具有最低共沸點(diǎn)難分離物系變壓精餾分離

紀(jì)智玲，王志恒，廖麗華，李文秀，張志剛，于三三，范俊剛，李雙明

（1沈陽(yáng)化工大學(xué)遼寧省化工分離技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng)100142；2中國(guó)石油化工股份有限公司北京化工研究院，北京100013）

苯催化加氫制環(huán)己烷過(guò)程中，需要去除產(chǎn)物中的過(guò)量的苯。由于苯和環(huán)己烷在全組成范圍內(nèi)組分相對(duì)揮發(fā)度接近于1，并具有最低共沸點(diǎn)，采用普通精餾無(wú)法將其分離。在化工和制藥行業(yè)中，四氫呋喃和乙醇物系存在著類似的問(wèn)題。工業(yè)上渴望尋找一種有效的方法分離該類具有最低共沸點(diǎn)的難分離混合物。

具有最低共沸點(diǎn)的難分離混合物，可以采用恒沸精餾、萃取精餾、加鹽精餾等［1－6］特殊精餾方法。但與之相比，變壓精餾更具有工藝簡(jiǎn)單、不引入雜質(zhì)以及節(jié)約能耗等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)［7－10］。

本文應(yīng)用Aspen Plus模擬軟件［11］，依據(jù)體系氣液平衡數(shù)據(jù)［12］研究該類具有最低共沸點(diǎn)的二元共沸物系變壓分離的可行性，模擬結(jié)果表明變壓精餾能將共沸組分較好的進(jìn)行分離。

1 變壓精餾原理

變壓精餾是利用二元混合物系對(duì)拉烏爾定律產(chǎn)生偏差的特點(diǎn)，改變壓力可以打破常壓下形成的二元共沸點(diǎn)或改變其共沸組成，通過(guò)精餾可以在塔頂或者塔底得到一個(gè)高純度組分。

1.1 四氫呋喃與乙醇汽液相平衡數(shù)據(jù)

從圖1中可以看出，常壓下四氫呋喃－乙醇的共沸組成為四氫呋喃為90%、乙醇為10%。隨著壓力的增加，四氫呋喃在液相中的含量減少，較大程度地改變了其常壓下共沸點(diǎn)，形成了新的共沸組成，如 圖2所 示。當(dāng) 壓 力 為8atm（1atm＝101325Pa）時(shí)，物系共沸組成為四氫呋喃的為35%；乙醇為65%。由于常壓條件下共沸組成點(diǎn)位于高壓條件下共沸組成點(diǎn)的右側(cè)，因此在常壓條件下在接近高壓共沸組成時(shí)進(jìn)料，塔頂可以得到常壓條件下的共沸物，塔底可以得到高純度的乙醇產(chǎn)品；常壓塔塔頂?shù)墓卜形镌诟邏簵l件下精餾，塔底則可以得到高純度的四氫呋喃產(chǎn)品，塔頂物料可以返回常壓塔繼續(xù)精餾。因此通過(guò)兩塔變壓精餾操作流程可得到較高純度的四氫呋喃與乙醇產(chǎn)品。

圖1 1atm壓力下四氫呋喃－乙醇t－xy相

圖2 8atm壓力下四氫呋喃－乙醇t－xy相圖

1.2 四氫呋喃－乙醇變壓精餾流程

四氫呋喃－乙醇變壓精餾模擬流程見圖3。

圖3 四氫呋喃－乙醇變壓精餾模擬流程（1為原料溶液，3為乙醇，4為四氫呋喃，B1為常壓塔，B2為高壓塔）

1.3 苯與環(huán)己烷不同壓力下氣液平衡數(shù)據(jù)

比較圖4與圖5可知，在1tam條件下，苯－環(huán)己烷共沸組成為苯55%、環(huán)己烷45%。隨著壓力的增加苯在液相中的含量增加，高壓下的共沸點(diǎn)略有改變其共沸組成如圖5所示。壓力為8atm下共沸組成為苯60%、環(huán)己烷40%。由此可見，壓力的變化對(duì)苯與環(huán)己烷的汽液相平衡影響較小，且隨著壓力的增加其相對(duì)揮發(fā)度減少。因此苯與環(huán)己烷不適合用變壓精餾來(lái)分離。

