間歇萃取精餾分離苯-環(huán)己烷的流程模擬及參數(shù)分析

李文秀，賈慶波，張志剛，連利燕，劉 雷

（沈陽化工大學 化學工程學院， 遼寧 沈陽 110142）

間歇萃取精餾分離苯-環(huán)己烷的流程模擬及參數(shù)分析

李文秀，賈慶波，張志剛，連利燕，劉 雷

（沈陽化工大學 化學工程學院， 遼寧 沈陽 110142）

苯和環(huán)己烷混合物是化工中非常典型的二元共沸物系。選用二甲基亞砜（DMSO）和N-甲基吡咯烷酮（NMP）的質(zhì)量配比為DMSO∶NMP=1∶3作為混合溶劑，在前期實驗驗證基礎上，采用ASPEN PLUS11.1化工模擬軟件中的BatchFrac單元操作模塊，采用UNIFAC物性計算方法，通過改變各操作參數(shù)，對苯和環(huán)己烷二元共沸物系的分離進行間歇萃取精餾模擬計算。模擬結果表明：常壓操作條件下，塔頂環(huán)己烷質(zhì)量分率可達到98%，模擬計算的運用能夠為實驗進一步研究提供很好的理論依據(jù)和設計參考。

ASPEN PLUS；BatchFrac；間歇萃取精餾；操作參數(shù)；苯；環(huán)己烷

苯和環(huán)己烷沸點相近， 在常壓下，能形成最低共沸混合物（其中共沸組成環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)約為45%，共沸點溫度為77.4 ℃[1]），其分離在化工領域非常重要。環(huán)己烷比苯毒性小，作為環(huán)己醇、環(huán)己酮、己二酸、己內(nèi)酰胺以及尼龍-66和尼龍-6[2]等生產(chǎn)的主要原料，也是一種性能較好的溶劑，往往用來取代苯作脫油脂劑及脫漆劑等[3]。所以簡單有效地分離苯和環(huán)己烷混合物具有重要意義。

Aspen plus流程模擬軟件起源于美國20世紀70年代后期，是化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析、經(jīng)濟評價等功能強大的化工設計、模擬及各類計算的軟件，它幾乎能滿足大多數(shù)化工設計及計算的要求，得到了化工行業(yè)的廣泛認可[4]；該軟件能用于指導生產(chǎn)和優(yōu)化操作，是工程技術人員進行設計和生產(chǎn)的有利工具；自從1983年進入中國市場，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成擁有中石化、中石油等上百家客戶，為中國工業(yè)高效、節(jié)能、環(huán)保等方面做出突出的貢獻。

物性方法是用來計算熱力學性質(zhì)和傳遞物性的一批方法和模型，物性方法的選擇對于一個物系的分離至關重要。在實際工廠流程模擬中，要想得到與實際工況較接近的計算結果，不同物系應選用相對應的物性計算方法，這樣才能為實際的生產(chǎn)或流程改造提供可靠的理論依據(jù)[5]。本模擬為常壓下進行，該萃取精餾過程的汽相符合理想氣體定律，通過原料和萃取劑各自的汽液平衡相圖得知，溶劑與原料組成的混合溶液為非理想溶液。通過以上分析可知選用活度系數(shù)模型的UNIFAC物性計算方法適合本物系的分離。

雖然Aspen流程模擬已廣泛地應用于實驗與工廠的工藝流程的設計、優(yōu)化等方面，但這主要是集中在連續(xù)萃取精餾方面，而在間歇萃取精餾模擬方面的相關論文卻非常少。間歇萃取精餾具有投資少、操作方便、少量塔能分離多組產(chǎn)品、能用于精細化工中高附加值生產(chǎn)等諸多優(yōu)點。因此，研究Aspen plus模擬間歇萃取精餾就顯的尤為重要。

Aspen Plus經(jīng)過30多年的不斷完善，在指導實驗研究方面和工業(yè)生產(chǎn)方面都取得了非常滿意的成果， Aspen 流程模擬可以正確反應出實驗時的各個操作參數(shù)的變化情況，作者在前期的對間歇萃取精餾實驗研究工作(文獻[3,6])的基礎上，通過調(diào)節(jié)理論塔板數(shù)等各個操作參數(shù)可建立起與實驗吻合較好的流程模擬。因此，用Aspen流程模擬代替實驗進行研究完全可行。本論文主要以Aspen流程模擬來研究影響苯和環(huán)己烷共沸物系分離的各個操作參數(shù)的變化情況，以此對下一步本物系的深入實驗研究提供可靠的依據(jù)又可對其它物系的研究給予借鑒。

