環(huán)己烷-叔丁醇-水共沸精餾模擬研究

范永梅

（天津市晟遠(yuǎn)環(huán)境有限公司，天津300384）

FAN Y ong-m ei

(Tianjin SY.EnvironmentCo.Ltd，Tianjin 300384，China)

環(huán)己烷-叔丁醇-水共沸精餾模擬研究

范永梅

（天津市晟遠(yuǎn)環(huán)境有限公司，天津300384）

本文運(yùn)用ASPEN流程模擬軟件對(duì)環(huán)己烷作為挾帶劑共沸精餾分離叔丁醇和水的過(guò)程進(jìn)行模擬，確定了共沸塔的最佳的理論板數(shù)以及合理的挾帶劑流量，同時(shí)研究了進(jìn)料位置對(duì)共沸精餾的影響，計(jì)算出了各個(gè)塔板的溫度和塔內(nèi)氣液相流量及組成。

共沸精餾；挾帶劑；ASPEN

FAN Y ong-m ei

(Tianjin SY.EnvironmentCo.Ltd，Tianjin 300384，China)

1 引言

無(wú)水叔丁醇作為一種重要的有機(jī)化學(xué)品，廣泛運(yùn)用在化工和醫(yī)藥等領(lǐng)域，但由于生產(chǎn)的叔丁醇中都含有水并且形成均相最低共沸物，使得普通精餾難以精制叔丁醇[1]。常用的分離方法主要有鹽析分離[2]、共沸精餾、萃取精餾[3]、吸附精餾[4，5]、滲透汽化[6]、吸附法[7]等。目前，對(duì)共沸精餾分離叔丁醇和水的研究報(bào)道較少，本文通過(guò)采用環(huán)己烷作為挾帶劑分離叔丁醇和水,研究其共沸精餾的最佳的操作條件和一些因素對(duì)分離效果有影響。

2 物性模型

NRTL模型是描述氣液液平衡最常見(jiàn)的活度系數(shù)模型，也是描述低壓下高度非理想液體混合物的最好方法之一[8，9]，由于共沸精餾塔中環(huán)己烷-叔丁醇-水體系非理想性很強(qiáng)，采用NRTL模型較為合理。環(huán)己烷-叔丁醇-水形成的共沸物的沸點(diǎn)和共沸類型見(jiàn)表1。

表1 環(huán)己烷-叔丁醇-水系統(tǒng)的共沸點(diǎn)和共沸類型

3 流程及工藝參數(shù)

圖1 環(huán)己烷-叔丁醇-水共沸精餾流程示意圖

共沸精餾的流程圖如1所示，流程中主要設(shè)備：共沸塔、冷凝器、分相器，共沸塔底部得到無(wú)水叔丁醇，頂部是氣相的環(huán)己烷-叔丁醇-水的三元共沸物，通過(guò)冷凝器冷凝后進(jìn)入分相器分相，油相作為挾帶劑回流，水相采出。

采用叔丁醇和水接近共沸點(diǎn)進(jìn)料，其中叔丁醇-水溶液中叔丁醇和水物質(zhì)的量比為：0.63∶0.37，總流量為130kmol/hr，塔內(nèi)壓力采用常壓操作，脫水后的叔丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求99%以上，頂部餾出的三元共沸物冷凝到40℃，進(jìn)入分相器。

4 結(jié)果與討論

4.1 理論板數(shù)和進(jìn)料位置的確定

圖2 共沸精餾塔的理論板數(shù)對(duì)塔底叔丁醇質(zhì)量含量的影響

圖2是塔底餾出物叔丁醇的質(zhì)量含量隨塔的理論板數(shù)的變化，從圖中可以得出，開(kāi)始隨著塔板數(shù)增加，叔丁醇的質(zhì)量含量迅速增加，塔板數(shù)增加到20時(shí)，叔丁醇質(zhì)量含率增加緩慢，當(dāng)板數(shù)達(dá)到25時(shí)，叔丁醇純度達(dá)到要求，在增加板數(shù)，純度變化不大，確定理論板數(shù)為25。

圖3 共沸塔底叔丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨進(jìn)料位置變化

圖3考察了不同進(jìn)料板位置對(duì)共沸塔底部餾出物叔丁醇純度的影響，從圖中可以看出，進(jìn)料板位置從第2塊板到第20塊板，隨著進(jìn)料板數(shù)增加，塔底叔丁醇的純度降低，而減小加料板，增加提餾段，提高叔丁醇和水分離效果，將進(jìn)料位置定為第二塊塔板進(jìn)料。

