丙酮-氯仿混合物萃取精餾分離過程模擬

李　麗

(安徽理工大學(xué)學(xué)術(shù)出版中心，安徽　淮南　232001)

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丙酮-氯仿混合物萃取精餾分離過程模擬

李麗

(安徽理工大學(xué)學(xué)術(shù)出版中心，安徽淮南232001)

摘要：為增大關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度以有利于分離，用苯作為溶劑對流量為78.788 88 kmol/h的丙酮-氯仿混合物進(jìn)行萃取精餾過程的模擬計算。精餾流程采用兩塔結(jié)構(gòu)，即萃取精餾塔和溶劑回收塔，前者塔頂餾出產(chǎn)物為丙酮，塔底產(chǎn)物為氯仿、苯和微量丙酮的混合物；后者塔頂餾出產(chǎn)物為氯仿，塔底為溶劑苯和少量氯仿，此塔底產(chǎn)物作為回流與補(bǔ)充溶劑合并返回萃取精餾塔。萃取精餾塔總共65塊理論板(包括塔頂全凝器和塔底再沸器)，補(bǔ)充溶劑(0.410 76 kmol/h)和新鮮進(jìn)料合并從萃取塔第30塊理論板加入(從上往下數(shù))，回流比為10，塔頂產(chǎn)物42.84kmol/h；溶劑回收塔共有70塊理論板(包括塔頂全凝器和塔底再沸器)，進(jìn)料位置為第30塊，回流比為15，塔頂產(chǎn)物與進(jìn)料流量比設(shè)為0.11。模擬計算結(jié)果收斂，結(jié)果萃取精餾塔頂產(chǎn)物中丙酮純度為99.95%，溶劑回收塔頂氯仿含量達(dá)到97.87%。

關(guān)鍵詞：丙酮；氯仿；苯；萃取精餾；模擬

萃取精餾是采用相對高沸點(diǎn)的溶劑改變混合物的液相活度系數(shù)，從而增大關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度以有利于分離，若進(jìn)料為具有最低恒沸點(diǎn)的恒沸物，則溶劑從進(jìn)料板之上、塔頂之下某適當(dāng)位置加入，這樣流向塔底的液相中都存在溶劑，并且氣提到塔頂?shù)娜軇┥?；若進(jìn)料為具有最高恒沸點(diǎn)的恒沸物，則溶劑和進(jìn)料從同一塊進(jìn)料板入塔。溶劑不可與組分間形成恒沸物，從萃取精餾塔底部出料后還需進(jìn)一步分離出溶劑，循環(huán)使用[1-2]。

本文采用萃取精餾法，對丙酮-氯仿混合物流股進(jìn)行了分離過程的合成與模擬計算，合成的流程和模擬計算結(jié)構(gòu)可以作為此物系實際分離過程設(shè)計和操作過程的指導(dǎo)或參考。

1物性方程的選擇

丙酮和氯仿的正常沸點(diǎn)分別為56.16 ℃、61.10 ℃，在1atm下，丙酮和氯仿形成最高恒沸物，最高恒沸點(diǎn)為64. 43 ℃，恒沸物組成為37.8%mol丙酮。苯的正常沸點(diǎn)是80.24 ℃，而且在常壓下，苯不與丙酮和/或氯仿形成二元或三元恒沸物，丙酮-氯仿-苯的蒸餾殘留曲線圖表明，丙酮-氯仿恒沸物與水混合蒸餾進(jìn)程為從恒沸物組成點(diǎn)指向純苯，形成的蒸餾界限將殘留曲線圖分成上下兩個區(qū)域，萃取塔在下部區(qū)域操作，分離出丙酮；溶劑回收塔在上部區(qū)域操作，回收溶劑苯[3]。由于物系含有極性組分，操作壓力為常壓，本文選用基團(tuán)貢獻(xiàn)法物性方程UNIFAC計算液相組分的活度系數(shù)，氣相物性方程為理想氣體狀態(tài)方程[4-6]。

2流程結(jié)構(gòu)圖及輸入條件

整個流程為兩塔結(jié)構(gòu)，處理量為78.78 888 kmol/h的丙酮-氯仿(丙酮摩爾分率0.5483)混合物流股，萃取精餾塔65塊理論板(包括塔頂全凝器和塔底再沸器)，丙酮-氯仿新鮮進(jìn)料混合物與溶劑混合后，從第13塊板進(jìn)料，流量為，回流比為10，塔頂產(chǎn)物42.84 kmol/h，可以得到純度為99.95%的塔頂丙酮產(chǎn)物；溶劑回收塔采用70塊理論板，進(jìn)料位置為第30塊，回流比為15，塔頂產(chǎn)物與進(jìn)料流量比為0.11，可以得到純度為97.88%的塔頂氯仿產(chǎn)物，塔底產(chǎn)物含苯97.69%，回流循環(huán)使用。補(bǔ)充溶劑苯流量為0.410 764 kmol/h。