1 工藝流程圖及工藝參數(shù)

1.1 工藝流程圖

圖1為Aspen 模擬苯和環(huán)己烷分離的工藝流程圖。

圖1 間歇萃取精餾工藝流程圖Fig.1 Scheme of batch extractive distillation

1.2 工藝操作參數(shù)

苯-環(huán)己烷二元共沸物系中環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)為45%，原料進料量為200 g，進料溫度為20 ℃。 初設B1各操作參數(shù)：理論板數(shù)N為35塊，回流比R（mol比）為2，溶劑進料位置NS為第3塊，溶劑流率VS為2 g/min， DMSO:NMP摩爾比為1：3，溶劑進料溫度TS為20 ℃，塔頂流出速率VD為0.013 5 g/s,塔操作壓強為1.013 25×105Pa。產(chǎn)品收集停止時間為塔頂不同時刻時餾出物中環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)（XD）降到50%時。

2 靈敏度分析

2.1 理論塔板數(shù)對萃取精餾的影響

N變化，R為2、3和4，其它操作參數(shù)如1.2所示。從圖2中可以看到，在N小于15塊時塔頂環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)（XC）上升趨勢非常明顯，而當N大于15時XC上升趨勢逐漸變緩，說明增大N有利于XC的提高。對于間歇萃取精餾而言，增大回流比和理論板數(shù)均能有效地提高分離效果，但與普通精餾相比，當回流比和理論板數(shù)增加到一定數(shù)值后，再增大以上兩個參數(shù)，對分離效果的影響不再明顯，經(jīng)濟性下降。

圖2 不同理論塔板數(shù)對塔頂環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)影響Fig.2 Influences of different theory stages on the mass fraction of overhead cyclohexane

2.2 溶劑進料位置對萃取精餾的影響

NS變化，R為2、3和4，其它操作參數(shù)如1.2節(jié)所示。冷凝器作為第1塊理論塔板，溶劑不能從第1塊塔板處進料，因此，溶劑進料位置從第2塊塔板處開始考慮。在精餾理論板數(shù)一定的情況下，增加NS序號，將會增加溶劑回收段高度，但同時也會降低萃取精餾段高度，使下降溶劑不能較好的與上升蒸汽進行質(zhì)交換，使得塔頂餾出物中苯的含量增多。圖3顯示了加料板位置與塔頂XC關系。隨著NS的增大，XC不斷減??；當R小時，R對XC影響明顯；而R大于3后，R對XC影響不明顯。

圖3 塔頂環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)隨溶劑進料位置的變化Fig.3 Changes of the mass fraction of overhead cyclohexane with feed position of the solvent

2.3 回流比對萃取精餾的影響

R變化， VS為2、3和4 g/min，其它操作參數(shù)如1.2節(jié)所示。從圖4中可以看到，VS為2 g/min時，XC在R小于2時變化非常明顯，說明R不能選的太小，R在2到3.5時，XC增幅逐漸減緩，如果再增大R，XC反而逐漸減小。這是因為R增大時回流到塔的液體量增大，這在一定程度上相當于降低了溶劑比，另一方面增大R還會使塔釜再沸器熱負荷增大，不經(jīng)濟，這些都說明R并不是越大越好。而當VS為3和4 g/min時，增大R對XC影響并不明顯，可能原因是這時的溶劑流率較大，一定范圍內(nèi)增大R并沒有明顯的降低溶劑比。

圖4 塔頂環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)隨R的變化Fig.4 Changes of the mass fraction of overhead cyclohexane with reflux ratio

2.4 溶劑流率對萃取精餾的影響

VS變化，R為2、3和4，其它操作參數(shù)如1.2節(jié)所示。從圖5可以看出，R為2、3和4時的大體趨勢相似，VS小于2.0 g/min時XC的增長可明顯的增加萃取效果，而大于2.0 g/min時，變化趨勢逐漸變緩，這時，VS對XC影響不明顯。分析知，對于固定的分離案例而言，增大VS時，XC增大效果變緩的原因是增大VS相當于降低了分離物系輕組分的初始濃度。而且同時還會明顯的增加塔釜再沸器的熱負荷（QW）。

圖5 溶劑流率對塔頂環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)的影響Fig.5 Influences of solvent rate on the mass fraction of overhead cyclohexane

2.5 塔頂餾出速率對萃取精餾的影響

VD變化，R為2、3和4，其它操作參數(shù)如1.2節(jié)所示。從圖6中可以看出，隨著VD的提高，XC不斷下降（尤其當R較小時），由此可得一定范圍內(nèi)VD是越小越好。然而，VD的減小會使收集一定的產(chǎn)品的采出時間延長，VD的增加會使QW明顯的加大。因此選擇合適的VD是比較重要的，這樣才能保證在合理的時間內(nèi)獲得較高的XC。

