丙酮-甲醇混合物萃取精餾分離過程合成與模擬

王　君

(安徽理工大學化學工程學院，安徽　淮南　232001)

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丙酮-甲醇混合物萃取精餾分離過程合成與模擬

王君

(安徽理工大學化學工程學院，安徽淮南232001)

當混合物組分之間的揮發(fā)性相近并且形成非理想溶液，組分間的相對揮發(fā)度可能小于1.1，采用常規(guī)精餾分離就可能不經(jīng)濟，若組分間形成恒沸物，僅采用常規(guī)精餾達不能實現(xiàn)相應(yīng)組分的銳分離，這種情況可考慮采用強化精餾來實現(xiàn)相應(yīng)組分之間的分離。用水作為溶劑對流量為40mol/s的丙酮-甲醇(摩爾比為3∶1)混合物流股進行萃取精餾過程合成設(shè)計與模擬計算。分離流程采用兩塔結(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)物為甲醇、水和微量丙酮的混合物；后者塔頂餾出產(chǎn)物為甲醇，塔底為溶劑水，此塔底產(chǎn)物作為回流與補充溶劑合并返回萃取精餾塔。經(jīng)過試探法合成，萃取精餾塔采用30塊理論板(包括塔頂全凝器和塔底再沸器)，溶劑進料板為第7塊(從上往下數(shù))，丙酮-甲醇混合物流股進料板為第13塊，回流比為4，塔頂產(chǎn)物31.226mol/s，丙酮純度95.5%，塔底產(chǎn)物69mol/s；溶劑回收塔為簡單精餾塔，采用16塊理論板(包括塔頂全凝器和塔底再沸器)，進料位置為第12塊，回流比為3，塔頂產(chǎn)物流量為10 mol/s，甲醇含量99.8%，塔底產(chǎn)物流量59mol/s，水含量達到99.9%，補充溶劑約為1 mol/s，實際補充量可根據(jù)操作情況適當變化。

丙酮；甲醇；萃取精餾；合成；模擬

當混合物組分之間的揮發(fā)性相近并且形成非理想溶液，組分間的相對揮發(fā)度可能小于1.1，采用常規(guī)精餾分離就可能不經(jīng)濟，若組分間形成恒沸物，僅采用常規(guī)精餾達不能實現(xiàn)相應(yīng)組分的銳分離，這種情況可考慮采用強化精餾來實現(xiàn)相應(yīng)組分之間的分離。強化精餾包括萃取精餾、變壓精餾、反應(yīng)精餾、均相及非均相恒沸精餾等，其中萃取精餾是采用相對高沸點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，若進料為具有最低恒沸點的恒沸物，則溶劑從進料板之上、塔頂之下某適當位置加入，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┥?；若進料為具有最高恒沸點的恒沸物，則溶劑和進料從同一塊進料板入塔。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一步分離，循環(huán)使用[1-2]。

本文采用萃取精餾法，對丙酮-甲醇混合物流股進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　混合物性質(zhì)及溶劑和物性方程

丙酮和甲醇的正常沸點分別為56.2 ℃、64.7 ℃，在1atm下，丙酮和甲醇形成最低恒沸物，最低恒沸點為55. 7 ℃，恒沸物組成為80%mol丙酮。水的正常沸點是100 ℃，而且在常壓下，水不與丙酮和/或甲醇形成二元或三元恒沸物，丙酮-甲醇-水的蒸餾殘留曲線圖表明，丙酮-甲醇恒沸物與水混合蒸餾進程為從恒沸物組成點指向純水，沒有蒸餾界限存在，這種情況非常適合采用萃取精餾的分離方法[3]。由于物系含有極性組分，操作壓力為常壓，本文選用基團貢獻法物性方程UNIFAC計算液相組分的活度系數(shù)，相應(yīng)氣相物性方程為理想氣體狀態(tài)方程。

2　混合物分離過程合成與模擬

丙酮-甲醇在常壓下形成恒沸物，僅采用普通精餾方法不能得到純凈的丙酮和甲醇組分，許多研究者對采用強化精餾技術(shù)分離此類恒沸物進行了研究[4-7]。由于丙酮-甲醇混合物流股的組成為丙酮含量為75%，進料組成與恒沸物組成接近，因此分離過程流程合成的第一個塔采用萃取塔。若進料組成偏離恒沸物組成較遠，則第一塔需要采用常規(guī)精餾塔將進料分離為一較純組分塔底產(chǎn)物丙酮(當進料組成小于80%mol丙酮時)和接近恒沸物組成的塔頂產(chǎn)物，或?qū)⑦M料分離為一較純組分塔底產(chǎn)物甲醇(當進料組成大于80%mol丙酮時)和接近恒沸物組成的塔頂產(chǎn)物，此種情況下，整個流程為三塔結(jié)構(gòu)：即常規(guī)精餾塔-萃取精餾塔-常規(guī)精餾塔(用于分離溶劑和回收另一組分)；本文整個流程只需要兩塔結(jié)構(gòu)：即萃取精餾塔-常規(guī)精餾塔。

