分隔壁精餾塔分離柑皮精油中D—檸檬烯的模擬研究

胡女丹 周劍麗 覃引

摘要：應(yīng)用Aspen Plus軟件分析檸檬烯與椪柑（Citrus reticulata Blanco cv. Ponkan）皮精油其他主要成分的二元系統(tǒng)在0.1 kPa下相平衡關(guān)系，并建立常規(guī)雙塔精餾和分隔壁塔精餾分離（DWC）模型對椪柑皮精油提純D-檸檬烯進(jìn)行工藝模擬。通過三塔模型對分隔壁精餾塔進(jìn)行計算，計算結(jié)果作為初值，利用Aspen Plus軟件中Multifrac-Petlyuk模塊對DWC進(jìn)行嚴(yán)格模擬計算，并利用靈敏度分析回流比、進(jìn)料位置、測線采出位置、互聯(lián)位置以及互聯(lián)物流氣液相流率對分離效果及再沸器熱負(fù)荷的影響，在優(yōu)化條件下，得到純度為97.20%的D-檸檬烯，回收率為93.75%。分隔壁塔精餾比雙塔精餾的再沸器熱負(fù)荷節(jié)省39.65%。

關(guān)鍵詞：分隔壁塔；精餾；椪柑（Citrus reticulata Blanco cv. Ponkan）皮精油；模擬；節(jié)能

中圖分類號：TQ028.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）10-2451-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.039

作為柑橘主要功能性成分的柑橘精油含有60%～95%的檸檬烯，檸檬烯具有多種生理和生物活性，在食品、農(nóng)藥、醫(yī)藥、工業(yè)等眾多領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用[1]。中國擁有豐富的柑橘資源，但其果皮大部分作為垃圾被丟棄，研究從柑橘皮精油中提取檸檬烯有著重要的意義。

分隔壁精餾塔（Dividing Wall Column，簡稱DWC）是一項新的節(jié)能塔技術(shù)[2]，其特點是在精餾塔內(nèi)部設(shè)置一垂直隔板，分隔壁精餾塔具有以下優(yōu)點：可以減小中間組分的反混而大幅度提高熱力學(xué)效率；同時，減少設(shè)備的數(shù)目及投資[3-10]。目前國內(nèi)對分隔壁精餾塔應(yīng)用研究還不多，用分隔壁精餾塔分離提純橘皮精油中檸檬烯的試驗和模擬研究尚未見報道。本研究以椪柑（Citrus reticulata Blanco cv. Ponkan）皮精油為對象，通過Aspen Plus軟件模擬，分析分離檸檬烯的分隔壁塔各關(guān)鍵工藝參數(shù)對分離效果的影響，對比常規(guī)精餾和分隔壁塔精餾的節(jié)能效果，旨在為椏柑皮精油提純檸檬烯的研究和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 分離對象的氣液平衡

試驗以常見的碰柑皮精油[11]為研究對象，以D-檸檬烯為基準(zhǔn)組分，用Aspen Plus軟件計算椪柑皮精油主要成分與D-檸檬烯的二元系統(tǒng)在0.1 kPa下的相平衡數(shù)據(jù)并繪制相圖（圖1）。比D-檸檬烯易揮發(fā)的組分依次為3-蒈烯、α-蒎烯、側(cè)柏烯、β-松油烯，比D-檸檬烯難揮發(fā)的組分是異松油烯和芳樟醇，異松油烯相平衡曲線離對角線的距離近，說明異松油烯與D-檸檬烯分離比芳樟醇難得多。本研究將分離對象簡化為輕組分（以3-蒈烯代表）、D-檸檬烯、重組分（以異松油烯代表）的混合物，比3-蒈烯容易分離的輕組分和比異松油烯容易分離的重組分都能與檸檬烯分離。

2 常規(guī)精餾工藝流程及模擬結(jié)果

分離對象椪柑皮精油的成分及含量：D-檸檬烯68%、3-蒈烯20%、異松油烯12%。50 ℃飽和液體進(jìn)料。分離要求：D-檸檬烯的純度≥97%，D-檸檬烯的回收率≥93%。從3組分椪柑皮精油中分離提純中間組分D-檸檬烯通常需要2個精餾塔，雙塔有直接序列或間接序列2種流程，本研究采用直接序列（圖2）。采用UNIFAC-DMD物性方法，首先通過DSTWU模型進(jìn)行估算，計算結(jié)果作為RADFRAC模型嚴(yán)格計算的初值，模擬計算并優(yōu)化后D-檸檬烯的純度為97.2%，回收率為93.65%。模擬結(jié)果中兩塔各參數(shù)值見表1。