圖4 1atm壓力下苯－環(huán)己烷t－xy相圖

圖 5 8atm壓力下苯-環(huán)己烷t-xy相圖

2 常壓－高壓塔分離四氫呋喃與乙醇模擬結(jié)果

假設(shè)原料進(jìn)料組成含有50%的四氫呋喃、50%的乙醇，流量為100kmol／h，分離要求得到純度大于99.5%的四氫呋喃與99.5%乙醇。模擬結(jié)果如表1、表2所示。

表1 四氫呋喃－乙醇變壓精餾流程模擬計(jì)算結(jié)果

表2 四氫呋喃－乙醇變壓精餾雙塔流程操作參數(shù)優(yōu)化模擬

3 結(jié) 論

（1）由汽液相平衡數(shù)據(jù)分析可知，變壓精餾對(duì)于四氫呋喃－乙醇二元共沸物系可以較好地實(shí)現(xiàn)分離，在塔底分別得到純度高于99.5%的四氫呋喃和乙醇產(chǎn)品；對(duì)于苯－環(huán)己烷二元共沸物系而言，變壓精餾方法不是特別適用。

（2）應(yīng)用Aspen Plus模擬軟件對(duì)變壓精餾分離四氫呋喃與乙醇共沸物系工藝流程進(jìn)行研究，得到最佳工藝操作參數(shù)。

（3）分析及模擬過(guò)程對(duì)該類具有最低共沸點(diǎn)二元難分離物系的分離提純提出了一種新分離思路及可行性判別方法，對(duì)共沸物系分離工藝設(shè)計(jì)和現(xiàn)有裝置改造具有重要的指導(dǎo)意義。

［1］ Brunner E，Scholz A G R.Isobaric vapor－liquid equilibria of the tetrahydrofuran－ethanol system at 25，50and 100kPa［J］.J.Chem.Eng.Data，1984，29（1）：28－31.

［2］ Yoshikawa Y，Takagi A，Kato M.Indirect determination of vapor－liquid equilibria by a small ebulliometer.Tetrahydrofuran－alcohol binary systems［J］.J.Chem.Eng.Data，1980，25（4）：344－346.

［3］ Yuan Huajun，An Yue，Xu Guohua，et al.Kinetics of liquid－phase hydrogenation of toluene catalyzed by hydrogen storage Alloy MIN i5［J］.J.RareEarths，2004，22（3）：385－389.

［4］ Dussel R，Stichlmair J.Separation of azeotropic mixtures by batch distillation using an entrainer［J］.Comput.Chem.Eng.，1995，19（Supplement 1）：113－118.

［5］ 劉偉明，程慶來(lái)，劉麗波，等.萃取精餾分離四氫呋喃－乙醇共沸物系［J］.天津化工，2009，23（3）：19－21.

［6］ 楊慧，陳礪，嚴(yán)宗誠(chéng)，等.燃料乙醇萃取精餾工藝的有效能分析［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38（8）：40－43.

［7］ Seader J D，Henley E J.Separation process principles，2ed.［M］.Shanghai：East China University of Science and Technology Press，2007：617－646.

［8］ Jaksland C，Hytoft G.Computer－aided process design and optimization with separation units［J］.AppliedThermal Engineering，1997，17（8－10）：973－980.

［9］ Repke J U，Klein A D，F(xiàn)orner F R.Homogeneous azeotropic distillation in an energy－and mass－integrated pressure swing column system［J］.Comput.Aided.Chem.Eng.，2004，18：757－762.

［10］ 顧曉，程建民.雙效變壓精餾節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用［J］.上?；?，2001，23（7）：17－19.

［11］ Aspen Technology Inc.Aspen Plus user guider［M］.New York：Aspen Technology Co.Ltd.Press，2006：215－219.

［12］ Gmehling J，Onken U，et al.Vapor－Liquid Equilibrium Date Collection：Aqueous－organic Systems［M］.Dechema：Chemistry Data Series VOL.Ⅰ，Part 1，1999.