環(huán)丁砜萃取精餾分離醋酸和水體系模擬和優(yōu)化

王 明，陽(yáng) 杰，朱仁發(fā)

（合肥學(xué)院 化學(xué)與材料工程系，安徽 合肥 230601）

工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的低濃度醋酸水溶液較多，而醋酸又是重要的有機(jī)化工原料,那么從低濃度醋酸水溶液中分離提純出高濃度醋酸就具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.雖然醋酸和水不會(huì)形成恒沸物，但是由于二者的揮發(fā)度相近，采用普通精餾工藝時(shí)，能耗較高，故工業(yè)上較多地采用萃取精餾[1-3].本次萃取精餾是在Aspen Plus軟件中模擬進(jìn)行的.Aspen Plus是大型化工流程模擬軟件，該軟件具有豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)[4]，可以處理非理想、極性高的復(fù)雜物系.此外Aspen Plus還具有靈敏度分析、自動(dòng)排序、多種收斂方法，以及報(bào)告功能[5-12].本文以環(huán)丁砜為萃取劑，在Aspen Plus軟件中模擬醋酸和水的萃取精餾分離.

1 萃取精餾模型建立

1.1 工藝流程

環(huán)丁砜萃取精餾分離醋酸和水的工藝流程如圖1所示.醋酸水溶液從萃取塔（T1，下同）的下部進(jìn)入塔內(nèi)，補(bǔ)充的新鮮萃取劑與循環(huán)的萃取劑混合后從T1的上部進(jìn)入塔內(nèi).水由T1的頂部排出，醋酸和萃取劑由塔釜進(jìn)入萃取劑回收塔（T2，下同）.然后在T2頂部得到高濃度醋酸，塔釜得到高濃度萃取劑.塔釜得到的萃取劑與新鮮補(bǔ)充的萃取劑混合后進(jìn)入T1中循環(huán)使用.

圖1 萃取精餾工藝流程圖

1.2 熱力學(xué)模型

Aspen Plus在模擬計(jì)算時(shí)，熱力學(xué)模型是關(guān)鍵，它能直接影響計(jì)算結(jié)果的物理性能的準(zhǔn)確程度.其中NRTL能夠模擬極性和非極性化合物的混合物，甚至很強(qiáng)的非理想的VLE和LLE[13-15]，因此本文中醋酸和水的活度系數(shù)模型選擇NRTL[16].另，軟件中的Hayden-O’connell方程能夠預(yù)測(cè)極性組分的溶和作用和汽相中的二聚現(xiàn)象，包括含有羧酸系統(tǒng)[17].故本文中的醋酸和水體系所發(fā)生的現(xiàn)象非常適用于該方程[18-19].因此在本設(shè)計(jì)時(shí)，Aspen Plus選擇既包含有活度系數(shù)NRTL方程，又包含有逸度系數(shù)Hayden-O’connell方程的熱力學(xué)模型NRTL-HOC.

1.3 進(jìn)料組成

本設(shè)計(jì)條件為：原料為55%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的醋酸水溶液，進(jìn)料流率為5000kg/h，萃取劑為環(huán)丁砜，原料液和萃取劑均為泡點(diǎn)進(jìn)料，兩塔均在常壓下操作，產(chǎn)品為冰醋酸，要求純度大于99.5%.

2 設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法

本文設(shè)計(jì)的思路是先進(jìn)行萃取精餾塔的模擬和優(yōu)化，獲取T1的最優(yōu)操作參數(shù)，再進(jìn)行溶劑回收塔的模擬和優(yōu)化，得到T2的最優(yōu)操作參數(shù)，最后在兩塔最優(yōu)的條件下加上循環(huán)物流進(jìn)行全流程運(yùn)算.由于萃取精餾塔有兩股進(jìn)料，故不能用Aspen Plus中的DSTWU模塊來(lái)進(jìn)行模擬，故選用RadFRac模塊進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)計(jì)算.而RadFRac模塊運(yùn)算時(shí)，需要塔板數(shù)，回流比，進(jìn)料位置，溶劑比等參數(shù).上述參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，賦予兩塔運(yùn)算初值如下表1所示.

