乙二醇萃取精餾制取無水乙醇的模擬和優(yōu)化

王 明，趙興科，馮立品，陽 杰

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

無水乙醇是工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的有機(jī)化工原料，它廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品、電子、汽油醇和取代抗爆劑四乙基鉛等行業(yè)中[1].另外，隨著新型汽車環(huán)保燃料的發(fā)展，乙醇汽油的需求越來越大，這就更加大了對(duì)無水乙醇的市場需求[2-3].但是，由于常壓下，乙醇與水存在共沸組成，工業(yè)上乙醇的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）多為95%，繼續(xù)進(jìn)行常規(guī)精餾分離時(shí)，無法得到無水乙醇.當(dāng)前，工業(yè)上生產(chǎn)無水乙醇的方法主要有共沸精餾法、膜分離法、分子篩吸附脫水法、加鹽萃取精餾法，以及萃取精餾法[4-7].其中，由于萃取精餾法具有能耗低，無污染、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)[8]而備受關(guān)注.本次萃取精餾在是在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，可以處理非理想、極性高的復(fù)雜物系.本文以乙二醇為萃取劑，在Aspen Plus軟件中模擬萃取精餾法制取無水乙醇的過程優(yōu)化.

1 萃取精餾模型建立

1.1 工藝流程

乙二醇萃取精餾分離乙醇和水的工藝流程如圖1所示.工業(yè)乙醇從萃取塔（T1，下同）的下部進(jìn)入塔內(nèi)，萃取劑乙二醇從T1的上部進(jìn)入塔內(nèi).在T1的頂部獲得無水乙醇，水和乙二醇由塔釜進(jìn)入萃取劑回收塔（T2，下同）.然后在T2頂部得到廢水，塔釜得到高濃度乙二醇.塔釜得到的萃取劑乙二醇與新鮮補(bǔ)充的乙二醇混合后進(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在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，最重要的是選取合適的熱力學(xué)模型，它直接決定著計(jì)算結(jié)果物理性能的準(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[9-11]，另，軟件中的RK方程能夠計(jì)算汽相中的逸度系數(shù).因此在本文中，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)RK方程的熱力學(xué)模型NRTL-RK.

1.3 進(jìn)料組成

本設(shè)計(jì)條件為：原料為乙醇含量95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），水含量為5%的混合溶液，進(jìn)料流率為5000kg/h，萃取劑為乙二醇，原料和萃取劑均為泡點(diǎn)進(jìn)料，兩塔均在常壓下操作，產(chǎn)品為無水乙醇，要求純度大于99.5%.

表1 萃取精餾初始參數(shù)

2 設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法

本文設(shè)計(jì)的思路是依次對(duì)萃取精餾塔T1和溶劑回收塔T2進(jìn)行模擬和優(yōu)化，分別獲取兩塔最佳操作參數(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.本文使用Aspen Plus中的RadFRac模塊對(duì)兩塔進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)計(jì)算.而RadFRac模塊運(yùn)算時(shí)，需要塔頂餾出比，理論塔板數(shù)，回流比，進(jìn)料位置，以及溶劑比等參數(shù).對(duì)于初始運(yùn)算，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，賦予兩塔運(yùn)算初值如下表1所示.

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

從表2可以看出，T1塔頂乙醇的含量僅為99.4%，并且T2塔頂也夾帶著大量的乙醇和少量的乙二醇餾出，整個(gè)過程沒有達(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)T1和T2依次進(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蒸出乙醇，塔底分出萃取劑乙二醇和水的混合物.因此，可以在Aspen Plus中對(duì)T1塔頂乙醇含量，T2塔頂水含量做靈敏度分析，依次考察塔頂餾出比，理論板數(shù)，原料進(jìn)料位置，萃取劑進(jìn)料位置，回流比，溶劑比等參數(shù)對(duì)T1塔頂乙醇含量和T2塔頂水含量的影響.

3.1.1 T1塔頂餾出比的影響

T1塔頂餾出比對(duì)T1塔頂乙醇含量和T2塔頂水含量的影響如圖2所示.

