變壓精餾分離四氫呋喃與乙醇混合物研究

王 明，趙興科，馮立品，孫玉潔，張海軍，董 偉

(合肥學院 能源材料與化工學院，安徽 合肥 230601)

四氫呋喃(THF)，又稱：氧雜環(huán)戊烷、四氫化氧雜茂、氧化四亞甲基、1，4-環(huán)氧丁烷等，它是一種重要的有機合成原料，素有萬能溶劑的美稱。[1]乙醇(C2H5OH)，常溫常壓下是一種易揮發(fā)的無色透明液體，是一種廣泛應用的有機原料。醫(yī)藥、化工、涂料以及化妝品等領域領域消耗乙醇含量約占乙醇總耗量的50%左右。[2]常溫常壓下四氫呋喃與乙醇互溶，并且存在最低共沸組成THF 93.82wt%，C2H5OH 6.18wt%。對于共沸混合物分離一般采用共沸精餾、萃取精餾、加鹽萃取精餾、變壓精餾等特殊精餾法進行分離。[3-5]其中，變壓精餾相較于其他精餾具有工藝簡單、不引入雜質以及節(jié)能等獨特優(yōu)點。[6-9]變壓精餾是根據(jù)二元物系對拉烏爾定律產生偏差的特點，通過改變體系壓力，使常壓下的共沸點發(fā)生移動或者共沸組成發(fā)生改變，通過精餾過程組合可以在不同的塔頂或者塔底獲得高純度組分，從而實現(xiàn)二元共沸物系的分離。[10]本文利用Aspen Plus軟件，來模擬四氫呋喃與乙醇的變壓精餾分離。

1 四氫呋喃與乙醇的共沸組成

在Aspen Plus中，計算四氫呋喃與乙醇在0.1MPa與0.8MPa下的氣液平衡數(shù)據(jù)，結果如表1所示。

表1 THF與C2H5OH在不同壓力下的共沸組成

由表1可知，0.1MPa時THF在共沸物中的含量為93.82%，當壓力為0.8MPa時，THF在共沸物中的含量為47.93%。由此可見，體系壓力由0.1MPa變成0.8MPa時，共沸物的組成發(fā)生顯著的變化，因此對于該共沸物系可以使用變壓精餾進行分離。

2 變壓精餾

2.1 工藝流程

變壓精餾分離四氫呋喃與乙醇混合物的工藝流程如圖1所示。THF與C2H5OH混合物從常壓塔T1進料，T1塔底能夠得到高濃度乙醇，T1塔頂混合物經(jīng)過高壓泵加壓之后進入高壓塔T2，在高壓塔底得到高濃度四氫呋喃，高壓塔頂物料循環(huán)至T1塔中繼續(xù)精餾。整個精餾分離過程不引入第三組分，較好地保證了目標產物的純度。

圖1 變壓精餾分離四氫呋喃與乙醇混合物工藝流程圖

2.2 進料組成

四氫呋喃與甲醇混合物常溫常壓下進料，進料流量為1000 kg/h，進料組成為THF 70%，C2H5OH 30%，要求進過變壓精餾分離之后，THF濃度大于99.5%，C2H5OH濃度也大于99.5%。

3 結果及討論

3.1 常壓塔T1塔板數(shù)對提濃效果的影響

保持其他工藝參數(shù)不變，改變T1塔板數(shù)從4到30，考察常壓塔T1和高壓塔T2的提濃效果。如圖2所示，隨著理論板數(shù)的增加，T1塔底產物乙醇濃度以及T2塔底產物四氫呋喃的質量濃度也在逐漸增大，當塔板數(shù)超過20時，兩塔目標產物濃度增加的不再明顯，考慮到設備制造的經(jīng)濟效益，理論板數(shù)不應過高，因此，常壓塔理論板數(shù)為20塊。

圖2 T1塔板數(shù)對兩塔提濃效果的影響

3.2 混合物進料位置對提濃效果的影響

保持其他工藝參數(shù)不變，改變混合物進料位置從第1塊板到第20塊板，考察常壓塔T1和高壓塔T2的提濃效果，其結果如圖3所示。

圖3 混合物進料位置對兩塔提濃效果的影響

從圖3可以看出，混合物進料位置在第1塊板到第13塊板之間，T1塔底乙醇濃度和T2塔底四氫呋喃濃度均沒有明顯變化。當進料位置超過第14塊板，兩塔的提濃效果明顯降低。因此混合物較適宜的進料1～13塊。

