正交設(shè)計(jì)異丙醇-異戊醇-甲基環(huán)己烷分離工藝模擬

劉艷杰,曹 陽(yáng),李瑞端

(1.吉林化工學(xué)院 吉林省化工分離技術(shù)與節(jié)能工程實(shí)驗(yàn)室,吉林 吉林 132022;2.中國(guó)石油吉林石化公司 吉化(揭陽(yáng))分公司,廣東 揭陽(yáng) 515200)

在常壓下,異丙醇-甲基環(huán)己烷和異戊醇-甲基環(huán)己烷均屬于共沸體系,采用常規(guī)精餾方法有效地分離存在一定難度。對(duì)于共沸物的分離常采用共沸精餾[1-3]、萃取精餾[7,8]、加鹽萃取精餾[7,8]等方法,但這些方法必須有質(zhì)量分離劑的作用方可實(shí)現(xiàn),這勢(shì)必導(dǎo)致質(zhì)量分離劑回收難、流程復(fù)雜、分離過(guò)程能耗大及產(chǎn)品純度低等缺點(diǎn)。對(duì)于二元共沸物,當(dāng)共沸組成,隨著壓力變化比較敏感時(shí),變壓精餾是有效的分離方法[6,9-13]。正交設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種科學(xué)設(shè)計(jì)方法,是借助規(guī)格化正交表,科學(xué)安排試驗(yàn),并利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理,常采用極差法、方差法和回歸分析法等科學(xué)分析試驗(yàn)結(jié)果[14]。正交設(shè)計(jì)方法能在試驗(yàn)方案中均勻挑選出代表性強(qiáng)的少數(shù)試驗(yàn)方案,且能夠通過(guò)少數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析,推出最優(yōu)試驗(yàn)方案,特別適合于多因素多水平的試驗(yàn)。因此,該設(shè)計(jì)法在多種學(xué)科領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[15-18]。本文采用Aspen Plus軟件,基于異丙醇-異戊醇-甲基環(huán)己烷三元體系共沸物與壓力的關(guān)系特性,結(jié)合被處理料液的實(shí)際工況,建立給定體系的三塔變壓精餾分離工藝流程,并對(duì)所建立流程的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。在單因素優(yōu)化基礎(chǔ)上,采用正交設(shè)計(jì)對(duì)流程中重點(diǎn)塔的工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化分析,研究結(jié)果可為類(lèi)似分離體系的研究與設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 分離流程確定

1.1 熱力學(xué)模型選擇

選用不同熱力學(xué)模型,采用 Aspen Plus 軟件,考察常壓下異丙醇-異戊醇-甲基環(huán)己烷物系的共沸數(shù)據(jù),結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 共沸數(shù)據(jù)計(jì)算值與文獻(xiàn)值對(duì)比

由表1可見(jiàn),常壓下采用UNIFAC模型計(jì)算異丙醇-甲基環(huán)己烷的共沸組成與文獻(xiàn)[19]偏差最小值為0.004 4,在該模型下異戊醇-甲基環(huán)己烷的共沸組成與文獻(xiàn)偏差為0.012 4;而采用UNIQUE模型計(jì)算異戊醇-甲基環(huán)己烷的共沸組成與文獻(xiàn)偏差最小值為0.011 6,在該模型下異丙醇-甲基環(huán)己烷的共沸組成與文獻(xiàn)偏差為0.043 6,為保證全流程模擬計(jì)算結(jié)果的可靠性,綜合考慮兩個(gè)共沸物在兩種模型下的計(jì)算值與文獻(xiàn)值的偏差,本文選用UNIFAC模型作為模擬計(jì)算物性方程。

1.2 操作壓力確定

變壓精餾是通過(guò)改變精餾塔的操作壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)共沸物的分離過(guò)程,因此,操作壓力是變壓精餾實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵參數(shù)。為確定合適的操作壓力,分別選取30、50、100、150、200和300 kPa壓力,考察異丙醇-甲基環(huán)己烷和異戊醇-甲基環(huán)己烷的共沸組成和共沸溫度與壓力的關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