圖6 餾出速率對塔頂環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)的影響Fig.6 Influence of distillate rate on the mass fraction of overhead cyclohexane

2.6 溶劑進料溫度對萃取精餾的影響

TS變化，VS為2、3和4g/min，其它操作參數(shù)如1.2節(jié)所示。從圖7中可以看出，VS為2和3 g/min隨著TS的升高，XC呈下降趨勢，分析知：在極性有機溶液中，極性分子間作用力通常是氫鍵和分子間取向力，分子極性越大，取向力也越大，溫度的升高，使得分子之間的相互作用能的絕對值減小，從而造成萃取劑的選擇性下降，因此使得分離苯和環(huán)己烷的效果變差。但是當VS大時，一定程度上會彌補因溫度升高使萃取劑的選擇性下降的影響。

圖7 溶劑進料溫度對塔頂環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)的影響Fig.7 Influence of solvent feed temperature on the mass fraction of overhead cyclohexane

2.7 案例優(yōu)化

通過對間歇萃取精餾分離苯和環(huán)己烷共沸物系的各操作參數(shù)的研究，總結出一個比較可行的操作參數(shù)設置為:R為2, NS為3,VS為360 g/h,TS為20 ℃，VD為0.01 g/s，其它操作參數(shù)如1.2所示。XC可達到98%。

3 結 論

在溶劑組成一定時，本論文以苯和環(huán)己烷共沸物系作為案例分析，以XC為主要目標函數(shù)，用Aspen流程模擬全面的研究了各操作參數(shù)對間歇萃取精餾的影響。Aspen 流程模擬分析具有準確反映變化規(guī)律、節(jié)約分析時間、節(jié)約分析成本、環(huán)保等諸多優(yōu)點，還能夠為實驗進一步研究提供很好的理論依據(jù)和設計參考，發(fā)展前景非常廣闊。

［1］ 程能林.溶劑手冊[M].第3版.北京：化學工業(yè)出版社, 2002:122?197.

［2］ 白鵬，鄔慧雄，朱思強，等.萃取精餾法回收苯和環(huán)己烷的溶劑研究[J]. 天津化工，2001（2）：1-3.

［3］ 張志剛，徐世民，李鑫鋼，等.常規(guī)間歇萃取精餾分離苯-環(huán)己烷的研究[J]. 化學工程，2006，34（4）：5-8.

［4］ 楊揚. 運用過程技術提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)[J]. 化工管理,2001(1):42-43.

［5］ 解光燕，葉楓，王中博，等. 應用ASPEN模擬氨合成回路的物性方法分析[J]. 化工進展，2010，29（增刊）：481-483.

［6］ 周洋，李文秀. 間歇萃取精餾操作過程的實驗研究[J]. 化學工業(yè)與工程技術，2004，25（6）：32-34.

Flowsheet Simulation and Parameter Analysis of Separating Benzene-Cyclohexane by Batch Extractive Distillation

LI Wen-xiu, JIA Qing-bo, ZhANG Zhi-gang, LIAN Li-yan, LIU Lei
（College of Chemical Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Liaoning Shenyang 110142, China）

In the chemical industry, benzene-cyclohexane mixture is very typical binary azeotrope. In this paper, dimethylsulfoxide(DMSO) and N-methylpyrrolidone(NMP) （DMSO∶NMP=1∶3）were used as the mixed solvent, based on previous experimental validation, a BatchFrac unit operation block in ASPEN PLUS11.1 was adopted, simulation calculation of the batch extractive distillation for the separation of binary azeotropic benzene-cyclohexane mixture was carried out by choosing UNIFAC as the calculation method of physical property and by changing operation parameters. The simulation results show that the mass rate of overhead cyclohexane is up to 98%. The application of simulation calculation can provide a good theoretical basis for deep study and design reference.

ASPEN PLUS; BatchFrac; Batch extractive distillation; Operating parameters; Benzene; Cyclohexane

TQ 028.1

A

1671-0460（2012）02-0191-04

遼寧省教育廳項目，項目號：2009A584。

2011-11-28

李文秀 (1962-) , 男, 吉林遼源人，教授，博士，主要研究傳質(zhì)及新型分離技術。

張志剛 （1968-），男，教授，博士后，主要從事化工傳質(zhì)與分離的研究。E-m ail:zhg_zh@126.com。