隔板塔精餾分離丙酮-乙酸乙酯-水-雜質(zhì)體系的研究

劉啟東 天津市普萊特科技發(fā)展有限公司 天津 300384

王寶東 天津普萊化工技術(shù)有限公司 天津300384

王志英 李春利 河北工業(yè)大學(xué) 天津 300130

丙酮是一種低沸點(diǎn)、易揮發(fā)的極性溶劑，溶解能力強(qiáng)，與水混溶，是用途很廣的溶劑和化工原料［1］。乙酸乙酯是一種重要的有機(jī)溶劑，廣泛用于涂料、油漆、油墨、纖維素、人造香精、藥物和有機(jī)酸的生產(chǎn)中［2］。棒酸又叫克拉維酸，是由棒狀鏈霉菌發(fā)酵液中分離得到的新型β -內(nèi)酰胺酶抑制劑，常與青霉素、頭孢等β-內(nèi)酰胺類抗生素聯(lián)合應(yīng)用，可提高這些抗生素的抗藥性［3］。棒酸生產(chǎn)過程產(chǎn)生的母液中含有丙酮、乙酸乙酯、少量的水和色素雜質(zhì)，其質(zhì)量組成通常是:丙酮約6% ～8%、乙酸乙酯約90% ～93%、水含量小于1%以及微量色素雜質(zhì)。國內(nèi)制藥廠對(duì)母液中溶媒的回收一般采用多塔串聯(lián)常規(guī)精餾的方法，但由于色素雜質(zhì)的存在，要得到合格的丙酮和乙酸乙酯溶劑，精餾分離的能耗大。

隔板塔是一種完全熱耦合精餾塔，其特殊塔結(jié)構(gòu)能夠使得多股物流同時(shí)在塔內(nèi)進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱，實(shí)現(xiàn)單塔多組分分離［4～7］，既可以提高分離過程的熱力學(xué)效率，降低能耗，又可以減少設(shè)備投資［8，9］。

對(duì)于丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質(zhì)體系的分離，常規(guī)多塔串聯(lián)精餾工藝操作簡單，但分離的能耗高，尤其是脫色塔。由于進(jìn)料中重組分色素含量很少，絕大部分溶劑需從塔頂蒸出，塔的操作能耗很高。針對(duì)常規(guī)工藝的缺點(diǎn)，本文提出了隔板塔精餾新工藝:丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質(zhì)體系首先經(jīng)過隔板塔初步分離，即從隔板塔塔釜脫除重組分色素雜質(zhì);側(cè)線采出大部分合格的乙酸乙酯產(chǎn)品;塔頂采出丙酮-乙酸乙酯-水的混合物，然后依次進(jìn)丙酮塔和脫水塔進(jìn)行丙酮和乙酸乙酯的分離。參照內(nèi)蒙古某制藥廠棒酸實(shí)際生產(chǎn)工藝，采用Aspen Plus 軟件對(duì)新工藝進(jìn)行模擬，考察隔板塔的分離特性及節(jié)能效果，為工業(yè)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 隔板塔精餾工藝流程簡介

內(nèi)蒙古某制藥廠在處理丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質(zhì)時(shí)，原采用四塔工藝流程，見圖1。脫色塔塔釜脫除重組分雜質(zhì)，乙酯塔塔底采出大部分合格乙酸乙酯產(chǎn)品，丙酮塔塔頂?shù)玫胶细癖a(chǎn)品，脫水塔脫除剩余乙酸乙酯中的水分后，從塔底采出合格的乙酸乙酯產(chǎn)品。

隔板塔精餾新工藝見圖2。以隔板塔代替原工藝中的脫色塔和乙酯塔，在隔板塔塔底脫除重組分色素雜質(zhì)，同時(shí)側(cè)線采出大部分乙酸乙酯成品，從塔頂采出丙酮-乙酯-水混合物，再依次進(jìn)入丙酮塔、脫水塔處理得到丙酮產(chǎn)品和剩余乙酸乙酯產(chǎn)品。

圖1 常規(guī)四塔工藝流程

圖2 隔板塔精餾工藝流程

2 隔板塔精餾工藝模擬

新工藝以隔板塔代替脫色塔和乙酯塔，而丙酮塔和脫水塔與原設(shè)計(jì)相同，因此，本文主要對(duì)隔板塔進(jìn)行模擬研究，利用Aspen Plus 軟件Multi-Frac 模塊中的全熱耦合精餾塔等價(jià)隔板塔。

