac模塊，對萃取精餾過程進(jìn)行全流程模擬優(yōu)化計(jì)算.采用Sensitivity靈敏度分析模塊，對萃取精餾塔原料進(jìn)料位置、萃取劑進(jìn)料位置、溶劑比及回流比等工藝條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算.

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 原料進(jìn)料位置

原料進(jìn)料位置對萃取精餾塔塔頂正庚烷摩爾分?jǐn)?shù)(xd)及塔底熱負(fù)荷(QR)的影響見圖1.由圖1可見，xd和QR隨著進(jìn)料位置下移呈明顯的增大趨勢，但在第21到第25塊板之間的影響差異很小.其原因?yàn)殡S原料進(jìn)料位置的下移，塔的精餾段增長，使得正庚烷和甲苯的分離效果逐漸增強(qiáng).因此，綜合考慮分離效果和能耗問題，適宜原料進(jìn)料位置可選在第21-25塊塔板間.

圖1 原料進(jìn)料位置對xd及QR的影響

2.2 萃取劑進(jìn)料位置

萃取劑進(jìn)料位置對萃取精餾塔xd及QR的影響見圖2.由圖2可見，萃取劑進(jìn)料位置從第2塊板下移到第8塊板時(shí)，xd和QR均呈明顯增加趨勢;而萃取劑的進(jìn)料位置繼續(xù)下移至11板時(shí)，xd變化很緩慢，但繼續(xù)下移時(shí)，xd呈快速下降趨勢.導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是隨著萃取劑進(jìn)料位置下移，精餾段的板數(shù)減少，分離效果下降，但當(dāng)萃取劑進(jìn)料位置離塔頂過于接近時(shí)，會(huì)導(dǎo)致部分萃取劑被塔內(nèi)氣相直接帶出塔頂，影響了萃取劑在塔內(nèi)的濃度，使得分離效果下降.因此，綜合考慮分離效果和能耗問題，適宜萃取劑進(jìn)料位置可選在第8～11塊板間.

圖2 萃取劑進(jìn)料位置對xd及QR的影響

2.3 溶劑比

溶劑比(溶劑進(jìn)料摩爾流量對原料進(jìn)料摩爾流量比)對萃取精餾塔xd及QR的影響見圖3.由圖3可見，隨溶劑比的增大，xd呈增大趨勢，但當(dāng)溶劑比超過2.0以后，對xd數(shù)的影響效果不是很明顯.這主要是由于隨溶劑比的增大，塔內(nèi)各塔板上溶劑的含量增大，從而加強(qiáng)了溶劑與甲苯、正庚烷間的相互作用，有效地增大了二者間相對揮發(fā)度，使得分離效果增強(qiáng);但溶劑比若繼續(xù)增大，萃取劑對塔內(nèi)甲苯-正庚烷物系有稀釋作用，降低了萃取劑的作用，使得分離的效果增強(qiáng)不明顯.另外，過高的溶劑比還會(huì)增加塔的熱負(fù)荷以及設(shè)備操作負(fù)荷.因此，綜合考慮分離效果和能耗問題，適宜溶劑比可選在 2.0 ～2.3.

圖3 溶劑比對xd及QR的影響

2.4 回流比

回流比對萃取精餾塔xd及QR的影響見圖4.萃取精餾與普通精餾不同，在普通精餾中，回流比的增大總是有利于xd提高.由圖4可見，在回流比小于6.5時(shí)，增大回流比可明顯提高xd，但當(dāng)回流比大于6.5之后，隨著回流比的繼續(xù)增大，xd在逐漸下降.這是由于在萃取精餾過程中，回流比的增大會(huì)導(dǎo)致塔內(nèi)液相流率的增加，若萃取劑沒有按比例相應(yīng)增加，則回流比增大會(huì)造成萃取劑濃度和溶劑比降低，從而削弱了萃取劑的作用，使得分離效果下降.因此，綜合考慮分離效果和能耗問題，適宜回流比可選在6.5～7.0.

圖4 回流比對xd及QR的影響

2.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

以苯酚為溶劑，萃取精餾分離甲苯-正庚烷共沸

物全流程模擬優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)見表1.

表1 全流程優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)

在最佳工藝操作條件下，萃取精餾塔內(nèi)組分液相摩爾濃度分布見圖5.由圖5可見，以苯酚為萃取劑萃取精餾分離甲苯-正庚烷共沸物能夠達(dá)到很好的分離效果.

圖5 液相摩爾濃度分布

3 結(jié) 論

采用Aspen plus流程模擬軟件，對甲苯-正庚烷共沸體系的萃取精餾分離全流程進(jìn)行模擬研究.最佳工藝參數(shù)為:萃取精餾塔的理論板數(shù)為30塊，原料進(jìn)料為第23板，萃取劑進(jìn)料為第9板，回流比為6.5，溶劑比為2.2;溶劑回收塔的理論板數(shù)為20塊，進(jìn)料位置為12，回流比為2.在此最佳操作條件下，產(chǎn)品正庚烷摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到0.998.模擬優(yōu)化結(jié)果可為甲苯-正庚烷萃取精餾分離工藝工業(yè)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參考.

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