以苯胺為萃取劑萃取精餾分離苯-環(huán)己烷共沸體系

王克良，李 靜，黃 禹，連明磊，葉 昆

（1.六盤水師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系，貴州 六盤水 553004；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062552）

化學(xué)工程

以苯胺為萃取劑萃取精餾分離苯-環(huán)己烷共沸體系

王克良1，李 靜1，黃 禹1，連明磊1，葉 昆2

（1.六盤水師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系，貴州 六盤水 553004；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062552）

利用Aspen Plus流程模擬軟件，模擬了以苯胺為萃取劑，萃取精餾分離苯-環(huán)己烷體系的工藝流程，考察了溶劑比、全塔理論塔板數(shù)、原料進(jìn)料位置、萃取劑進(jìn)料位置等因素對分離效果的影響。確定了最佳工藝操作參數(shù)為：萃取精餾塔的全塔理論板數(shù)為32，原料和萃取劑進(jìn)料位置分別為第25塊和第5塊理論板，回流比為1.5，溶劑比為2.5。產(chǎn)品環(huán)己烷的純度達(dá)到99.66%，苯的純度達(dá)到99.66%，再生的萃取劑苯胺的純度達(dá)到99.99%。

Aspen Plus；萃取精餾；苯；環(huán)己烷；苯胺

環(huán)己烷是常用的有機(jī)溶劑和化工原料，主要用于制備環(huán)己酮和環(huán)己醇等，還常用于涂料工業(yè)。

目前環(huán)己烷主要是由苯加氫制備[1]，因此產(chǎn)物中會(huì)混有一部分苯，必須經(jīng)過分離才能得到合格的環(huán)己烷。另外油田輕烴中含有部分環(huán)己烷、苯等物質(zhì)[2]，將苯和環(huán)己烷從中分離回收具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。苯和環(huán)己烷的沸點(diǎn)僅相差0.6℃[3]，在常壓下苯和環(huán)己烷可形成共沸物，共沸溫度為77.18℃，共沸組成為苯45%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），環(huán)己烷55%[4]，因此采用普通精餾難以分離[5]。針對共沸體系，目前多采用特殊精餾的方法，Knapp等人[6]研究了采用變壓精餾法分離二元共沸物，并提出可以向共沸物中引入夾帶劑。Luyben等人[7]則對變壓精餾法分離二元共沸物的能耗進(jìn)行了分析。劉育良等人[8]研究了將常規(guī)萃取精餾、差壓熱耦合萃取精餾以及隔壁塔萃取精餾技術(shù)應(yīng)用于以糠醛為萃取劑的苯和環(huán)己烷共沸物的分離過程。秦繼偉等人[9]將環(huán)丁砜作為萃取劑，以分隔壁萃取精餾塔分離苯-環(huán)己烷體系，最終產(chǎn)品中環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.15%，苯產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.23%?？梢哉f，萃取精餾為分離苯-環(huán)己烷共沸物提供了可能。

本文以苯胺為萃取劑，采用Aspen Plus軟件模擬了萃取精餾分離苯-環(huán)己烷共沸體系的過程。對萃取精餾塔和萃取劑再生塔的工藝參數(shù)進(jìn)行了模擬優(yōu)化，獲得最佳工藝操作參數(shù)，以期為萃取精餾塔的工藝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工藝流程

以苯胺為萃取劑萃取精餾分離苯-環(huán)己烷體系的流程見圖1。苯和環(huán)己烷的混合物從萃取精餾塔T1的中部進(jìn)料，萃取劑苯胺從塔頂進(jìn)料，經(jīng)過萃取分離后，T1頂部得到高純度的環(huán)己烷，塔底為苯和苯胺的混合物，進(jìn)入萃取劑再生塔T2進(jìn)行分離，T2頂部得到高純度的苯產(chǎn)品，塔底得到高純度的苯胺，經(jīng)過冷卻器降溫后返回T1循環(huán)利用。Kumar等人[10]的研究表明，NRTL方程能夠很好地預(yù)測苯-環(huán)己烷體系，因此本文選擇NRTL為熱力學(xué)模型，

圖1 苯-環(huán)己烷體系萃取精餾工藝流程Fig. 1 The process of extractive distillation of methanol-acetonitrile