模擬時(shí)，原料性質(zhì)以實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為簡化計(jì)算，丙酮-乙酯-水及雜質(zhì)的進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)定為0.08、0.91、0.01，進(jìn)料溫度為25℃。此外，物料中還含有少量的色素雜質(zhì)，其沸點(diǎn)很高，且不與其它組分共沸，實(shí)際生產(chǎn)中很容易脫除，模擬研究時(shí)采用硅醚代替色素雜質(zhì)。由于進(jìn)料中丙酮含量很少，隔板塔塔頂很難得到合格的丙酮產(chǎn)品，因此，將丙酮-乙酯-水混合物作為輕組分從塔頂采出，再依次送入丙酮塔、脫水塔分離;大部分乙酯作為中間組分從側(cè)線采出;色素雜質(zhì)從塔釜采出。

模擬研究中，定義液相分配比RL為隔板上方的下降液體分配到預(yù)分餾段(隔板左側(cè))的比例，氣相分配比RV為隔板下方的上升氣體分配到預(yù)分餾段的比例，預(yù)分餾段內(nèi)乙酯的分割比β 為預(yù)分餾段頂部乙酯餾出凈流量與乙酯進(jìn)料量之比［10］。模擬中假設(shè)隔板安裝在塔的中心，兩側(cè)堆放的填料條件相同，故近似取氣相分配比RV為0.5。

3 結(jié)果與討論

3.1 回流比R 對(duì)隔板塔分離效果的影響

圖3 反映了當(dāng)RL為0.01、RV為0.5 時(shí)，回流比R 對(duì)隔板塔分離效果的影響?？梢钥闯?，隨著R的增大，塔頂采出液中丙酮的含量與側(cè)線采出乙酸乙酯的純度均逐漸增大，當(dāng)R ＞4 后，其變化趨于平緩。由于回流比的增大會(huì)使再沸器熱負(fù)荷增加，故綜合考慮，回流比選擇4 即可。

圖3 回流比對(duì)產(chǎn)品純度的影響

3.2 液相分配比RL對(duì)隔板塔分離效果的影響

在隔板塔實(shí)際操作中，氣相分配比RV和液相分配比RL是兩個(gè)非常重要的優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù)，但氣相分配比在線調(diào)節(jié)比較困難，所以，模擬中將液相分配比作為隔板塔的主要調(diào)優(yōu)參數(shù)。

在隔板塔內(nèi)，丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質(zhì)混合物首先在預(yù)分餾段內(nèi)分離成丙酮-乙酯-水和乙酯-色級(jí)雜質(zhì)兩部分，丙酮-水-乙酯混合物從隔板上段餾出，在公共精餾段及側(cè)線采出段上部進(jìn)行丙酮-水與乙酯的分離;乙酯- 色素雜質(zhì)混合物從隔板下段餾出，在公共提餾段進(jìn)行乙酯與色素雜質(zhì)的分離。當(dāng)塔頂回流量一定時(shí)，進(jìn)入隔板兩側(cè)的液體量多少對(duì)隔板塔的分離效果會(huì)產(chǎn)生很大影響。

圖4 是在R=4，RV=0.5 時(shí)，液相分配比RL對(duì)塔頂采出液中丙酮含量和側(cè)線采出產(chǎn)品乙酯的純度的影響?？梢钥闯?，隨著RL的增大，塔頂采出液中丙酮含量與側(cè)線采出產(chǎn)品乙酯的純度均減小，也就是說液相分配比RL越小，隔板塔的分離效果越好，當(dāng)RL在0.1 以下時(shí)，乙酸乙酯的純度可達(dá)99.8%以上。雖然重組分色素雜質(zhì)沸點(diǎn)較高，很容易分離，但為保證其不從隔板上部蒸出，液相分配比在0.05 ～0.1 范圍內(nèi)為宜。

圖4 液相分配比對(duì)產(chǎn)品純度的影響

3.3 液相分配比RL 對(duì)隔板兩側(cè)液相濃度分布的影響

乙酸乙酯作為側(cè)線采出的產(chǎn)品及塔頂丙酮-水混合液和塔釜硅醚產(chǎn)品的主要雜質(zhì)，其在主塔液相中的濃度分布也直接反映隔板塔的分離效果。當(dāng)氣相分配比RV一定時(shí)，液相分配比RL的變化改變了預(yù)分餾段內(nèi)乙酸乙酯的分割比β，從而影響主塔液相中乙酸乙酯的濃度分布。為深入研究液相分配比對(duì)隔板塔分離效果的影響，在R =4、RV=0.5 條件下，模擬了液相分配比RL對(duì)隔板兩側(cè)乙酸乙酯濃度分布和預(yù)分餾段內(nèi)乙酸乙酯分割比β的影響，結(jié)果見圖5、圖6 和圖7。