3模擬計算結(jié)果與分析

表1給出了萃取精餾塔和溶劑回收塔模擬計算的主要結(jié)果。其中精餾塔總效率計算采用O’Connell關(guān)聯(lián)式：Eo=50.3(αμ)-0.226，相對揮發(fā)度α采用塔頂、塔底和進(jìn)料板條件下的幾何平均值，μ為進(jìn)料粘度；塔板內(nèi)徑計算中采用Fair關(guān)聯(lián)式計算液泛速率，接近液泛分率取0.8。需要特別指出的是，對萃取精餾塔進(jìn)行效率估算時，進(jìn)料粘度為總進(jìn)料流股TOTAL-F的液相粘度，關(guān)鍵組分丙酮-氯仿的相對揮發(fā)度采用塔頂、進(jìn)料以及塔底三個位置相對揮發(fā)度的幾何平均值[7-8]。

表1　丙酮-甲醇混合物萃取精餾模擬計算結(jié)果

注：φID塔內(nèi)徑，α為相對揮發(fā)度，μ為進(jìn)料液相粘度，Eo為總效率，QC為冷凝器熱負(fù)荷，QR為再沸器熱負(fù)荷。

圖2、圖3分別為萃取精餾塔各組分液相和汽相濃度分布。萃取精餾塔頂丙酮濃度達(dá)到99.95%，從塔頂往下直到20塊板，氣相和液相中丙酮都處于高濃區(qū)，20~30塊之間，丙酮濃度急劇下降，從30塊塔板到塔底，丙酮濃度平緩下降，溶劑苯的濃度變化趨勢與丙酮相反，這是因為苯是最難揮發(fā)的組分，丙酮是最容揮發(fā)的組分；氯仿的濃度分布由丙酮和水的濃度分布差減法確定，在第55塊板附近出現(xiàn)最大值，高濃區(qū)在塔的中下部。

圖2與圖3中各組分的組成分布類似，因為精餾塔理論板基于氣液平衡進(jìn)行計算，氣相濃度和液相濃度受到相平衡關(guān)系式y(tǒng)=kx的約束。由于液相進(jìn)料，在進(jìn)料位置液相中溶劑苯的組成明顯高于其在氣相中的組成，而丙酮在液相的組成明顯低于在相應(yīng)氣相組成。

圖4與圖5分別為溶劑回收塔中液相和汽相各組分濃度分布，同樣由于收到汽液平衡關(guān)系式的約束，相同組分在汽液相中的變化趨勢相同。溶劑回收塔頂氯仿含量達(dá)到97.87%，氣液相中氯仿濃度從塔頂?shù)?5塊板急劇下降，從15塊板到塔底平緩下降；溶劑苯濃度變化趨勢與氯仿的相反，塔底溶劑苯濃度達(dá)到97.69%。

3結(jié)論

以苯作為溶劑，對流量為78.788 88 kmol/h的丙酮-氯仿(丙酮摩爾分率0.548 3)混合物萃取精餾分離流程進(jìn)行了模擬計算，得到如下結(jié)論：

1) 萃取精餾塔65塊理論板，補(bǔ)充新鮮溶劑和循環(huán)溶劑混合后第30塊板加入，回流比取10(摩爾比)，塔頂產(chǎn)物流量取42.84 kmol/h，塔頂丙酮濃度達(dá)到99.95%，塔頂冷凝器和塔底再沸器熱負(fù)荷分別為；

2) 溶劑回收塔70塊理論板，進(jìn)料板為第30塊，回流比15(摩爾比)，塔頂氯仿濃度達(dá)到97.87%，塔底產(chǎn)物苯含量達(dá)到97.69%；

3) 補(bǔ)充新鮮溶劑流量為0.410 76 kmol/h，此流量可根據(jù)操作情況適當(dāng)調(diào)整，保證萃取分離效果。

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(責(zé)任編輯：李麗，范君)

Simulation of Extractive Distillation Separation Process for

Acetone-chloroform Mixture

LI Li

(Academic Publishing Center, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract:In order to increase the relative volatility of the key components and be in favor of their separation, the simulation calculation was conducted for extractive process of acetone-chloroform mixture stream with flow rate of 78.788 88 kmol/h using benzene as solvent. The entire separation process is composed of two columns, i.e, an extractive column and a solvent recovery column. The distillates in the top and bottom product of the former are acetone and a mixture of chloroform, benzene and trace of acetone, respectively. The distillates in the top and bottom product of the latter are chloroform and a mixture of benzene with trace of chloroform, respectively. The bottom product of the latter column is recycled to the former column with the makeup solvent. The extractive column contains 65 theoretical stages. The makeup solvent(0.410 76 kmol/h)and the fresh feed mixture enters the extractive column at the 30th theoretical tray. The reflux ratio of the extractive column is set at 10 the distillate flow rate is set at 42.84kmol/h. The solvent recovery tower is simple distillation tower containing 70 theoretical stages. The feed location is also the 30th theoretical tray, while the reflux ratio is set at 15and the distillate to feed ratio is set at 0.11.The simulation converged and the purity of acetone product from the top of extractive column is 99.95% and the purity of chloroform from the solvent recovery column reaches 97.87%。

Key words:acetone；chloroform；benzene；extractive distillation；simulation

作者簡介：李麗(1973-)，女，吉林吉林人，副編審，碩士，研究方向：化工工藝和科技期刊編校。

收稿日期：2015-06-30

中圖分類號：TQ028

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098(2015)04-0077-04