基于PRO/II的松節(jié)油精餾過程的模擬

文雪英，周家華，*，趙子牛

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州510642;2.廣東遂溪松林香料有限公司，廣東湛江 524300)

基于PRO/II的松節(jié)油精餾過程的模擬

文雪英1，周家華1，*，趙子牛2

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州510642;2.廣東遂溪松林香料有限公司，廣東湛江 524300)

松節(jié)油精餾分離出α－蒎烯和β－蒎烯是松節(jié)油深加工的一個重要步驟。本研究利用大型化工模擬軟件PRO/Ⅱ模擬松節(jié)油雙塔連續(xù)精餾過程，考察了各個塔進(jìn)料位置、回流比、壓力變化對終產(chǎn)品純度和能耗的影響，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了兩塔的操作參數(shù)。

蒎烯，精餾，模擬

松節(jié)油是世界上產(chǎn)量最大的一種天然精油，我國年產(chǎn)松節(jié)油居世界第二位。其主成分α－蒎烯和β－蒎烯可直接微量調(diào)配肉味、檸檬、柑橘等食用香精;同時以α－蒎烯和β－蒎烯為原料可以合成α－松油醇、芳樟醇、香葉醇和橙花醇、薄荷醇、龍腦、乙酸異龍腦酯、乙酸橙花酯、香葉基丙酮、對異丙基甲苯、金合歡醇、香茅醇、香芹醇、異龍腦、紫蘇醇、紫蘇醛、檸檬醛、香茅醛、紫羅蘭酮、樟腦等重要的食用香料［1］。為了在合成反應(yīng)中使產(chǎn)品具有較高的純度和轉(zhuǎn)化率，松節(jié)油在應(yīng)用前應(yīng)精餾出α－蒎烯和β－蒎烯［2－8］。長期以來，松節(jié)油的精餾設(shè)計(jì)都是采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，本研究以提高餾出物純度和節(jié)約能源為目的，通過PRO/Ⅱ軟件對松節(jié)油精餾系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬計(jì)算，對高低沸塔的生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行了靈敏度分析，以便為工業(yè)生產(chǎn)中的精餾塔的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［4－5］。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

α－蒎烯 分子式 C10H16，分子量 136.2，沸點(diǎn)429.29K;β－蒎烯 分子式C10H16，分子量136.2，沸點(diǎn)439.19K;高沸點(diǎn)物質(zhì) 以異松油烯替代，分子式為C10H16，分子量為136.2，沸點(diǎn)460K。

低沸塔 塔板數(shù)50、進(jìn)料塔板25、塔頂壓力0.4atm，壓降100Pa/板、回流比5.0;高沸塔 塔板數(shù)20、進(jìn)料塔板10、塔頂壓力0.3atm，壓降100Pa/塔板、回流比3.0;進(jìn)料:泡點(diǎn)進(jìn)料，流量為3000kg/h，質(zhì)量組成為α－蒎烯65%、β－蒎烯30%、異松油烯5%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 研究過程及結(jié)果分析 化工流程模擬是借助計(jì)算機(jī)求解描述整個化工生產(chǎn)過程中數(shù)學(xué)模型的過程。其可用于化工流程物料平衡和能量平衡的嚴(yán)格計(jì)算，單元設(shè)備的尺寸計(jì)算和化工流程的參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算。

本文利用國際知名的化工穩(wěn)態(tài)流程模擬軟件PRO/Ⅱ首先完成了對整個分離流程的核算，確定兩個塔各組分的采出量;進(jìn)而在此基礎(chǔ)上先后進(jìn)行了低沸塔和高沸塔操作條件的優(yōu)化，高沸塔的參數(shù)優(yōu)化是在低沸塔優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，從而完成整個蒸餾過程的優(yōu)化。

1.2.2 分離流程及初始條件的確定 本研究采用兩個嚴(yán)格法精餾單元進(jìn)行分離過程模擬，具體的分離流程如圖1。原料進(jìn)入低沸塔，塔頂分離得到以α－蒎烯為主的輕組分，余下的物質(zhì)進(jìn)入高沸塔，塔頂分離得到以β－蒎烯為主的重組分，余下的高沸點(diǎn)物質(zhì)由高沸塔釜底收集。

2 結(jié)果與討論

2.1 沸塔及高沸塔塔頂采出量的確定

α－蒎烯的進(jìn)料速率為1950kg/h，低沸塔塔頂過大的采出量會導(dǎo)致塔頂α－蒎烯濃度偏低，減小采出量雖然可以提高α－蒎烯的純度，卻會降低高沸塔中β－蒎烯的純度，因?yàn)棣粒逑]發(fā)度比β－蒎烯高，沒有在低沸塔中采出的α－蒎烯將全部出現(xiàn)在β－蒎烯中。因此確定合適的采出量對于α－蒎烯和β－蒎烯的純度控制非常重要。

