正丁醇回收工藝流程模擬與參數(shù)優(yōu)化

鐘亮 陳愈安 李真澤

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

正丁醇主要用于制造鄰苯二甲酸、脂肪族二元酸及磷酸的正丁酯類增塑劑，同時還是油脂、藥物（如抗生素、激素和維生素）和香料的萃取劑，醇酸樹脂涂料的添加劑，等等。具有較為廣泛的應用價值[1-2]。

某化工廠在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生正丁醇廢液（主要由正丁醇、水和一些微量的其他雜質(zhì)組成）需要處理，該廠原先采用焚燒的方法處理該廢液。近來，為提高經(jīng)濟效益，決定將該股廢液中的正丁醇精制成產(chǎn)品外售。

回收工藝流程的優(yōu)選、設備參數(shù)和操作參數(shù)的優(yōu)化對優(yōu)化正丁醇回收過程中的設備投資費用和操作能耗起了決定性作用。本文采用Aspen Plus 流程模擬軟件對回收工藝流程進行模擬，首先依據(jù)正丁醇與水能夠形成液-液-氣三相的性質(zhì)選用合適的物性模型，并依據(jù)正丁醇與水相平衡數(shù)據(jù)[3]修正選用物性模型的參數(shù)，確保流程模擬結果的精確性；然后利用正丁醇與水部分互溶的特性優(yōu)選正丁醇回收的工藝流程；在此基礎上，分析兩塔理論板數(shù)和塔頂回流溫度對操作能耗的影響。

能量不僅具有數(shù)量上的大小，也具有品位上的差異，有用能的觀點充分體現(xiàn)不同能量的品位差異[4]。在能耗相同的基礎上，選擇合適的公用工程介質(zhì)，提高了回收工藝流程有用能效率。

1 物性模型選擇與模型參數(shù)的驗證

常壓條件下，正丁醇與水部分互溶形成油相和水相，油相與水相的相平衡數(shù)據(jù)如表1 所示[3]。常壓條件下，正丁醇與水可形成非均相最低恒沸物，恒沸點為92.7℃，其中水的含量為42.5%，為液-液-汽三相平衡。

表1 常壓條件，正丁醇與水的液-液相平衡數(shù)據(jù)

本文選用能夠模擬液-液-氣三相的物性模型作為正丁醇與水的物性模型，模型參數(shù)最初來源于Aspen Plus 自帶的物性參數(shù)庫。依據(jù)不同物性參數(shù)庫模擬的正丁醇與水的最低恒沸物數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 的模擬結果顯示：對于汽-液平衡，前四個物性數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)均能較為精確的模擬，尤以物性數(shù)據(jù)庫2 的模擬結果最為精確；對于液-液平衡，軟件自帶的物性數(shù)據(jù)庫模擬的結果均與表1 液-液平衡數(shù)據(jù)存在一定誤差。為確保模擬結果的精確，采用數(shù)據(jù)庫2的數(shù)據(jù)模擬正丁醇與水的汽-液平衡；采用表1 液-液平衡數(shù)據(jù)回歸模型參數(shù)，模擬正丁醇與水的液-液平衡，修正模型參數(shù)后的液-液平衡模擬結果與表1 數(shù)據(jù)對比如圖1 所示，兩者誤差較小，滿足正丁醇回收工藝流程模擬的精確度要求。

表2 不同物性參數(shù)庫數(shù)據(jù)模擬的正丁醇與水最低恒沸物物性數(shù)據(jù)

圖1 液-液平衡的模擬結果與文獻數(shù)據(jù)對比

2 正丁醇回收工藝流程的比較

該廠規(guī)定回收的正丁醇產(chǎn)品中正丁醇含量不得低于99.5%（GB/T 6027—1998《工業(yè)正丁醇》中優(yōu)等品的正丁醇含量最低要求[5]），廢水中正丁醇含量不得高于0.1%。因正丁醇與水存在最低恒沸物，單塔操作無法同時滿足上述兩個目標的要求，需要兩個精餾塔（產(chǎn)品塔和廢水塔）聯(lián)合操作[6]。按照兩個精餾塔的3 種組合方式形成了3 種不同的正丁醇回收工藝流程方案，如圖2 所示。