利用化工模擬軟件Aspen Plus中的Radfrac模塊對萃取精餾過程進(jìn)行模擬。初始模擬條件：苯-環(huán)己烷混合物進(jìn)料流量為100kg·h-1，其中苯質(zhì)量組成為50%，環(huán)己烷為50%。萃取精餾塔T1全塔理論塔板數(shù)40塊，原料進(jìn)料位置為第25塊，萃取劑進(jìn)料位置為第3塊，回流比為2，塔頂采出量為50kg·h-1，溶劑比為1（質(zhì)量），全塔常壓操作。

2 工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1 溶劑比

工藝條件為：全塔理論板數(shù)40塊，原料進(jìn)料位置在第25塊，萃取劑進(jìn)料位置在第3塊，回流比為2。分析了溶劑比對萃取精餾塔塔頂環(huán)己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（XD）、再沸器熱負(fù)荷（QR）和冷凝器熱負(fù)荷（QC）的影響，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，隨著溶劑比S/F增大，XD急劇增大，當(dāng)S/F大于2.5之后，XD的變化趨勢趨于平緩，冷凝器的負(fù)荷則是急劇下降后趨于平緩，再沸器的熱負(fù)荷則是一直在增大。綜合考慮產(chǎn)品純度要求和能耗，選定溶劑比為2.5。

圖2 溶劑比的影響Fig. 2 The effect of mass ratio of solvent to feed

2.2 全塔理論塔板數(shù)

工藝條件為：溶劑比為2.5，原料進(jìn)料位置在第25塊，萃取劑進(jìn)料位置在第3塊，回流比為2。利用靈敏度分析工具，考察了全塔理論板數(shù)對精餾塔分離效果的影響，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，全塔理論塔板數(shù)在第25～30塊板范圍內(nèi)增加時(shí)，分離效果和再沸器熱負(fù)荷也在逐漸增加，冷凝器負(fù)荷則是逐漸降低。從第31塊理論板數(shù)開始，塔頂環(huán)己烷的純度幾乎不再有變化，再沸器和冷凝器的負(fù)荷也基本不再變化。綜合考慮產(chǎn)品的純度要求和設(shè)備費(fèi)用，選擇全塔理論板數(shù)為32較為合理。

圖3 全塔理論塔板數(shù)的影響Fig. 3 The effect of the number of theory stages

2.3 原料進(jìn)料位置

工藝條件為：全塔理論板數(shù)32塊，溶劑比為2.5，萃取劑進(jìn)料位置在第3塊，回流比為2。利用靈敏度分析工具，分析了原料進(jìn)料位置對精餾塔分離效果的影響，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)進(jìn)料位置自上至下變化過程中，塔頂環(huán)己烷的純度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，再沸器和冷凝器負(fù)荷變化不大。在第25塊塔板進(jìn)料時(shí)，塔頂環(huán)己烷的純度達(dá)到最大，因此選擇第25塊塔板為原料進(jìn)料位置。

圖4 原料進(jìn)料位置的影響Fig. 4 The effect of the mixture feed stage

2.4 萃取劑進(jìn)料位置

工藝條件為：全塔理論板數(shù)32塊，原料進(jìn)料位置在第25塊，溶劑比為2.5，回流比為2。利用靈敏度分析工具，分析了萃取劑進(jìn)料位置對精餾塔分離效果的影響，結(jié)果如圖5所示。當(dāng)萃取劑進(jìn)料位置在第2～8塊板范圍內(nèi)，塔頂苯的純度呈現(xiàn)先急劇增大后逐漸減小的趨勢，在第5塊塔板進(jìn)料時(shí)，塔頂環(huán)己烷的純度達(dá)到99.64%，因此選擇第5塊塔板為萃取劑進(jìn)料位置。圖5 萃取劑進(jìn)料位置的影響

Fig. 5 The effect of the solvent feed stage

2.5 最佳回流比

工藝條件為：全塔理論板數(shù)32塊，原料進(jìn)料位置在第25塊，萃取劑進(jìn)料位置在第5塊，溶劑比為2.5。利用靈敏度分析工具，分析了回流比對精餾塔分離效果的影響，結(jié)果如圖6所示。隨著回流比的增加，塔頂環(huán)己烷的純度先增大后減小，在回流比為1.5時(shí)，環(huán)己烷的純度達(dá)到最大為99.66%，再沸器和冷凝器的熱負(fù)荷則是呈現(xiàn)線性增加的趨勢，因此，綜合考慮產(chǎn)品純度和能耗，最佳回流比為1.5。