壓力/kPa

壓力/kPa

由圖1和圖2可見(jiàn),體系中的兩種共沸物的共沸物組成對(duì)壓力均具有極高的敏感性,而共沸溫度均隨操作壓力的增大而提高。以50 kPa下的共沸組成為基準(zhǔn),對(duì)比100、150、200、300 kPa下的共沸組成,其共沸組成變化情況均符合變壓精餾實(shí)現(xiàn)條件,因此,異丙醇-異戊醇-甲基環(huán)己烷體系的分離可以采用三塔變壓精餾。考慮安全操作、對(duì)設(shè)備要求及能耗等因素,本研究操作壓力選擇100 kPa和200 kPa。

1.3 分離流程建立

被處理料液實(shí)際工況為甲基環(huán)己烷與異丙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)比等于1.11,分離后各組分質(zhì)量純度要求不小于0.995。根據(jù)前述的分析及被處理料液實(shí)際工況,建立圖3所示分離工藝流程。

圖3 分離工藝流程

根據(jù)料液實(shí)際工況流程中T0101、T0102、T0103塔的操作壓力分別為100、200和100 kPa,其中,T0101塔主要任務(wù)是將料液中異戊醇作為產(chǎn)品先從塔釜蒸出,其操作質(zhì)量直接影響異丙醇和甲基環(huán)己烷后續(xù)分離效果,即T0101塔是該工藝中的關(guān)鍵塔。因此,本文在全流程的單因素優(yōu)化基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)該塔進(jìn)行正交設(shè)計(jì)工藝參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化與分析。

1.4 年總費(fèi)用

年總費(fèi)用主要包括設(shè)備費(fèi)和能耗費(fèi),計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[20],即年總費(fèi)用=設(shè)備費(fèi)/設(shè)備回收期+能耗費(fèi)。其中,設(shè)備費(fèi)用主要包括塔設(shè)備和換熱器等,其他閥門(mén)、管件等費(fèi)用忽略,設(shè)備投資回收期取3年;能耗費(fèi)主要包括加熱蒸汽(單價(jià)取150元/噸)和冷卻水(單價(jià)取1.5元/m3)等公用工程費(fèi)。

2 單因素優(yōu)化

在保證各組分分離要求前提下,采用Aspen Plus軟件的RadFrac模型進(jìn)行全流程嚴(yán)格模擬計(jì)算,獲得初始模擬工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,以產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為控制指標(biāo),以年總費(fèi)用最低為原則,采用Sensitivity靈敏度分析工具,對(duì)全流程工藝參數(shù)進(jìn)行模擬與優(yōu)化,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單因素模擬與優(yōu)化結(jié)果

3 正交設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 因素與水平確定

根據(jù)單因素優(yōu)化結(jié)果,選用5因素4水平L16(45)正交表,以T0101塔底產(chǎn)品異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Xd)和年總費(fèi)用分別為試驗(yàn)指標(biāo),以理論板數(shù)(A)(包含塔頂冷凝器和塔底再沸器)、進(jìn)料位置(B)和回流比(C)為考察的試驗(yàn)因素,做進(jìn)一步參數(shù)的優(yōu)化。優(yōu)化因素各取4個(gè)水平,表3為確定的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素與水平值。

3.2 正交法優(yōu)化結(jié)果與分析

確定因素水平后,共設(shè)計(jì)16組試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果與極差,見(jiàn)表4～5。

表4 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

表5中極差分析結(jié)果表明:各因素對(duì)異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響程度依次為B>A>C,優(yōu)化參數(shù)為A4B3C3,此時(shí),異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.998 1,而各因素對(duì)年總費(fèi)用影響程度依次為C>B>A,優(yōu)化參數(shù)為A1B3C1,此時(shí),異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.995 7。由于料液在該塔中分離后異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定全流程各組分的分離效果,因此,選取以異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為試驗(yàn)指標(biāo)得到的優(yōu)化參數(shù)作為最優(yōu)操作條件,即理論板數(shù)為32塊,進(jìn)料位置為第10板,回流比為0.9。