各方案均采用產(chǎn)品塔頂部油相回流，廢水塔頂部水相回流的方式操作。方案1 采用兩塔串聯(lián)的流程，首先分離正丁醇產(chǎn)品；方案2 也采用兩塔串聯(lián)的流程，首先分離廢水；方案3 采用兩塔并聯(lián)的流程，油相和水相分別從產(chǎn)品塔和廢水塔頂部回流，塔底分別產(chǎn)出正丁醇產(chǎn)品和廢水。不同方案的操作能耗對比如表3所示。

相較于方案1 和方案2，方案3 充分利用正丁醇與水部分互溶的特性，通過油水分離罐將原料正丁醇廢液以及經(jīng)塔頂冷凝器冷凝的液相回流預先分離成油水兩相，分別回流進入產(chǎn)品塔頂部和廢水塔頂部。油水分離罐的設置降低兩塔的進料處理量，降低設備投資費用；同時各塔的進料濃度也得到優(yōu)化，節(jié)約了操作能耗。在工藝路線上優(yōu)于方案1 和方案2，同時也優(yōu)于現(xiàn)有文獻報道的相關工藝流程[7-8]。

本文選擇方案3 作為正丁醇回收工藝流程，后續(xù)討論部分均是基于該方案展開。

表3 三種回收方案的操作能耗對比 Gcal/h

圖2 三種不同的正丁醇回收工藝流程方案

3 工藝流程參數(shù)的優(yōu)化

3.1 兩塔理論塔板數(shù)對操作能耗的影響

在精餾塔的操作中，上升的蒸汽與下降的液體完成輕重組分的相互傳遞。只要兩相接觸面（對應理論塔板數(shù)）和上升蒸汽量（對應再沸器能耗）足夠，到達塔底的液體所含的輕組分可降至很低，從而獲得高純度的重組分。

為達到規(guī)定的分離目標，不同理論塔板數(shù)對上升蒸汽量有不同的要求。起初，增加理論塔板數(shù)可以顯著減少對上升蒸汽量的要求，能耗的減少將補償設備費用的增加；繼續(xù)增加理論塔板數(shù)，上升蒸汽量的要求減少緩慢，能耗的減少將不足以能補償設備費用的增加。

正丁醇回收流程中，產(chǎn)品塔和廢水塔兩塔理論塔板數(shù)增加與各自再沸器操作能耗增加趨勢如圖3 所示。當理論塔板增加到一定數(shù)量的時候，塔板數(shù)的繼續(xù)增加均不能顯著減少再沸器能耗。

3.2 塔頂冷凝器回流溫度的確定

塔頂回流可以采用重力自然回流或者泵送強制回流的方式。對于正丁醇回收流程，兩相回流需要預先采用油水分離罐分離成油相和水相。為確保油水分離的效果，油水分離罐需要較大的體積保證回流液在罐中有較長的停留分相時間。該罐體積過大不宜設置在兩塔上方，回流應采用泵送強制回流的方式。為防止回流泵汽蝕，回流液必須有一定的過冷度。

不同回流溫度對兩塔能耗的影響如圖4 所示。隨著回流溫度的降低，兩塔操作能耗也隨之降低，對于這種現(xiàn)象可以作如下解釋。

依據(jù)圖1 的液-液相平衡曲線，在60～110℃范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，水相中水含量增加，油相中水含量減少。因此在該溫度范圍內(nèi)降低塔頂回流溫度，更加優(yōu)化了兩塔的進料濃度，從而降低了兩塔操作能耗。

但回流溫度過低，將減少塔頂冷凝器的換熱溫差，需要更大的換熱器換熱面積。綜合考慮，確定回流溫度較低一些比較合適。

4 換熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)的選擇

產(chǎn)品塔塔底出料為正丁醇產(chǎn)品（正丁醇常壓下的沸點為117.7℃），廢水塔塔底出料為廢水，兩塔的再沸器均適合采用低壓蒸汽作為加熱介質(zhì)。塔頂冷凝器兩股氣相進料溫度約為92℃，適合采用循環(huán)冷卻水或者空冷器冷卻。

