萃取精餾分離二異丙醚-異丙醇共沸物的流程模擬

楊 磊， 張志剛， 黃動昊， 賈 鵬， 李文秀

(沈陽化工大學 化學工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

異丙醇(IPA)在生產(chǎn)過程中普遍采用固體酸或者液體酸作為催化劑，在此生產(chǎn)過程中會有副反應發(fā)生，從而產(chǎn)生二異丙醚(DIPE)[1].DIPE是應用廣泛的化工溶劑，并且是汽油中重要的添加劑[2].由于異丙醇和二異丙醚在66.2 ℃時會形成共沸物，用常規(guī)的精餾方法很難分離.為了增加該副產(chǎn)物的附加值，分離提純二異丙醚具有十分重要的意義[3].在前期的實驗研究中[4]作者發(fā)現(xiàn)并找到了能夠準確描述分離過程的適宜相平衡模型和萃取劑DMAC，其對于提高二異丙醚-異丙醇混合物的相對揮發(fā)度效果明顯.因此，本文在前期研究的基礎上，應用Aspen plus模擬軟件考察采用DMAC作為萃取劑時精制二異丙醚的工藝條件.

1 工藝流程

1.1 工藝流程的建立

選擇ASPEN PLUS的RadFrac模塊[5]對二異丙醚的提純工藝過程進行穩(wěn)態(tài)模擬研究，工藝流程模擬如圖1所示.

圖1 工藝流程模擬Fig.1 Process flow diagram of extractive distillation

從圖1可以看出：原料(組成如表1所示)以連續(xù)方式加入到精餾塔中，并經(jīng)再沸器加熱形成上升蒸汽.同時，在萃取精餾塔的上部連續(xù)加入萃取劑DMAC，這樣物料中的二異丙醚與DMAC在精餾塔內(nèi)就能夠充分作用，并以氫鍵結(jié)合的方式打破共沸現(xiàn)象，從而提高二異丙醚-異丙醇的相對揮發(fā)度，使其更容易分離.經(jīng)過上述萃取精餾分離過程，二異丙醚產(chǎn)品從萃取精餾塔的塔頂?shù)玫?，塔釜的異丙醇和溶劑一起進入溶劑回收塔進行二次分離，異丙醇從溶劑回收塔的塔頂餾出，DMAC從塔底餾出.

表1 二異丙醚和異丙醇的組成Table 1 The composition of 2-Isopropoxypropane and 2-propanol

1.2 物性方法選擇

所有的單元操作模型都需要性質(zhì)計算而生成結(jié)果.性質(zhì)計算對模擬結(jié)果的影響很大.這是由于平衡計算和性質(zhì)計算的準確程度及對它的選擇將影響模擬結(jié)果[7].選擇正確的物性方法對于流程的模擬十分關鍵.Aspen plus自帶多種物性方法，考慮二異丙醚和異丙醇是強極性非理想性溶液，因此，選擇UNIFAC模型[8]作為流程模擬的物性估算方法.

2 全流程模擬初始條件

原料進料為二異丙醚和異丙醇混合物，選擇DMAC為萃取劑.模擬的設定值如表2所示，全流程模擬計算結(jié)果列于表3.

表2 模擬數(shù)據(jù)Table 2 Simulation data

表3 全流程模擬計算結(jié)果Table 3 The results of process simulation

3 結(jié)果討論

從表3可以看出:初始條件下的模擬結(jié)果較差，塔頂產(chǎn)品二異丙醚的純度為95 %，并且溶劑回收塔中溶劑的純度僅為80 %，產(chǎn)品的純度和溶劑的回收利用都不能滿足工業(yè)化的要求.因此，通過ASPEN PLUS軟件Model Analysis Tool中的Sensitivity[9]，分析原料進料位置、溶劑進料位置、溶劑比、回流比對二異丙醚純度的影響，尋找最優(yōu)化的操作條件.

3.1 原料進料位置NF對精餾塔操作的影響

原料進料位置對精餾塔的分離效果影響較大.利用 ASPEN 靈敏度分析工具，固定塔板數(shù)(30塊)、溶劑進料位置(第2塊)、回流比(0.5)、溶劑比(0.25)等因素，考察不同進料位置對二異丙醚純度的影響.計算結(jié)果如圖2所示.從圖2中可以看出：從第 18 塊板后進料，二異丙醚的純度幾乎不再有變化.因此，選擇第18塊板進料較為合適.