表1 餾出物產(chǎn)量對組成分純度的影響

圖1 松節(jié)油分離流程圖

本研究為了得到最大純度的α－蒎烯和 β－蒎烯，確定高沸塔塔底的高沸點(diǎn)物質(zhì)流量為150kg/h，即α－蒎烯和β－蒎烯最大限度地被蒸發(fā)出來，且高沸點(diǎn)物質(zhì)最少蒸出，二者的產(chǎn)量總和為2850kg/h。

由表1得知，輕組分產(chǎn)品流率對重組分中β－蒎烯純度影響顯著，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，選擇輕組分和重組份的流率分別為1970、880kg/h，二者主成分含量均達(dá)到了98%以上。

2.2 低沸塔的優(yōu)化

2.2.1 低沸塔進(jìn)料位置的優(yōu)化 選用靈敏度分析模塊考察進(jìn)料位置對輕組分中α－蒎烯純度的影響?？疾爝M(jìn)料位置由塔頂(1級塔板)至塔底(50級塔板)變化時，輕組分純度和再沸器能耗的變化，研究發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)料塔板位置的下移，輕組分中α－蒎烯純度呈先上升后下降的趨勢，再沸器能耗變化趨勢正好相反，部分結(jié)果(15～35塔板)如圖2所示。

圖2 α－蒎烯純度及低沸塔再沸器能耗隨進(jìn)料位置變化圖

由圖2可以看出，從25塊塔板位置處進(jìn)料時，α－蒎烯純度最大，為98.2%，且再沸器能料耗最小，為5.84×105W。故選擇進(jìn)料口于第25塊塔板處。

2.2.2 低沸塔回流比的優(yōu)化 在塔頂采出量固定的情況下，增加回流比有利于提高主成分的純度，但是塔底蒸發(fā)量也會增大，提高再沸器的能耗。

由圖3可以看出，回流比增至5.5以上時，再增加回流比對提高α－蒎烯的純度影響很小，但再沸器能耗隨回流比呈線性增加的趨勢?；亓鞅扔?.5增加到5.0時，α－蒎烯純度提高了1.06%，再沸器熱消耗增加了0.71×105W;回流比由5.0增至5.5時，再沸器熱消耗也增加了相同值，但是純度僅提高了0.42%;且回流比為 5.0時，α－蒎烯純度已達(dá)到98.2%;綜合考慮確定回流比為5.0。

圖3 α－蒎烯純度及低沸塔再沸器能耗隨回流比的變化圖

2.2.3 低沸塔塔內(nèi)壓力的優(yōu)化

2.2.3.1 低沸塔塔頂壓力的優(yōu)化 表2是α－蒎烯純度與能耗隨低沸塔塔頂壓力的變化情況，由表可以看出，隨著塔頂壓力的增加，α－蒎烯的純度呈減小的趨勢，再沸器的能耗增加，說明塔頂壓力越小，有利于α－蒎烯純度的提高和再沸器能耗的減小。但另一方面，壓力減小時，冷凝器放出的熱量越多，冷凝器需要的換熱面積越大，冷凝水消耗更多;同時塔內(nèi)真空度越大，維持此真空度所需的能耗越高，對設(shè)備的要求也越高。

表2 α－蒎烯純度與能耗隨低沸塔塔頂壓力的變化

綜合考慮，選擇塔頂壓力為0.4atm，此時α－蒎烯純度達(dá)到了98.2%。

2.2.3.2 低沸塔塔壓降的優(yōu)化 塔頂壓力一定的情況下，塔壓降越大，即塔底壓力越大，α－蒎烯純度越低;再沸器能耗越高。

由表3可以比較得出，壓降在0～0.0025atm/板之間變化時，純度變化和再沸器能耗變化僅為0.41%、1.20%，可以認(rèn)為板間壓力降變化對α－蒎烯純度和再沸器能量消耗影響很小?？紤]到維系真空度的成本及α－蒎烯純度，選擇塔壓降為0.002atm/板是較適宜的。

表5 β－蒎烯純度與能耗隨塔壓降的變化

表3 α－蒎烯純度與能耗隨塔壓降的變化

2.3 高沸塔的優(yōu)化

高沸塔的優(yōu)化是在低沸塔優(yōu)化的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，即在低沸塔全過程最優(yōu)的情況下，對高沸塔進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.1 高沸塔進(jìn)料位置的優(yōu)化 由圖4可以看出，隨著高沸塔進(jìn)料塔板位置由上至下時，β－蒎烯純度先上升再下降，再沸器能耗先變小再變大，但是變化幅度較小。由圖可以得出，在第10塊塔板處進(jìn)料時，β－蒎烯純度最大，為97.3%;再沸器能耗最小，為2.75×105W;故確定高沸塔進(jìn)料口為第10塊塔板處。