2.1分離過程合成與模擬方法

整個流程確定為兩塔結(jié)構(gòu)以后，接下來的任務(wù)是著手對萃取精餾塔和溶劑回收塔作詳細設(shè)計。采用試探法合成萃取精餾塔，運用Aspen Plus 11.1作為設(shè)計模擬工具，通過多次嘗試計算，最后確定采用30塊理論板(包括塔頂全凝器和塔底再沸器)，溶劑進料板為第7塊(從上往下數(shù))，丙酮-甲醇混合物進料板為第13塊，回流比為4，塔頂產(chǎn)物31.226 mol/s，可以得到較為純凈的丙酮產(chǎn)物；溶劑回收塔為簡單精餾塔，采用Aspen Plus 11.1中的簡捷法設(shè)計模塊DSTWU進行設(shè)計，采用16塊理論板(包括塔頂全凝器和塔底再沸器)，進料位置為第12塊，回流比為3，塔頂產(chǎn)物流量為10 mol/s，可以得到較為純凈的甲醇產(chǎn)物和溶劑產(chǎn)物。

2.2流程結(jié)構(gòu)圖和模擬計算結(jié)果

整體流程結(jié)構(gòu)如圖1所示，EXTR-DIS為萃取精餾塔，共有30塊理論板，SOLV-REC為溶劑回收塔，共有16塊理論板。其中1為補充新鮮溶劑水進料，6為循環(huán)水物流，1和6兩個流股均從第7塊理論板加入。2為丙酮-甲醇混合物進料，進料位置為第13塊理論板。3為萃取塔頂產(chǎn)物丙酮，4為萃取塔底產(chǎn)物(水和甲醇混合物，含微量丙酮)，4作為溶劑回收塔進料，從第12塊理論進入，5為溶劑回收塔頂產(chǎn)物甲醇，6為溶劑水循環(huán)物流。

1. 補充新鮮溶劑水；2. 丙酮-甲醇混合物進料；3. 萃取塔頂產(chǎn)物丙酮；4. 萃取塔底產(chǎn)物(主要是水和甲醇)；5. 溶劑回收塔頂產(chǎn)物甲醇；6. 溶劑水循環(huán)物流。EXTR-DIS—萃取精餾塔；SOLV-REC—溶劑回收塔。圖1　丙酮-甲醇萃取分離流程示意圖

表1給出了分別對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、塔底和進料板條件下的幾何平均值(沒有單位)，μ為進料粘度，單位采用cp；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，對萃取精餾塔進行效率估算時，進料粘度采用1和2兩個進料流股的幾何平均值，關(guān)鍵組分丙酮-甲醇的相對揮發(fā)度采用塔頂、進料1和2以及塔底四個位置相對揮發(fā)度的幾何平均值。

表1　丙酮-甲醇混合物萃取精餾模擬計算結(jié)果

注：F為進料流量，EXTR-DIS 60/40表示溶劑進料和丙酮-甲醇混合物進料；NT為理論板數(shù)，F(xiàn)stage為進料位置，RR為回流比，D為塔頂產(chǎn)物流量，ID為塔內(nèi)徑，Eo為總效率，QC/MW為冷凝器熱負荷，QR為再沸器熱負荷。

塔板數(shù)/塊1. WATER；2. ACETONE；3. ETHANOL圖2　萃取精餾塔液相組分濃度分布

由圖2知，萃取精餾塔頂丙酮濃度達到95.5%，第7塊板上丙酮濃度突降，這是因為溶劑水的加入稀釋的結(jié)果，丙酮-甲醇混合物進料后丙酮濃度略有上升，可見進料對丙酮組分液相濃度有少許增濃作用，往下到20塊板以后，丙酮濃度開始加速下降，到再沸器中只有微量丙酮存在，可見這一段對丙酮具有明顯的氣提效果；溶劑水濃度的變化趨勢正好與丙酮的變化趨勢相反，這是因為水是最難揮發(fā)的組分，丙酮是最容揮發(fā)的組分；甲醇的濃度分布由丙酮和水的濃度分布差減法確定，在第28塊板處出現(xiàn)最大值，高濃區(qū)在塔的中下部。