圖2 原料進料位置NF對二異丙醚純度的影響Fig.2 Effect of feed stages on extractive distillation

3.2 溶劑進料位置NS對精餾塔操作的影響

溶劑進料位置對精餾塔的分離效果也有較大影響.固定塔板數(shù)(30塊)、原料進料位置(第18塊板)、溶劑比(0.25)、回流比(0.5)等因素，考察不同溶劑進料位置對二異丙醚純度的影響.計算結(jié)果如圖3所示.從圖3中可以看出：隨著NS的不斷增大，二異丙醚質(zhì)量分數(shù)是先增大后逐漸減小，在NS為5時達到最大值.塔板數(shù)一定時，增大NS一方面增大了溶劑回收段，使得產(chǎn)品中溶劑的含量減少，另一方面又會使得萃取段減小，使下降溶劑不能較好地與上升蒸汽進料質(zhì)交換，使得產(chǎn)品中異丙醇的含量增多.因此，選擇進料位置為第5塊板比較合適.

圖3 溶劑進料位置NS對二異丙醚純度的影響Fig.3 Effect of solvent stages on extractive distillation

3.3 溶劑比對二異丙醚純度的影響

溶劑比是影響分離效果的重要因素.固定塔板數(shù)(30塊)、原料進料位置(第18塊)、溶劑進料位置(第5塊)、回流比(0.5)等操作參數(shù)，考察溶劑比對二異丙醚純度的影響.計算結(jié)果如圖4所示.從圖4中可以看出：隨著溶劑比的增加二異丙醚的純度明顯增加，當溶劑比為0.65時，二異丙醚的純度達到99.80 %，此后溶劑比繼續(xù)增大，二異丙醚的純度不再變化.因此，溶劑比為0.65比較合適.

圖4 溶劑比對二異丙醚純度的影響Fig.4 Effect of solvent ratio on extractive distillation

3.4 不同回流比對二異丙醚純度的影響

固定塔板數(shù)(30塊)、原料進料位置(第18塊)、溶劑進料位置(第5塊)、溶劑比(0.65)，考察不同回流比R對二異丙醚純度的影響.計算結(jié)果如圖5所示.從圖5中可以看出：R小于1.2時，二異丙醚質(zhì)量分數(shù)幾乎呈上升趨勢，在1.2到1.3之間時，二異丙醚質(zhì)量分數(shù)的變化不明顯，而當R大于1.3時，二異丙醚質(zhì)量分數(shù)反而下降.這是因為R增大時回流到塔的液體量增多，這在一定程度上相當于降低了溶劑比，使得溶劑的作用效果變差，所以，回流比并不是越大越好.因此，選擇回流比為1.2比較合適.

圖5 不同回流比對二異丙醚純度的影響Fig.5 Effect of reflux ratio on extractive distillation

3.5 適宜的分離條件

通過靈敏度分析的優(yōu)化操作，得到了分離二異丙醚和異丙醇二元共沸物的最佳操作條件.在此優(yōu)化參數(shù)條件下進行模擬，結(jié)果如表4所示.

表4 最優(yōu)化條件下的模擬結(jié)果Table 4 Simulation result

從表4的數(shù)據(jù)可以看出：當塔板數(shù)為30，回流比為1.2，原料進料位置為第18塊板，溶劑進料位置為第5塊板，溶劑比為0.65時，二異丙醚的純度達到了99.94 %，分離效果很好.

4 結(jié) 論

(1) 由ASPEN PLUS 軟件模擬結(jié)果分析可知：以DMAC作為萃取劑分離二異丙醚和異丙醇共沸物的工藝是可行的，對工業(yè)化的生產(chǎn)有一定的指導意義.應用ASPEN PLUS 軟件的靈敏度分析工具對萃取精餾塔的操作參數(shù)進行優(yōu)化，得到了該工藝的最佳操作條件.

(2) 工業(yè)化分離二異丙醚和異丙醇共沸物可參考的分離條件：塔板數(shù)為30，原料進料位置為第18塊板，溶劑進料位置為第5塊板，回流比為1.2，溶劑比為0.65，在該條件下二異丙醚的純度為99.94 %.

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