圖4 β－蒎烯純度及再沸器耗能隨進(jìn)料位置的變化圖

2.3.2 高沸塔回流比的優(yōu)化 由圖5可以看出，隨著回流比的增加，再沸器耗能線性上升，然而回流比大于3時，β－蒎烯的純度變化很小。當(dāng)回流比由2.5變化至3時，β－蒎烯純度僅僅增加了0.16%，而再沸器能量消耗增加了14.6%，且回流比2.5時，β－蒎烯純度達(dá)到了96.14%，綜合考慮，選擇回流比為2.5。

2.3.3 高沸塔塔內(nèi)壓力的優(yōu)化

2.3.3.1 塔頂壓力的優(yōu)化 由表4可以看出，β－蒎烯純度與再沸器及冷凝器能耗隨高沸塔塔頂壓力的變化情況同低沸塔的變化情形一致，隨著塔頂壓力的增加，β－蒎烯的純度減小，再沸器的能耗增加。但同樣，壓力越小時，冷凝器放出的熱量越多，對冷凝器的設(shè)備要求越高，塔內(nèi)真空度越大，維持此真空度的所需的能耗越高，對設(shè)備的要求也越高。

圖5 β－蒎烯及再沸器能耗隨回流比的變化圖

表4 β－蒎烯純度與能耗隨高沸塔塔頂壓力的變化

綜合考慮，選擇高沸塔塔頂壓力為0.35atm，此時β－蒎烯純度高于97%。

2.3.3.2 塔壓降的優(yōu)化 由表5可以看出，塔壓降在0至0.01atm/板間變化時，β－純度變化僅為0.17%，再沸器能量變化與冷凝器變化也不明顯，基于最終β－蒎烯純度、維持真空耗能以及塔底的溫度考慮，選擇塔壓降為0.0065atm/板較為適宜。

2.4 兩塔最優(yōu)化參數(shù)及結(jié)果

通過對低沸塔和高沸塔的模擬優(yōu)化，兩塔各個參數(shù)優(yōu)化如表6。

表6 兩塔最優(yōu)化參數(shù)及結(jié)果

3 結(jié)論

3.1 通過PRO/Ⅱ?qū)λ晒?jié)油精餾系統(tǒng)模擬計(jì)算，對高低沸塔進(jìn)行了物料衡算和分析，其計(jì)算結(jié)果可用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。

3.2 通過PRO/Ⅱ進(jìn)行靈敏度分析，分析了影響松節(jié)油分離的關(guān)鍵因素，作為α－蒎烯和β－蒎烯精餾分離操作的控制變量和調(diào)優(yōu)變量，為精餾系統(tǒng)的優(yōu)化提供了有效依據(jù)。

［1］白蕓.從松節(jié)油制得的食用香料概況［J］.中國食品添加劑，2006(4):133－135.

［2］南京林產(chǎn)工業(yè)學(xué)院.林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)手冊(上)［M］.北京:中國林業(yè)出版社，1980.

［3］欒國顏.松節(jié)油中提取α－蒎烯與β－蒎烯的分離研究［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，15(2):11－16.

［4］周文軍.基于Aspen Plus的氯乙烯精餾過程模擬［D］.浙江大學(xué)碩士論文，2005.

［5］魏忠，楊宇暉.利用PRO/II軟件對常減壓蒸餾流程的模擬［J］.沈陽化工，2000(3):171－174.

［6］胡繼峰，劉懷.松節(jié)油蒸餾系統(tǒng)的DCS控制［J］.云南民族學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003(1):31－33.

［7］阮付賢，周龍昌，韋小杰，等.氫化松節(jié)油體系精餾計(jì)算模型及理論塔板數(shù)的確定［J］.化工技術(shù)與開發(fā)，2008(7): 37－40.

［8］羅志剛，余林梁，周強(qiáng)，等.從松節(jié)油中高效分離α－蒎烯［J］.廣東化工，2003(4):61－63.

Simulation of distillation of pine oil based on PRO/Ⅱ

WEN Xue－ying1，ZHOU Jia－h(huán)ua1，*，ZHAO Zi－niu2
(1.Food College，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China;
2.Suixi Songlin Flavor Co.，Ltd.，Zhanjiang 524300，China)

It is an important step to separate α－pinene and β－pinene before further process of pine oil.The effect of feeding location，reflux ratio，operation pressure on product purity and energy consumption was investigated and the operation parameters were optimized with PRO/Ⅱ.

pinene;distillation;simulation

TS225.1+9

A

1002－0306(2010)08－0239－04

2009－08－24 *通訊聯(lián)系人

文雪英(1985－)，女，在讀碩士，主要從事食品加工過程中的數(shù)值模擬研究。

廣東省粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目。