3.3 循環(huán)料液進料位置對提濃效果的影響

保持其他工藝參數(shù)不變，改變循環(huán)料液進料位置，考察T1塔和T2塔的提濃效果。如圖4所示，循環(huán)料液進料位置在第1塊到第10之間時候，T1塔底乙醇濃度保持在99.99%，T2塔底四氫呋喃濃度保持在99.95%，變化不大。當進料位置大于10塊時，兩塔塔底產物濃度均大幅度下降，并在第20塊時，T1塔底乙醇濃度只有88.94%，T2塔底四氫呋喃只有96.75%，均取得最低值。因此，循環(huán)物流進料位置選擇在1～10之間。

圖4 循環(huán)料進料位置對兩塔提濃效果的影響

3.4 回流比對提濃效果的影響

保持其他工藝參數(shù)不變，依次改變T1塔回流比0.1～3.0，考察常壓塔T1和高壓塔T2的提濃效果，其結果如圖5所示。

圖5 T1回流比對兩塔提濃效果的影響

從圖5可以看出，當回流比在0.1升至1.0時，T1塔底乙醇濃度由87.58%增加至99.99%，T2塔底四氫呋喃濃度由96.33%升至99.95%，變化趨勢比較明顯。但當回流比進一步增大時，兩塔塔底提濃效果不再明顯。回流比越大，能耗也就越大，因此，在滿足提濃效果的前提下，T1塔較合適的回流比選為1.0。

3.5 高壓塔T2理論板數(shù)對提濃效果的影響

在T1塔優(yōu)化的基礎之上，保持其他工藝參數(shù)不變，考察常壓塔T1和高壓塔T2的提濃效果。如圖6所示，總體上隨著T2塔板數(shù)增加，兩塔提濃效果越來越好，在塔板數(shù)由2增加至30時，T1乙醇濃度由63.87%升至99.99%，T2四氫呋喃濃度由87.81%升至99.96%。因此T2較適宜的塔板數(shù)為30塊板。

圖6 T2理論板數(shù)對兩塔提濃效果的影響

3.6 高壓塔T2進料位置對提濃效果的影響

保持其他工藝參數(shù)不變，改變T2塔進料位置，考察常壓塔T1和高壓塔T2的提濃效果，結果如圖7所示。

圖7 T2進料位置對兩塔提濃效果的影響

從圖7可以看出，當進料位置第1塊板升至第2塊板時，提濃效果較明顯，T1塔底乙醇濃度由83.53%增加至99.91%，T2塔底四氫呋喃濃度由95.04%升至99.94%。在進料位置2～9之間時候，兩塔塔底目標產物濃度幾乎變化不大。在進料位置10～30時，T1塔底乙醇濃度和T2塔底四氫呋喃濃度均逐漸下降，提濃效果減弱。因此，T2塔較適宜的進料位置為第2～9塊板。

3.7 高壓塔T2回流比對提濃效果的影響

保持其他工藝參數(shù)不變，T2回流比變化在0.1～3.0之間，考察常壓塔T1和高壓塔T2的提濃效果，結果如圖8所示。

圖8 T2回流比對兩塔提濃效果的影響

由圖8可知，當回流比在0.1時，T1塔底乙醇濃度為82.17%，T2塔底四氫呋喃濃度為94.59%，均為最低值。隨著回流比的增大，兩塔塔底目標產物濃度也逐漸增大，并在當回流比為3.0時，均取得最大值，其中T1塔底乙醇濃度為99.99%，T2塔底四氫呋喃濃度為99.96%。因此，T2塔回流比選擇3.0。

3.8 全流程運算

經(jīng)過上述優(yōu)化，獲得了常壓塔T1和高壓塔T2的最優(yōu)操作參數(shù)，如表2所示。在最優(yōu)工藝條件下，T1塔和T2塔的計算結果如表3所示。

表2 T1塔和T2塔最佳操作工藝參數(shù)

表3 模擬計算結果

從表3可以看出，在最優(yōu)條件下計算，T1塔底乙醇濃度高達99.99%，T2塔底四氫呋喃濃度高達99.96%，乙醇的回收率高達99.88%，四氫呋喃的回收率更是接近100%，說明該工藝能夠很好地滿足分離要求。

4 結論

利用Aspen Plus軟件，在NRTL-RK物性條件下，來模擬乙醇和四氫呋喃的變壓精餾分離。通過模擬計算，獲得了常壓塔T1的最佳理論板數(shù)為20塊板，混合物從第1～13塊板進料較適宜，循環(huán)物流較適宜從1～10塊板進料，回流比為1；高壓塔T2的較佳的理論板數(shù)為30塊板，較適宜從第2～9塊板進料，操作回流比為3。在最優(yōu)操作條件下，T1塔底乙醇濃度高達99.99%，T2塔底四氫呋喃濃度高達99.96%，乙醇的回收率高達99.88%，四氫呋喃的回收率更是接近100%，整個過程滿足分離要求。