圖5 側(cè)線采出段乙酯液相質(zhì)量分率隨塔板數(shù)變化

由圖5 可以看出，RV=0.5 時(shí)，隨著RL的增大，側(cè)線采出段上部的乙酯濃度逐漸升高，側(cè)線采出段下部的乙酯濃度逐漸降低。公共精餾段與側(cè)線采出段上部主要完成丙酮與乙酯、水與乙酯的部分分離，R 與RV一定，RL較大時(shí)，從隔板上部進(jìn)入側(cè)線采出段的液相量較少，側(cè)線采出段上部的液氣比減小，故乙酯濃度升高;當(dāng)RL增大，預(yù)分餾段液相中丙酮量增加，乙酯含量降低，故從預(yù)分餾段下部餾出進(jìn)入側(cè)線采出段的乙酯濃度亦隨之減少。

圖6 預(yù)分餾段乙酯液相質(zhì)量分率隨塔板數(shù)變化

由圖6 可以看出，RV=0.5 時(shí)，隨著RL的增大，預(yù)分餾段液相中乙酯濃度逐漸降低。RL越小，預(yù)分餾段液相中乙酯濃度越高，從預(yù)分餾段下部餾出進(jìn)入側(cè)線采出段的乙酯濃度越高，隔板塔分離效果越好。

圖7 乙酯分割比隨液相分配比的變化

由圖7 可以看出，RV=0.5 時(shí)，隨著RL的增大，預(yù)分餾段內(nèi)乙酯的分割比β 逐漸減小。當(dāng)RL較大時(shí)，乙酯分割比β 較小，較多的乙酯從預(yù)分餾段下部餾出，由于預(yù)分餾段內(nèi)的液相負(fù)荷較大，氣相負(fù)荷相對(duì)不足，會(huì)有一部分丙酮隨乙酯從預(yù)分餾段下部餾出，繞過隔板下端進(jìn)入側(cè)線采出段，影響側(cè)線乙酯產(chǎn)品的純度。當(dāng)RL較小時(shí)，β 較大，較多的乙酯從預(yù)分餾段上部餾出，由于預(yù)分餾段內(nèi)的液相負(fù)荷較小，氣相負(fù)荷相對(duì)充足，絕大部分丙酮隨乙酯從預(yù)分餾段上部餾出，再經(jīng)過公共精餾段及側(cè)線采出段的傳質(zhì)、傳熱，可使大量的丙酮從塔頂餾出，而側(cè)線采出段下部則可采出高純度的乙酯產(chǎn)品?？梢?，RL的確定對(duì)于隔板塔精餾工藝的分離效果是至關(guān)重要的。

3.4 隔板塔精餾工藝的經(jīng)濟(jì)性分析

內(nèi)蒙古某制藥廠在處理丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質(zhì)混合物時(shí)，原采用傳統(tǒng)四塔工藝流程，后采用本文提出的隔板塔精餾工藝進(jìn)行改造，分離任務(wù)與產(chǎn)品指標(biāo)可全部實(shí)現(xiàn)。表1 比較了在完成相同分離任務(wù)的條件下，隔板塔精餾流程與四塔流程的能耗情況?？梢钥闯觯舭逅s工藝與原四塔工藝相比，再沸器熱負(fù)荷減少28.09%，冷凝器熱負(fù)荷減少27.01%;同時(shí)，節(jié)省了一個(gè)精餾塔，一個(gè)冷凝器、一個(gè)再沸器及相關(guān)管路，大幅降低了設(shè)備投資。

表1 隔板塔精餾流程與常規(guī)四塔流程比較

4 結(jié)語

(1)對(duì)丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質(zhì)混合物體系，可采用隔板塔精餾工藝進(jìn)行分離，當(dāng)回流比為4，氣相分配比RV為0.5 時(shí)，液相分配比RL在0.05 ～0.1 范圍內(nèi)，隔板塔的分離效果較好，隔板塔塔釜可將色素雜質(zhì)徹底脫除，側(cè)線可采出純度達(dá)99.8%的乙酸乙酯。

(2)在回流比和氣相分配比確定的條件下，液相分配比RL減小，預(yù)分餾段液相中乙酯濃度增大，側(cè)線采出段上部的乙酯濃度減小，側(cè)線采出段下部的乙酯濃度增大，預(yù)分餾段內(nèi)乙酯的分割比增大，隔板塔的分離效果變好。

(3)改造結(jié)果表明，對(duì)于丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質(zhì)混合物體系的分離，隔板塔精餾工藝節(jié)能效果顯著，與原四塔工藝流程相比，再沸器可節(jié)能28.09%，冷凝器可節(jié)能27.01%，且降低了設(shè)備投資。

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