衡量一個穩(wěn)態(tài)物流系統(tǒng)攜帶的有用能變化按如下公式計算：

正丁醇回收工藝流程有用能效率按如下公式計算

表4 列出工藝流股和可能采用的不同種類和規(guī)格的公用工程在變化過程前后的有用能變化值。表5 列出采用不同種類和規(guī)格公用工程的整個回收工藝流程的有用能效率。

圖3 兩塔理論板數(shù)與再沸器能耗對比

圖4 回流溫度對再沸器和冷凝器能耗的影響

結果表明，由于循環(huán)冷卻水獲得的有用能不被回收利用，塔頂冷凝器采用空冷或者循環(huán)冷卻水冷卻對回收流程有用能效率沒有影響。再沸器采用蒸汽加熱，采用匹配溫度的較低壓力等級蒸汽能夠提高回收工藝流程的有用能效率，采用高壓蒸汽作為熱源將降低換熱過程的有用能效率。

表4 正丁醇回收工藝流程中有用能變化數(shù)據(jù)

表5 采用不同種類和規(guī)格公用工程對正丁醇回收工藝流程有用能效率的影響

5 結論

（1）采用Aspen Plus 流程模擬軟件對正丁醇回收流程進行模擬。選用能夠模擬液-液-氣三相的物性模型作為正丁醇與水的物性模型，汽-液相平衡模型參數(shù)采用軟件自帶的物性數(shù)據(jù)庫2 的參數(shù)；液-液相平衡模型參數(shù)依據(jù)文獻正丁醇與水相平衡數(shù)據(jù)回歸獲得，修正后的物性模型模擬結果與文獻數(shù)據(jù)誤差較小，確保了模擬結果的精確性；

（2）優(yōu)選兩塔并聯(lián)操作的方案3 作為正丁醇回收工藝，該方案充分利用正丁醇與水部分互溶的特性，通過油水分離罐將原料正丁醇廢液以及經(jīng)塔頂冷凝器冷凝的液相回流預先分離成油水兩相，分別回流進入產(chǎn)品塔頂部和廢水塔頂部。油水分離罐的設置降低兩塔的進料處理量，降低設備投資費用；同時各塔的進料濃度也得到優(yōu)化，節(jié)約了操作能耗。該方案優(yōu)于現(xiàn)有文獻報道的相關工藝流程；

（3）兩塔理論板數(shù)增加可降低操作能耗，但當兩塔理論板數(shù)增加至一定數(shù)量后，塔板數(shù)的繼續(xù)增加均不能顯著減少再沸器能耗；

（4）降低塔頂回流溫度優(yōu)化了兩塔的進料濃度，降低了操作能耗。但回流溫度過低，將減少塔頂冷凝器的換熱溫差，需要更大的換熱器換熱面積。綜合考慮，較低回流溫度比較合適；

（5）再沸器采用匹配溫度的低壓蒸汽可提高回收工藝流程的有用能效率；由于循環(huán)冷卻水獲得的有用能不被利用，塔頂冷凝器采用循環(huán)冷卻水或者空冷，對回收工藝流程的有用能效率沒有影響。

符號說明

[1] 王延吉.有機化工原料（化工產(chǎn)品手冊）[M].第四版.北京：化學工業(yè)出版社，2004.61-62.

[2] 陳小平，王濤，楊杰，等.鹽效萃取法從制藥廢液中回收正丁醇[J].環(huán)境科學與技術，2008，31(4)：85-87，100.

[3] 程能林.溶劑手冊[M].第四版.北京：化學工業(yè)出版社，2007，405-408.

[4] 陳鐘秀，顧飛燕，胡望明，等.化工熱力學[M].第二版.北京：化學工業(yè)出版社，2001.118-133.

[5] GB/T 6027-1998，工業(yè)正丁醇[S].

[6] 陳敏恒.化工原理[M].第二版.北京：化學工業(yè)出版社，1999， 101-102.

[7] 李小兵，鐘運斌，龔紅梅.粗粒鹽酸土霉素生產(chǎn)中正丁醇的回收利用[J].江西中醫(yī)學院學報，2005，17(4)，59.

[8] 史美平，劉素英，李秋元.抗生素生產(chǎn)中溶媒回收工藝[J].河北化工，2001，1(1)，32-33.