圖6 回流比的影響Fig. 6 The effect of reflux ratio

2.6 萃取劑再生塔

萃取劑再生塔T2同樣采用RADFRAC模塊，利用靈敏度分析工具，確定最優(yōu)化條件為：全塔理論板數(shù)16塊，原料進(jìn)料位置在第12塊，回流比為1.6。最終塔頂產(chǎn)品苯純度為99.66%，塔底苯胺純度為99.99%。

2.7 補(bǔ)充萃取劑用量

萃取精餾過程中，T1和T2頂部產(chǎn)品會(huì)帶走少量的萃取劑，造成一定的萃取劑損失，因此為了維持溶劑比，需要補(bǔ)充新鮮萃取劑。采用Aspen Plus軟件流程選項(xiàng)下面的Calculator工具，計(jì)算得到需要補(bǔ)充的新鮮萃取劑流量為0.043kg·h-1。

2.8 工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

通過Aspen Plus的靈敏度分析工具，得到最佳工藝參數(shù)為：萃取精餾塔全塔理論板數(shù)為32，原料進(jìn)料位置為第25塊理論板，萃取劑進(jìn)料位置為第5塊理論板，回流比為1.5，溶劑比為2.5，塔頂為全凝器，全塔常壓操作。萃取劑再生塔全塔理論板數(shù)為16，進(jìn)料位置為第12塊理論板，回流比為1.6，塔頂為全凝器，全塔常壓操作。在此最佳工藝參數(shù)下進(jìn)行模擬，結(jié)果見表1。產(chǎn)品苯的純度達(dá)到99.66%，環(huán)己烷的純度達(dá)到99.66%，再生的萃取劑苯胺的純度達(dá)到99.99%；萃取劑苯胺的補(bǔ)充量為0.043kg·h-1。

表 1 全 流程模擬計(jì)算結(jié)果Table 1 The results of process simulation

3 結(jié)論

1）利用Aspen Plus軟件的Radfrac模塊，模擬了以苯胺為萃取劑、分離苯-環(huán)己烷體系的過程，采用靈敏度分析工具分析了不同工藝參數(shù)對分離效果的影響，獲得的最佳工藝操作參數(shù)為：萃取精餾塔的全塔理論板數(shù)為32，原料和萃取劑進(jìn)料位置分別為第25塊和第5塊理論板，回流比為1.5，溶劑比為2.5；萃取劑再生塔全塔理論板數(shù)為16，進(jìn)料位置為第12塊理論板，回流比為1.6。最終產(chǎn)品環(huán)己烷的純度達(dá)到99.66%，苯的純度達(dá)到99.66%，再生的萃取劑苯胺的純度達(dá)到99.99%。

2）對于萃取精餾過程，采用Aspen Plus軟件中的Calculator 工具，計(jì)算得到整個(gè)流程需要補(bǔ)充新鮮萃取劑苯胺的流量為0.043kg·h-1。

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Extractive Distillation of Benzene-cyclohexane Azeotrope Using Aniline as Solvent

WANG Keliang1, LI Jing1, HUANG Yu1, LIAN Minglei1, YE Kun2
(1.Department of Chemistry and Chemical Engineering, Liupanshui Normal University, Liupanshui 553004, China；2.North China Company, China Petroleum Engineering Co. Ltd., Renqiu 062552, China)

Through Aspen Plus process simulation software, the process for separation of benzene-cyclohexane azeotrope using aniline as extraction solvent was simulated. The infl uences of the solvent ratio, theoretical plate number, feed position and other factors on the separation effect were studied. The optimum operation parameters were determined as followed: the number of theoretical plates was 32, the raw material and extraction solvent feed position was 25th and 5th, refl ux ratio was 1.5, solvent ratio was 2.5. The purity of the cyclohexane was 99.66%, the purity of benzene was 99.66%, and the purity of the regenerated extraction solvent was 99.99%.

Aspen Plus; extractive distillation; benzene; cyclohexane; aniline

A

1671-9905(2017)03-0029-04

貴州省科技廳聯(lián)合基金項(xiàng)目（黔科合J字LKLS[2013]27號）；貴州省教育廳教學(xué)內(nèi)容與課程體系改革項(xiàng)目（GZSJG10977201604）；貴州省普通高等學(xué)校煤系固體廢棄物資源化技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（黔教合人才團(tuán)隊(duì)字[2014]46號）；貴州省教育廳特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（[2011]278）

王克良（1984-），男，黑龍江齊齊哈爾人，工學(xué)碩士，講師/工程師，主要從事化工傳質(zhì)與分離研究。E-mail：wangkeliang84@163.com

2017-01-11