采用相同的方法獲得T0102的最優(yōu)操作條件為理論板數(shù)為20塊,進(jìn)料位置為第15板,回流比為0.69;T0103的最優(yōu)操作條件為理論板數(shù)為22塊,進(jìn)料位置為第11板,回流比為1。

3.3 各塔操作特性分析

在最佳操作工藝條件下,T0101、T0102和T0103塔內(nèi)汽、液相組成及溫度分布曲線(xiàn),見(jiàn)圖4～6。

圖4 T0101塔內(nèi)汽液相組成及溫度分布

由圖4～6可見(jiàn),塔內(nèi)溫度分布呈現(xiàn)由塔頂?shù)剿讍握{(diào)上升的趨勢(shì),符合精餾原理。而塔內(nèi)的各組分的汽液組成分布明顯不同,這主要是由于每個(gè)塔的分離任務(wù)不同而導(dǎo)致。

由圖4可見(jiàn),甲基環(huán)己烷和異丙醇汽、液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù),從塔頂?shù)剿尸F(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),而異戊醇汽、液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì);在塔釜幾乎沒(méi)有異丙醇和甲基環(huán)己烷,在塔頂幾乎沒(méi)有異戊醇。導(dǎo)致這種分布的原因是在該塔中異戊醇是重組分,而甲基環(huán)己烷和異丙醇是輕組分,且二者形成最低共沸物。因此,塔頂蒸出操作壓力下的異丙醇-甲基環(huán)己烷共沸物,塔釜得到高純度異戊醇,有效實(shí)現(xiàn)異戊醇與甲基環(huán)己烷和異丙醇混合物的分離。

由圖5可見(jiàn),從塔頂?shù)降?5塊板異丙醇汽、液相分?jǐn)?shù)幾乎穩(wěn)定,而第15塊板到塔釜異丙醇汽-液相分?jǐn)?shù)快速下降,甲基環(huán)己烷汽、液相分?jǐn)?shù)快速上升。導(dǎo)致這種分布的原因是在該塔中甲基環(huán)己烷是重組分,而甲基環(huán)己烷-異丙醇共沸物是輕組分,因此,塔頂蒸出操作壓力下的異丙醇與甲基環(huán)己烷共沸物,塔釜得到高純度甲基環(huán)己烷,有效實(shí)現(xiàn)甲基環(huán)己烷與甲基環(huán)己烷-異丙醇混合物的分離。

圖5 T0102塔內(nèi)汽液相組成及溫度分布

由圖6可見(jiàn),從塔頂?shù)剿惐计⒁合喾謹(jǐn)?shù)逐步上升,而甲基環(huán)己烷汽、液相分?jǐn)?shù)逐步下降。導(dǎo)致這種分布的原因是在該塔中異丙醇是重組分,而甲基環(huán)己烷-異丙醇共沸物是輕組分,因此,塔頂蒸出操作壓力下的異丙醇-甲基環(huán)己烷共沸物,塔釜得到高純度異丙醇,有效實(shí)現(xiàn)異丙醇與甲基環(huán)己烷-異丙醇混合物的分離。

圖6 T0103塔內(nèi)汽液相組成及溫度分布

4 結(jié) 論

(1)利用Aspen Plus模擬軟件,選用UNIFAC熱力學(xué)模型,對(duì)異丙醇-異戊醇-甲基環(huán)己烷共沸體系特性分析,結(jié)合被處理料液實(shí)際工況,建立該共沸體系分離工藝流程。

(2)在保證異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求條件下,以年總費(fèi)用最低為原則,采用靈敏度分析對(duì)各塔進(jìn)行單因素工藝參數(shù)優(yōu)化。

(3)在單因素優(yōu)化基礎(chǔ)上,運(yùn)用正交設(shè)計(jì)對(duì)關(guān)鍵塔T0101工藝參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的優(yōu)化與分析,獲得最優(yōu)操作條件為理論板數(shù)32塊,進(jìn)料位置第10板,回流比0.9,在此條件下,異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.998 1,達(dá)到產(chǎn)品分離要求。同時(shí)獲得T0102和T0103的最佳操作條件,且在最佳操作條件下,各塔均能完成規(guī)定分離任務(wù)。