表1 萃取精餾初始參數(shù)

3 結(jié)果及討論

在表1的初始參數(shù)下,使用Aspen Plus中的RadFRac模塊對(duì)兩塔進(jìn)行初始運(yùn)算，所得結(jié)果如下表2所示.

表2 初始參數(shù)運(yùn)算下的結(jié)果

由表2可知，雖然T1塔頂水含量為100%，但T2塔頂醋酸含量為93.5%，塔底環(huán)丁砜含量為88.4%，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有達(dá)到分離要求.因此，為了提高萃取精餾的分離效率，就需要對(duì)兩塔進(jìn)行優(yōu)化.

3.1 萃取精餾塔的優(yōu)化

萃取精餾塔的作用主要是在塔頂分出水，塔底分出萃取劑環(huán)丁砜和醋酸混合物.那么可以利用T1塔頂水含量，T2塔頂醋酸含量在Aspen Plus中進(jìn)行靈敏度分析，分別考察理論板數(shù)，原料進(jìn)料位置，萃取劑進(jìn)料位置，回流比，溶劑比等對(duì)T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響.

3.1.1 理論板數(shù)的影響

理論板數(shù)對(duì)T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響如圖2所示.

圖2 理論板數(shù)對(duì)T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響

由圖2可知，隨著T1塔塔板數(shù)逐漸增大，T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量均逐漸增大，當(dāng)塔板數(shù)大于29時(shí)，兩塔塔頂產(chǎn)品濃度幾乎保持不變，故綜合考慮塔制造成本，塔板數(shù)為29塊時(shí)為宜.

3.1.2 原料液進(jìn)料位置的影響

T1塔理論板數(shù)為29，其他參數(shù)不變，考察原料液進(jìn)料位置對(duì)分離效果的影響，其結(jié)果如下圖3所示.

圖3 原料進(jìn)料位置對(duì)T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響

由圖3可知，隨著進(jìn)料板的下移，兩塔塔頂產(chǎn)品含量逐漸增大，當(dāng)原料液的進(jìn)料位置大于17時(shí)，T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量有微小增大趨勢(shì)，總體變化不大，因此，原料液采用第17塊板進(jìn)料.

3.1.3 萃取劑進(jìn)料位置的影響

T1塔理論板數(shù)為29，原料液進(jìn)料位置為第17塊板,其他參數(shù)不變，考察萃取劑環(huán)丁砜進(jìn)料位置對(duì)分離效果的影響，其結(jié)果如下圖4所示.

圖4 萃取劑進(jìn)料位置對(duì)T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響

由圖4可知,隨著萃取劑進(jìn)料位置的下移，兩塔塔頂產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小，并在第4塊板時(shí)，取得最大值.因此萃取劑較適宜的進(jìn)料位置為第4塊板.

3.1.4 回流比的影響

T1塔理論板數(shù)為29，原料液進(jìn)料位置為第17塊板，萃取劑進(jìn)料位置為第4塊板，其他參數(shù)不變，考察T1塔回流比對(duì)分離效果的影響，其結(jié)果如下圖5所示.

圖5 回流比對(duì)T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響

由圖5可知，隨著回流比的增大，兩塔塔頂產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，當(dāng)回流比大于2.7時(shí)，T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量有減小趨勢(shì).因此，萃取精餾塔適宜的回流比為2.7.

3.1.5 溶劑比的影響

T1塔理論板數(shù)為29，原料液進(jìn)料位置為第17塊板，萃取劑進(jìn)料位置為第4塊板，回流比為2.7，其他參數(shù)不變，考察溶劑比（萃取劑與原料液的質(zhì)量流率之比）對(duì)塔頂、塔底水含量的影響，其結(jié)果如下圖6所示.

圖6 溶劑比對(duì)T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響

由圖6可知，隨著溶劑比的增大，T1塔底的水含量逐漸降低，T2塔頂醋酸含量先增大，當(dāng)溶劑比大于1.3時(shí)，醋酸含量逐漸降低,這是由于萃取劑流量增大到一定程度之后，進(jìn)入了T2塔的塔頂，影響了T2塔的分離效率.因此，綜合考慮，較適宜的溶劑比為1.3.