3 分隔壁塔精餾模擬研究

分隔壁塔精餾模擬研究的分離要求、進(jìn)料條件與常規(guī)雙塔精餾相同。首先通過三塔模型對分隔壁精餾塔進(jìn)行計算（圖3），得到嚴(yán)格計算的初值，分隔壁精餾塔和全熱耦合精餾Petlyuk塔在熱力學(xué)上等效，所以再利用Aspen Plus軟件中Multifrac-Petlyuk模塊對DWC在0.5 kPa時提純D-檸檬烯進(jìn)行嚴(yán)格模擬計算[12，13]，該模塊將DWC分為主塔和預(yù)分塔（圖4），最后利用靈敏度分析進(jìn)料位置、回流比、側(cè)線采出位置、互聯(lián)物流氣液相流量對產(chǎn)品D-檸檬烯純度及塔底熱負(fù)荷的影響，確定最佳的工藝參數(shù)。

3.1 回流比

在其他參數(shù)不變的情況下，考察回流比對產(chǎn)品D-檸檬烯純度和再沸器熱負(fù)荷的影響（圖5）。由圖5可知，再沸器熱負(fù)荷隨回流比的增大而直線上升，產(chǎn)品純度也隨回流比的增大而提高，在回流比大于14時，產(chǎn)品純度變化趨勢平緩，回流比大于13時，產(chǎn)品純度大于97%，因此，回流比確定為13.5。

3.2 進(jìn)料位置

原料的進(jìn)料位置（基于預(yù)分塔）對DWC精餾效果的影響見圖6。由圖6可知，隨著進(jìn)料理論板數(shù)的增加，再沸器的熱負(fù)荷存在最小值，產(chǎn)品純度存在最大值，因此取產(chǎn)品純度達(dá)到分離要求時再沸器熱負(fù)荷最小所對應(yīng)的進(jìn)料位置，即進(jìn)料位置為第9塊塔板。

3.3 側(cè)線采出位置

圖7顯示了產(chǎn)品D-檸檬烯側(cè)線采出位置對再沸器熱負(fù)荷的影響。由圖7可知，隨著側(cè)線采出的理論板下移，再沸器熱負(fù)荷直線下降，產(chǎn)品純度先增大后減小，取產(chǎn)品純度滿足分離要求、再沸器熱負(fù)荷最小對應(yīng)的位置，即側(cè)線采出位置為主塔第37塊塔板。

3.4 互聯(lián)位置

當(dāng)預(yù)分塔塔板數(shù)一定時，預(yù)分塔與主塔互聯(lián)上端位置確定，互聯(lián)下端位置也就確定。預(yù)分塔與主塔互聯(lián)上端位置對產(chǎn)品純度和再沸器熱負(fù)荷的影響與進(jìn)料板位置的影響相似（圖8）。由圖8可知，再沸器的熱負(fù)荷隨塔板數(shù)的增加先減小后增大，在互聯(lián)位置為第13～18塊塔板時再沸器的熱負(fù)荷處于曲線的谷底，相差較??；產(chǎn)品純度先增大后減小，在互聯(lián)位置為第15塊塔板時存在最大值，所以互聯(lián)位置確定為第15塊塔板。

3.5 互聯(lián)物流氣液相流率

互聯(lián)位置的液相和氣相分流是分隔壁塔的最大特點，其流率直接影響能耗和組分的分離效果。在其他條件不變的情況下，考察液相流率對精餾產(chǎn)品純度和能耗的影響（圖9）。由圖9可知，隨著液相流率增大，產(chǎn)品純度曲線存在最大值，再沸器熱負(fù)荷曲線存在最小值，在液相流率為225 kg/h時，產(chǎn)品純度達(dá)到最大時，再沸器熱負(fù)荷剛好處于最小值，因此液相流率定位225 kg/h。氣相流率的影響和液相流率相似（圖10），產(chǎn)品純度最大時再沸器熱負(fù)荷最小，因此確定氣相流率為310 kg/h。分隔壁精餾塔分離椪柑皮精油中D-檸檬烯的模擬經(jīng)優(yōu)化后產(chǎn)品純度為97.20%，檸檬烯回收率為93.75%，具體模擬結(jié)果見表2。

