異丁醇-乙醇-水三元體系精餾分離的模擬與優(yōu)化

石會龍 李成帥 劉博文 馬巍巍

中國石油大學勝利學院化學工程學院

異丁醇是一種無色易燃、有特殊氣味的有機化合物，作為重要的中間物質(zhì)被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和化工等行業(yè)[1]。由于異丁醇具有不易吸水、揮發(fā)性低等獨特優(yōu)勢，近幾年常被用作新型生物燃料，其對汽車引擎造成的損傷較小，現(xiàn)有汽車引擎可以直接使用，使其代替乙醇作為汽車燃料具有很大的可行性。目前異丁醇的生產(chǎn)工藝主要分為化學合成法和生物合成法兩大類[2]，廢水中異丁醇的分離與回收也逐漸成為異丁醇生產(chǎn)和利用過程中的研究重點。

本研究以常溫常壓下質(zhì)量分數(shù)為5%異丁醇、9%乙醇和86%水的15 t/h有機廢水為研究對象，以水中異丁醇質(zhì)量分數(shù)小于20×10-6、乙醇質(zhì)量分數(shù)小于10×10-6、異丁醇產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)≥98%、乙醇產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)≥99%為分離目標，利用化工流程模擬軟件Aspen Plus中的RadFrac模塊[3]，以丙三醇為萃取劑，對萃取精餾過程進行了模擬與優(yōu)化，為異丁醇-乙醇-水三元體系溶液的工業(yè)分離過程和節(jié)能減排改造提供了可靠的依據(jù)和參考。

1 工藝流程設(shè)計

由于異丁醇和乙醇分別可與水形成二元共沸物(見表1)，所以采用常規(guī)精餾無法分離異丁醇-乙醇-水三元體系溶液。本研究以丙三醇為萃取劑，通過萃取精餾回收有機廢水中的異丁醇和乙醇，并實現(xiàn)有機廢水的達標排放，具體工藝流程如圖1所示。

表1 共沸混合物組成及沸點Table 1 Composition and boiling point of azeotropic mixture共沸物組成(w)異丁醇乙醇水沸點/℃0.6980.30289.910.950.05078.10

原料經(jīng)預熱后由泵輸送至濃縮脫水塔(T101)，在T101中首先將大部分水脫去，以降低設(shè)備負荷，T101塔頂?shù)玫降臐舛容^高的異丁醇和乙醇及少量水進入乙醇分離塔(T201)；向T201中加入萃取劑丙三醇，經(jīng)萃取精餾分離，在塔頂?shù)玫綕舛群细竦囊掖籍a(chǎn)品，塔釜得到的異丁醇、丙三醇及水的混合物進入異丁醇分離塔(T301)；T301中再次加入萃取劑丙三醇，經(jīng)萃取精餾分離，在塔頂?shù)玫綕舛群细竦漠惗〈籍a(chǎn)品，塔釜得到的丙三醇、水的混合物進入萃取劑回收塔(T401)；T401塔釜得到的高濃度丙三醇，經(jīng)熱量回收后，由泵輸送回系統(tǒng)進行循環(huán)使用，T401塔頂?shù)玫降乃cT101塔釜得到的大量水混合后達標排放。

2 設(shè)備參數(shù)的模擬與優(yōu)化

為了最大程度地降低系統(tǒng)設(shè)備投資和能量消耗，采用Aspen Plus軟件中的Sensitivity Analysis模塊對精餾塔的回流比、塔板數(shù)、原料進料位置及萃取劑加入位置和用量等參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計[4]，下面以異丁醇分離塔為例說明具體優(yōu)化工程。

2.1 回流比的優(yōu)化與確定

回流比是指在精餾操作過程中，由精餾塔塔頂返回塔內(nèi)的回流液流量L與塔頂產(chǎn)品流量D的比值，即R=L/D。回流比的大小，對精餾過程的分離效果和經(jīng)濟性都有著重要的影響。因此，在精餾塔設(shè)計時，回流比是需認真確定的關(guān)鍵參數(shù)之一。以T301塔頂異丁醇產(chǎn)品的純度為指標，對T301的回流比進行優(yōu)化與確定，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨回流比R的增加，塔頂異丁醇產(chǎn)品的純度先升高后逐漸維持穩(wěn)定；當回流比增加到1.4(物質(zhì)的量比，下同)時，異丁醇產(chǎn)品純度(質(zhì)量分數(shù),下同)達到98%，符合分離要求，如果回流比繼續(xù)增大，異丁醇的純度基本不再變化，而精餾塔負荷則會隨之變大，操作成本會升高[5]。綜合考慮產(chǎn)品純度與操作成本，確定T301合適回流比為1.4，此時異丁醇產(chǎn)品純度合格，精餾塔操作成本較低。

2.2 塔板數(shù)的優(yōu)化與確定

除回流比外，塔板數(shù)也是精餾塔非常重要的參數(shù)之一，塔板數(shù)的多少從本質(zhì)上決定了精餾塔的分離能力和塔設(shè)備投資費用等。現(xiàn)以塔板數(shù)為橫坐標，以異丁醇質(zhì)量分數(shù)為縱坐標，對塔板數(shù)進行優(yōu)化，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨塔板數(shù)的增加，精餾塔對異丁醇的分離效果提高，塔頂異丁醇產(chǎn)品的純度逐漸升高；當塔板數(shù)為46塊時，塔頂異丁醇產(chǎn)品的純度大于98%，符合分離要求；如果繼續(xù)增加塔板數(shù)，異丁醇的純度基本不再改變，而精餾塔設(shè)備投資費用會顯著升高[6]，綜合考慮，將T301的合適塔板數(shù)確定為46塊，此時異丁醇產(chǎn)品純度合格，設(shè)備投資費用較低。