4.2 挾帶劑流量的研究

共沸塔頂部的三元共沸餾出物經(jīng)分相器分相后油相中環(huán)己烷：叔丁醇：水物質(zhì)的量比為0.687∶0.264∶0.049，該油相作為挾帶劑，回流到共沸塔第一塊塔板。圖4是精餾塔底部叔丁醇純度隨挾帶劑流量的變化趨勢(shì)圖，從圖中可以看出，開(kāi)始挾帶劑流量越大精餾塔底部叔丁醇的純度增加，但超過(guò)一定量后，隨著挾帶劑流量增加而降低，所以并非挾帶劑越多分離效果越好，而存在最佳值挾帶劑流量，低于或者高于該流量純度都會(huì)降低，模擬得出最佳的挾帶劑量為156kg/h。

4.3 全塔物料和能量衡算

根據(jù)上述確定的理論板數(shù)、進(jìn)料板位置以及挾帶劑流量等條件，模擬全塔流程，計(jì)算出全塔物料和能量衡算。

圖5 各塔板上的氣相組成摩爾分率模擬結(jié)果

圖6 各塔板上的液相組成摩爾分率模擬結(jié)果

圖5各塔板上的氣相組成的摩爾分率可以看出，共沸塔第一塊板上氣相的環(huán)己烷-叔丁醇-水的摩爾分率（Y）0.557∶0.218：0.225，非常接近表1中環(huán)己烷-叔丁醇-水0.555∶0.2142∶0.2308的組成，說(shuō)明共沸塔塔頂餾出物為三元共沸物，共沸塔塔為三元共沸精餾塔。

從與塔板上氣相組成摩爾分率相平衡的液相組成圖6可以看出，第一塊塔板液相組（X）成環(huán)己烷-叔丁醇-水0.677∶0.274∶0.049，與回流到第一塊塔板油相組成：0.687∶0.264∶0.049很接近，第二塊板進(jìn)料后，叔丁醇和水組成迅速升高，環(huán)己烷組成相對(duì)降低，第二塊塔板至第八塊塔板環(huán)己烷發(fā)揮挾帶作用，水的組成迅速降低至0左右，第九塊塔至第十八塔板三組分幾乎恒定不變，為衡挾帶劑區(qū)，第十八塔板至塔釜，環(huán)己烷和叔丁醇發(fā)生分離，頂部得到幾乎純凈的叔丁醇。

圖7 各塔板上的溫度分布圖

從圖7中可以看出，從塔底到塔頂溫度逐漸降低，其中塔頂溫度63.9℃，接近三元共沸點(diǎn)溫度，這與圖5也是符合的，第二至八塊塔板，由于叔丁醇含量增加，溫度也在升高，第九至十八的恒挾帶劑區(qū)，溫度保持恒定，第十八之后隨著叔丁醇純度越來(lái)越高，溫度也迅速升高，最后達(dá)到叔丁醇的沸點(diǎn)82℃左右。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)環(huán)己烷-叔丁醇-水體系共沸精餾模擬研究，得出以下結(jié)論：

5.1 確定了該過(guò)程的最佳理論板數(shù)，同時(shí)得出提餾段越長(zhǎng)越有利于分離；

5.2 挾帶劑并非越多越好，而是存在最佳值，工業(yè)生產(chǎn)中挾帶劑的確定可以先通過(guò)模擬計(jì)算確定；

5.3 通過(guò)分析塔內(nèi)各塔板上液相組成變化和塔內(nèi)溫度變化，對(duì)該體系的共沸精餾過(guò)程更全面的了解。對(duì)以后的工業(yè)化具有指導(dǎo)意義。

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Sim ulation of the azeotropic distillation of tertbutanol-watercyclohexane system

In this paper,the water is separated from tert-butyl alcohol solution by the azeotropic distillation with cyclohexane as entrainment agent by process simulation software ASPEN,The optimum number of theoretical plates and themost reasonable entrainmentagent flow is discoveried in the simulation process,simultaneously the influence of feed stage for azeotropic distillation is studied,and each tray and temperature and gas-liquid flow rate and composition in column isobtained.

azeotropic distillation;entrainmentagent;ASPEN

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.04.007

TQ19

A

1008-1267（2015）04-0020-04

2015-03-21