溶劑回收塔內(nèi)的液相濃度分布為常規(guī)精餾塔典型的濃度分布模式，此處不再給出，塔頂產(chǎn)物甲醇含量99.8%，塔底產(chǎn)物中水含量達到99.9%。最后要特別說明的是：以上計算結(jié)果均為對兩塔單獨模擬的結(jié)果，萃取精餾塔溶劑進料為60 mol·s-1，實際操作溶劑循環(huán)時，補充大約1 mol·s-1溶劑即可達到模擬計算的分離效果，因為其中有59 mol·s-1的水循環(huán)。

3　結(jié)論

以水作為溶劑，采用試探法合成了丙酮-甲醇(75%mol丙酮)混合物萃取精餾分離流程的兩塔拓撲結(jié)構(gòu)，采用Aspen Plus 11.1對兩塔分別進行了模擬計算，得到如下結(jié)論：

1) 萃取精餾塔30塊理論板，補充新鮮溶劑和循環(huán)溶劑均從第7塊板加入，丙酮-甲醇混合物流股從第13塊板加入，回流比4(mol)，塔頂丙酮濃度達到95.5%，回收率達到99%；

2) 溶劑回收塔16塊理論板，進料板為第12塊，回流比3(mol)，塔頂甲醇濃度達到99.8%，塔底產(chǎn)物水含量達到99%；

3) 補充新鮮溶劑約為1 mol·s-1，此流量可根據(jù)操作情況適當調(diào)整，以維持循環(huán)溶劑水的總量為60 mol·s-1，保證萃取分離效果。

[1]WARREN D.SEIDER,J D SEADER,DANIEL R.LEWIN. Process Design Principles(Synthesis, Analysis, and Evaluation)[M]. John Wiley&Sons,Inc. 1999:191-196.

[2]J D SEADER，ERNEST J HENLEY.Separation Process Principles[M]. John Wiley&Sons,Inc. 1998:606-607.

[3]DOHERTY M F, CALDAROLA G A. Design and synthesis of homogeneous azeotropic distillations. The sequencing of columns for azeotropic and extractive distillation [J]. Ind. Eng. Chem. Fundam.,1985, 24: 474-485.

[4]WILLIAM L LUYBEN.Comparison of Pressure-Swing and Extractive-Distillation Methods for Methanol-Recovery Systems in the TAME Reactive-Distillation Process[J].Ind. Eng. Chem. Res., 2005, 44 (15): 5 715-5 725.

[5]WILLIAM L LUYBEN.Comparison of extractive distillation and pressure-swing distillation for acetone/chloroform separation[J].Computers & Chemical Engineering,2013, 50(5) :1-7.

[6]ABU-EISHAH S I,LUYBEN W L. Design and control of two-column azeotropic column azeotropic distillation system[J]. Industrial & Engineering Chemistry Process Design[J].1985,24:132-140.

[7]LUYBEN WILLIAM L. Effect of solvent on controllability in extractive distillation[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research[J].2008，47：4 425-4 439.

(責任編輯：李麗)

Synthesis and Simulation of Extractive Distillation Separation Process for Acetone-Methanol Mixture Stream

Wang Jun

(School of Chemical Engineering , Anhui University of Science and Technology, Huainan AnHui 232001, China)

Synthesis and simulation of acetone-methanol mixture stream (mol ratio of 3∶1) with a total flow rate of 40mol/s separation process was conducted via extractive distillation method using water as solvent. The separation process employed two-column topology structure, i.e. extract distillation column and solvent recovery column. The former obtained a top product of nearly pure acetone and a bottom product of a mixture consisting of water, methanol and minute acetone, whereas the latter gave a top product consisting mainly of methanol and a bottom product of nearly pure water for recycling to the former combining with the makeup water. Through the synthesis of attempting method, extractive distillation column was equipped with 30 theoretical stages (including condenser and reboiler), with the solvent and acetone-methanol mixture feed stage being 7 and 13 (from top) respectively. The reflux ration is 4 and the distillate flow rate is 31.226mol/s with acetone purity of 95.5%. The flow rate of bottom product is 69mol/s. The solvent recovery column is ordinary distillation tower with 16 theoretical stages (including condenser and reboiler), with the feed stage being 12 and reflux ratio being 3.The flow rate of distillate is 10 mol/s with methanol purity of 99.8%.The bottom product flow rate is 59mol/s with water purity of 99.9%.The makeup water is about 1 mol/s and the actual complementary water could be varied according to operation conditions.

acetone; methanol; extract distillation; synthesis；simulation

2015-08-20

安徽省教育廳基金資助項目(kj2012A084)

王君(1971-)，男,安徽金寨人，教授,博士,研究方向:生物質(zhì)資源利用與化工模擬。

TQ028

A

1672-1098(2016)04-0006-04