4 結(jié)論

分隔壁精餾塔分離椪柑皮精油中D-檸檬烯，經(jīng)優(yōu)化后產(chǎn)品純度為97.20%，檸檬烯回收率為93.75%。在產(chǎn)品純度和回收率相當(dāng)?shù)那闆r下，常規(guī)雙塔精餾時再沸器熱負(fù)荷總和為92.30 kW，分隔壁塔精餾時再沸器熱負(fù)荷為55.7 kW，比雙塔精餾節(jié)省能量39.65%。

用化工模擬軟件Aspen Plus計算椪柑皮精油主要成分與D-檸檬烯的二元系統(tǒng)在0.1 kPa下的相平衡數(shù)據(jù)并繪制相圖，分析其他成分與檸檬烯分離的難易程度。為成分相似的橘皮精油如橙皮精油、檸檬皮精油分離提取D-檸檬烯提供參考。

用Aspen Plus軟件對常規(guī)雙塔精餾和分隔壁塔精餾分離D-檸檬烯進(jìn)行模擬并優(yōu)化，得到兩種精餾達(dá)到分離要求所需的理論板數(shù)、進(jìn)料位置和回流比等結(jié)果。比較在產(chǎn)品純度和回收率相當(dāng)?shù)那闆r下，分隔壁塔精餾和雙塔精餾的節(jié)能效果，計算結(jié)果表明，分隔壁塔精餾比雙塔精餾節(jié)省能量39.65%。

參考文獻(xiàn)：

[1] KARLSON J，BORG K，ANNA K，et al. Inhibition of tumor cell growth by monoterpenes in vitro：Evidence of a ras-independent mechanism of action[J]. Anticancer Drugs，1996，7（4）：422- 429.

[2] 裘兆蓉，葉 青，李成益.國內(nèi)外分隔壁精餾塔現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2005，17（1）：58-61.

[3] ERRICOA M，TOLAA G，RONG B G，et al. Energy saving and capital cost evaluation in distillation column sequences with a divided wall column[J]. Chemical Engineering Research and Design，2009，97：1649-1657.

[4] ISOPESCU R，WOINAROSCHY A，DRAGHICIU L.Energy reduction in a divided wall distillation column[J]. Revista de Chimie，2008，59（1）：64-71.

[5] DEJANOVIC I，MATIJASEVIC L，OLUJIC Z. Dividing wall column-A breakthrough towards sustainable distilling[J].Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2010，49（6）：559-580.

[6] 黃智賢，邱 挺，吳燕翔.分隔精餾塔分離烷烴混合物的模擬[J].計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2009，26（11）：1407-1410.

[7] 史志剛，匡國柱.用分隔壁精餾塔對苯類混合物分離的工藝分析[J].煉油與化工，2008，19（4）：17-20.

[8] 馬占華，翟 誠，李 軍，等.隔壁式空分精餾塔應(yīng)用性能研究[J].化學(xué)工程，2012，40（2）：1-6.

[9] 朱登磊，任根寬，尚書勇，等.基于分壁式精餾塔的甲醇G碳酸二甲酯分離新工藝研究[J].現(xiàn)代化工，2013，33（5）：126-129.

[10] DRAGHICIU L，ISOPESCU R，WOINAROSCHY A.Capital cost reduction by the use of divided wall distillation column[J].Rev Chim，2009，60：1056-1060.

[11] 郭潤霞，譚興和，蔡 文，等.柑橘皮精油成分分析[J].糧油食品科技，2011，19（6）：25-30.

[12] 朱登磊，任根寬，譚 超，等.隔壁精餾塔的熱力學(xué)等效模擬研究[J].化學(xué)工程，2013，41（7）：19-23.

[13] 朱登磊，任根寬，尚書勇，等.基于Aspen Plus的Petlyuk塔模擬與優(yōu)化[J].計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2013，30（3）：301-304.