圖2 餾出比對(duì)T1塔頂乙醇含量和T2塔頂水含量的影響

由圖2可知，當(dāng)T1塔頂餾出比在0.1～0.52時(shí)，隨著餾出比的增大，T1塔頂乙醇含量有增大趨勢(shì)，但是變化不大；T2塔頂水含量逐漸增大.當(dāng)餾出比大于0.52時(shí)，兩塔塔頂產(chǎn)品含量均顯著下降.因此，T1塔適宜的餾出比是0.52.

3.1.2 理論板數(shù)的影響

在T1塔頂餾出比0.52，其他條件不變，理論板數(shù)對(duì)兩塔塔頂產(chǎn)品含量的影響如圖3所示.

從圖3可以看出，兩塔塔頂產(chǎn)品含量均隨著T1塔塔板數(shù)的增大而逐漸增大，當(dāng)塔板數(shù)大于27時(shí)，T1塔頂乙醇含量和T2塔頂水含量均幾乎保持不變，因此T1塔較適宜的理論板數(shù)為27塊.

3.1.3 原料液進(jìn)料位置的影響

T1塔餾出比0.52，理論板數(shù)為27，其他參數(shù)不變，原料液進(jìn)料位置對(duì)兩塔塔頂產(chǎn)品含量的影響如下圖4所示.

圖3 理論板數(shù)對(duì)T1塔頂乙醇含量和T2塔頂水含量的影響

圖4 原料進(jìn)料位置對(duì)T1塔頂乙醇含量和T2塔頂水含量的影響

由圖4可知，在進(jìn)料板數(shù)1～26塊板時(shí)，隨著進(jìn)料板的下移，T1塔頂乙醇含量和T2塔頂水含量均逐漸增大，并當(dāng)進(jìn)料位置大于23塊板時(shí)，兩塔塔頂產(chǎn)品含量幾乎不變.因此，原料液較適宜的進(jìn)料位置為第23塊板.

3.1.4 萃取劑進(jìn)料位置的影響

T1塔餾出比0.52，理論板數(shù)為27，原料液進(jìn)料位置為第23塊板,其他參數(shù)不變，萃取劑乙二醇的進(jìn)料位置對(duì)兩塔塔頂產(chǎn)品含量的影響如圖5所示.

圖5 萃取劑進(jìn)料位置對(duì)T1塔頂乙醇含量和T2塔頂水含量的影響

由圖5可知,兩塔塔頂產(chǎn)品含量隨著萃取劑進(jìn)料位置的下移，先增大而后減小，并在第4塊板時(shí)，T1塔頂乙醇含量取得最大值.因此，萃取劑較適宜的進(jìn)料位置為第4塊板.

3.1.5 回流比的影響

T1塔餾出比0.52，理論板數(shù)為27，原料液進(jìn)料位置為第23塊板，萃取劑進(jìn)料位置為第4塊板，其他參數(shù)不變，T1塔回流比對(duì)兩塔塔頂產(chǎn)品含量的影響如圖6所示.

圖6 回流比對(duì)T1塔頂乙醇含量和T2塔頂水含量的影響

由圖6可知，隨著回流比的增大，T1塔頂乙醇含量和T2塔頂水含量均逐漸增大，當(dāng)回流比大于1.3時(shí)，兩塔塔頂產(chǎn)品含量均幾乎沒有變化.因此，萃取精餾塔較適宜的回流比為1.3.

3.1.6 溶劑比的影響

T1塔餾出比0.52，理論板數(shù)為27，原料液進(jìn)料位置為第23塊板，萃取劑進(jìn)料位置為第4塊板，回流比為1.3，其他參數(shù)不變，溶劑比（萃取劑與原料液的質(zhì)量流率之比）對(duì)兩塔塔頂產(chǎn)品含量的影響如圖7所示.

圖7 溶劑比對(duì)T1塔頂乙醇含量和T2塔頂水含量的影響

由圖7可知，在溶劑比0.1～1.0時(shí)，隨著溶劑比的增大，兩塔塔頂產(chǎn)品含量均增大，但當(dāng)溶劑比大于1時(shí)，兩塔塔頂產(chǎn)品含量均降低，這是由于萃取劑流量增大到一定程度之后，進(jìn)入到了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1.0.