3.2 溶劑回收塔的優(yōu)化

溶劑塔的優(yōu)化主要以T2塔頂醋酸含量為指標(biāo)分別對(duì)理論板數(shù)，進(jìn)料位置，回流比等作靈敏度分析.

3.2.1 理論板數(shù)的影響

在T1塔最優(yōu)操作參數(shù)下，考察T2塔理論板數(shù)對(duì)T2塔頂醋酸含量的影響，其結(jié)果如下圖7所示.

由圖7可知，隨著T2塔理論塔板數(shù)的逐漸增大，T2塔頂醋酸含量逐漸增大，當(dāng)塔板數(shù)為8塊時(shí)，醋酸含量保持穩(wěn)定不變，理論塔板數(shù)越多，塔的制造成本越高，綜合考慮，T2塔最佳的理論塔板數(shù)為8塊板.

圖7 理論板數(shù)對(duì)T2塔頂醋酸含量的影響

3.2.2 進(jìn)料位置的影響

在理論塔板數(shù)8，其他操作參數(shù)不變的情況下，考察T2塔進(jìn)料位置對(duì)塔頂醋酸含量的影響，其結(jié)果如下圖8所示.

圖8 進(jìn)料位置對(duì)T2塔頂醋酸含量的影響

由圖8可知，在第一塊板進(jìn)料時(shí)候，塔頂醋酸含量最低，當(dāng)進(jìn)料位置大于4時(shí)，醋酸含量隨著進(jìn)料位置增大有增大趨勢(shì)，但變化不大.因此，T2塔的適宜的進(jìn)料位置選擇第4塊塔板.

3.2.3 回流比的影響

在理論塔板數(shù)8，進(jìn)料位置第4塊板，其他操作參數(shù)不變的情況下，考察回流比為對(duì)塔頂醋酸含量的影響，其結(jié)果如下圖9所示.

圖9 進(jìn)料位置對(duì)T2塔頂醋酸含量的影響

由圖9可知，當(dāng)回流比在0.1～2時(shí)，隨著回流比的增大，塔頂醋酸含量先增大后減小，當(dāng)回流比為0.5時(shí)，醋酸含量達(dá)到最大值.因此T2塔適宜的回流比為0.5.

3.3 全流程運(yùn)算

通過(guò)上述設(shè)計(jì)與優(yōu)化，兩塔的最優(yōu)操作參數(shù)如下表3所示.在最優(yōu)操作參數(shù)下運(yùn)行全流程，結(jié)果如表4所示，萃取精餾冰醋酸產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)99.8%，滿足分離要求.萃取精餾塔和溶劑回收塔兩塔再沸器總的熱負(fù)荷為5706.95kW，那么生產(chǎn)1t冰醋酸耗費(fèi)1MPa的蒸汽量為2.7t，這比普通精餾過(guò)程1MPa蒸汽耗量8.9t[20]節(jié)約能耗69.66%.

表3 萃取精餾最優(yōu)操作參數(shù)

表4 最優(yōu)參數(shù)運(yùn)算下的結(jié)果

4 結(jié)論

在Aspen Plus中，以環(huán)丁砜為萃取劑，對(duì)醋酸和水混合物進(jìn)行萃取精餾設(shè)計(jì)與優(yōu)化，得到兩塔較優(yōu)的操作參數(shù)如下：萃取精餾塔的理論板數(shù)29塊，原料液從第17塊板進(jìn)料，萃取劑從第4塊板進(jìn)料，回流比為2.7，溶劑比為1.3；溶劑回收塔的理論板數(shù)為8塊，進(jìn)料位置為第4塊板進(jìn)料，操作回流比為0.5.在此最佳操作參數(shù)下，萃取精餾冰醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)99.8%，兩塔再沸器總熱負(fù)荷僅為5706.95kW，比普通精餾過(guò)程節(jié)能69.66%.