2.3 原料進料位置的優(yōu)化與確定

精餾塔原料進料位置不同，會顯著改變精餾塔內(nèi)塔板上的氣液分布情況，進而影響精餾塔的分離效果。此外，原料進料位置升高還會增大進料泵的輸送能耗，導致生產(chǎn)成本上升。以原料進料位置為橫坐標，異丁醇產(chǎn)品濃度為縱坐標，考察原料進料位置對精餾塔分離效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著原料進料位置的降低，塔頂異丁醇產(chǎn)品的純度呈先上升后下降的變化趨勢，當原料進料位置為第15至第21塊板時，塔頂異丁醇產(chǎn)品的純度高于98%，滿足分離要求。又因為當產(chǎn)品純度滿足分離要求時，原料進料位置越低，進料泵的輸送能耗越小[7-8]。綜合考慮，將T301合適的原料進料位置確定為第21塊，此時異丁醇產(chǎn)品純度合格，精餾塔能耗較低。

2.4 萃取劑加入位置和用量的優(yōu)化與確定

向精餾塔中加入萃取劑可以顯著增大溶液組分間的相對揮發(fā)度，從而實現(xiàn)沸點差別很小組分之間的分離。萃取劑的加入位置和用量會顯著影響萃取精餾過程的產(chǎn)品純度和設(shè)備能耗，分別以萃取劑加入位置和萃取劑用量為橫坐標，以異丁醇濃度為縱坐標，考察萃取劑加入位置和萃取劑用量對精餾塔分離效果的影響，結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5可知：隨萃取劑加入位置的降低，塔頂異丁醇產(chǎn)品的純度逐漸減??；當萃取劑加入位置為第7塊塔板時，異丁醇產(chǎn)品純度為98.01%，符合分離要求，而當萃取劑加入位置為第8塊塔板時，異丁醇產(chǎn)品純度為97.98%，不再滿足分離要求。綜合考慮異丁醇產(chǎn)品純度和精餾過程操作能耗，將T301萃取劑合適的加入位置確定為第7塊塔板，此時異丁醇產(chǎn)品純度合格，精餾分離過程能耗較低[9]。

由圖6可知：隨萃取劑用量增加，塔頂異丁醇產(chǎn)品純度升高；當萃取劑用量為12 000 kg/h時，異丁醇純度為98.47%，滿足分離要求；繼續(xù)增大萃取劑用量，產(chǎn)品純度基本不再變化，而萃取劑費用及精餾過程能耗顯著增加[10]，所以確定T301萃取劑合適用量為12 000 kg/h，此時異丁醇產(chǎn)品純度合格，精餾生產(chǎn)過程成本較低。

2.5 能量集成與換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

能量集成與換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計實質(zhì)是通過對生產(chǎn)過程中的冷熱流股進行熱交換匹配，對余熱和冷量進行回收利用，使冷熱公用工程用量降低到最小，從而減少生產(chǎn)成本的過程[11]。分析整個生產(chǎn)過程可知，T401塔釜回收的萃取劑溫度較高，且流量較大，萃取劑循環(huán)使用前需要冷卻，而原料溫度較低，進塔前需要加熱，故可利用循環(huán)萃取劑的熱量去預熱原料，從而減少生產(chǎn)過程中冷熱公用工程的用量。利用Aspen Plus中的Aspen Energy Analyzer模塊[12]，對精餾過程的換熱網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，結(jié)果如圖7、圖8所示。

通過對換熱網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化設(shè)計，循環(huán)萃取劑攜帶的大量熱量實現(xiàn)了回收利用，模擬數(shù)據(jù)顯示：對換熱網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化后，可以節(jié)省熱公用工程6.5×106kJ/h，冷公用工程5.99×106kJ/h。通過熱量集成和換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計，有效地降低了系統(tǒng)設(shè)備能耗，減少了生產(chǎn)成本，達到了節(jié)能減排的效果。

2.6 全裝置模擬計算結(jié)果

采用同樣方法對全裝置進行模擬計算及靈敏度分析，確定各設(shè)備的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，匯總見表2。

表2 各塔設(shè)計參數(shù)匯總表Table 2 Summary of design parameters of each tower參數(shù)T101T201T301T401塔板數(shù)/塊1140468回流比321.42.5原料進料位置/塊1115215萃取劑加入位置/塊37萃取劑用量/(kg·h-1)1 50012 000

3 結(jié) 論

經(jīng)Aspen Plus軟件模擬計算，丙三醇作為萃取劑，用于異丁醇-乙醇-水三元體系的精餾分離，可使水中異丁醇質(zhì)量分數(shù)低于20×10-6，乙醇低于10×10-6，且異丁醇產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)≥98%，乙醇質(zhì)量分數(shù)≥99%，從而實現(xiàn)異丁醇、乙醇的有效回收和有機廢水的達標排放，整個精餾分離過程具有以下特點：

(1) 流程合理：由于原料中異丁醇、乙醇含量較低，水含量較高，本工藝流程優(yōu)先脫除原料中大部分水，使后續(xù)分離過程處理量大大降低，減小了設(shè)備負荷，降低了設(shè)備能耗。

(2) 萃取劑循環(huán)使用：丙三醇作為萃取劑，價廉易得、綠色環(huán)保；生產(chǎn)過程中，丙三醇損耗較少，實現(xiàn)了循環(huán)利用，大大降低生產(chǎn)成本。

(3) 節(jié)能減排：對熱量集成和換熱網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化設(shè)計，回收利用了循環(huán)萃取劑中的大量余熱，減小了公用工程的用量，達到了節(jié)能減排的效果。

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