3.2 溶劑回收塔的優(yōu)化

溶劑塔的優(yōu)化主要對(duì)T2塔頂水含量作靈敏度分析.分別對(duì)T2塔頂餾出比，理論板數(shù)，進(jìn)料位置，操作回流比等參數(shù)對(duì)T2塔頂水含量的影響，從而獲取最優(yōu)的操作參數(shù).

3.2.1 餾出比的影響

在T1塔最優(yōu)操作參數(shù)下，考察T2塔頂餾出比對(duì)T2塔頂水含量的影響，其結(jié)果如下圖8所示.

當(dāng)餾出比在0.1～0.15時(shí)，塔頂水含量隨著餾出比的增大而逐漸增大，但當(dāng)餾出比大于0.15時(shí)，塔頂水含量顯著降低，因此，T2塔較適宜的餾出比為0.15.

圖8 餾出比對(duì)T2塔頂水含量的影響

3.2.2 理論板數(shù)的影響

在T1塔最優(yōu)操作參數(shù)下，T2塔餾出比0.15，考察T2塔理論板數(shù)對(duì)T2塔頂水含量的影響，其結(jié)果如下圖9所示.

圖9 理論板數(shù)對(duì)T2塔頂水含量的影響

從圖9可以看出，T2塔頂水含量隨著T2塔理論塔板數(shù)增大而逐漸增大，當(dāng)塔板數(shù)為13塊時(shí)，塔頂水濃度幾乎沒有變化.因此，T2塔較適宜的理論塔板數(shù)為13.

3.2.3 進(jìn)料位置的影響

在T1塔最優(yōu)操作參數(shù)下，T2塔餾出比0.15，理論塔板數(shù)13，其他操作參數(shù)不變的情況下，考察T2塔進(jìn)料位置對(duì)塔頂水含量的影響，其結(jié)果如下圖10所示.

圖10 進(jìn)料位置對(duì)T2塔頂水含量的影響

從圖10可以看出，在第一塊板進(jìn)料時(shí)候，塔頂水含量最低，當(dāng)進(jìn)料位置在2～13時(shí)，塔頂水含量先增大而后減小，并在第10塊板取得最大值.因此，T2塔選擇第10塊板進(jìn)料.

3.2.4 回流比的影響

圖11 進(jìn)料位置對(duì)T2塔頂水含量的影響

在T1塔最優(yōu)操作參數(shù)下，T2塔餾出比0.15，理論塔板數(shù)13，進(jìn)料位置為第10塊板，其他操作參數(shù)不變的情況下，回流比為對(duì)塔頂水含量的影響如圖11所示.

由圖11可知，當(dāng)回流比在1～1.6時(shí)，隨著回流比的增大，塔頂水含量逐漸增大，當(dāng)回流比大于1.6時(shí)，塔頂水含量幾乎沒有變化.因此T2塔適宜的回流比為1.6.

3.3 全流程運(yùn)算

通過上述設(shè)計(jì)與優(yōu)化，兩塔最優(yōu)的操作參數(shù)如下表3所示.在最優(yōu)操作參數(shù)下進(jìn)行全流程運(yùn)算，所得結(jié)果如表4所示，T1塔頂乙醇的的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)99.97%，T2塔頂水的的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)92.7%，滿足分離要求.整個(gè)萃取精餾過程中，萃取精餾塔再沸器的熱負(fù)荷為2392.26kW，溶劑回收塔再沸器的熱負(fù)荷為591.67kW.

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

以乙二醇為萃取劑，用Aspen Plus在NRTL-RK物性條件下，對(duì)含量95%的乙醇水溶液的萃取精餾分離進(jìn)行模擬和優(yōu)化，得到兩塔最優(yōu)的操作條件如下：萃取精餾塔最佳的餾出比為0.52，最佳的理論板數(shù)27塊，原料液進(jìn)料位置為第23塊板，乙二醇進(jìn)料位置為第4塊板，操作回流比為1.3，溶劑比為1.0；溶劑回收塔最佳的餾出比為0.15，最佳的理論板數(shù)為13塊，進(jìn)料位置為第10塊板，操作回流比為1.6.在最佳操作條件下，萃取精餾塔頂無水乙醇的含量高達(dá)99.97%，萃取精餾塔再沸器的熱負(fù)荷為2392.26kW，溶劑回收塔再沸器的熱負(fù)荷為591.67kW.