醋酸甲酯－甲醇萃取精餾分離的模擬與優(yōu)化

呂英杰李艷娟 中石化寧波工程有限公司上海分公司 上海200030

在維尼綸生產(chǎn)中，聚醋酸乙烯醇解產(chǎn)生的廢液中含有大量的醋酸甲酯(MEAC)、甲醇(MEOH)。如何有效地分離醋酸甲酯和甲醇，使之充分回收利用，對(duì)降低聚乙烯醇裝置的生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

甲醇與醋酸甲酯形成共沸物，采用普通精餾難以達(dá)到分離效果，根據(jù)物料特性，選擇加入常用的萃取劑進(jìn)行萃取精餾。

本文應(yīng)用ASPEN PLUS軟件對(duì)醋酸甲酯－甲醇體系萃取精餾過程模擬計(jì)算，通過對(duì)理論板數(shù)、進(jìn)料位置、萃取劑用量、萃取劑溫度、回流比等因素對(duì)分離過程的影響進(jìn)行研究，旨在優(yōu)化出最佳分離參數(shù)。

1 萃取精餾原理［1］

萃取精餾是在原溶液中加入一種新組份后使原液中不同組份分離的一種特殊精餾過程。加入的新組份稱萃取劑，它不和原溶液中任一組份形成恒沸物;但萃取劑改變了原溶液中關(guān)鍵組份之間的相對(duì)揮發(fā)度，即改變了原溶液組份之間的相互作用力，構(gòu)成一個(gè)新的非理想溶液。當(dāng)被分離物系相對(duì)揮發(fā)度接近1(如醋酸甲酯－甲醇)，普通精餾難以達(dá)到分離要求，萃取精餾就成為可采取的工藝方案之一。萃取劑的沸點(diǎn)比原溶液中任一組份的沸點(diǎn)都高，將隨塔釜液排出，經(jīng)處理后萃取劑可循環(huán)使用。

2 熱力學(xué)模型選?。?，3］

萃取分離醋酸甲酯－甲醇過程中，水是一種強(qiáng)極性物質(zhì)，分子之間存在氫鍵、二分子締合、三分子締合、甲醇O－H基團(tuán)等都具有極性。由于氫鍵、締合等分子之間的作用，其液相的非理想性較大，熱力學(xué)性質(zhì)的相互依賴關(guān)系很強(qiáng)，所以選用了ASPEN PLUS中NRTL熱力學(xué)模型進(jìn)行模擬研究。

3 萃取精餾過程的模擬與優(yōu)化

以某聚乙烯醇裝置產(chǎn)生的物料為例進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)料組成見表1。

表1 進(jìn)料組成

分離要求:塔頂餾出液醋酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥93.5%，塔釜液醋酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.005%。

3.1 操作壓力的設(shè)定及初步模擬

操作壓力設(shè)定:綜合考慮被分離物料物性、加熱、冷卻介質(zhì)特性。設(shè)備費(fèi)用等，塔頂壓力設(shè)為常壓操作(0.005 MPa(G))，全塔壓力降要求30 KPa。

精餾塔模擬參數(shù)初步設(shè)定為理論板數(shù)28塊，進(jìn)料位置為第17塊塔盤，溶劑比為3.86;萃取劑溫度10℃，回流比設(shè)為0.15。

3.2 進(jìn)料位置對(duì)萃取精餾過程的影響

塔的進(jìn)料位置對(duì)于精餾過程有著重要的影響，一旦進(jìn)料位置選取不合適，形成蒸餾夾點(diǎn)，不僅浪費(fèi)塔板，增加投資，也將導(dǎo)致操作不穩(wěn)定、能耗過大等弊端。所以進(jìn)料位置的優(yōu)化至關(guān)重要。

在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分離要求、進(jìn)料狀況不變，改變氣相進(jìn)料位置，進(jìn)料位置所引起的能耗變化關(guān)系見圖1。

圖1 進(jìn)料板位置對(duì)能耗的影響

由圖1可知，當(dāng)主進(jìn)料(氣相)位置大于17塊時(shí)，能耗增加較快，小于等于17塊時(shí)，能耗基本不變。故選擇第17塊理論板作為氣相進(jìn)料位置。

進(jìn)料二流量較小，經(jīng)模擬計(jì)算表明，進(jìn)料位置對(duì)結(jié)果影響不大，模擬過程在此不做特別說明。

3.3 理論板數(shù)的確定

塔板數(shù)是精餾塔設(shè)計(jì)考慮的重要因素。在進(jìn)料狀況不變、進(jìn)料位置優(yōu)化前提下，精餾塔理論板數(shù)N分別取16，18，20，22，24，28，30，32，34幾種方案進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果中各種理論板數(shù)N與所對(duì)應(yīng)的回流比R關(guān)系見圖2。

圖2 塔板數(shù)對(duì)回流比的影響

由圖2可知，在進(jìn)料狀況和溶劑比不變的情況下，當(dāng)理論板數(shù)大于28塊時(shí)，單純?cè)黾永碚摪鍞?shù)對(duì)回流比的降低已不明顯;當(dāng)塔板數(shù)小于28塊時(shí)，隨塔板數(shù)減少回流比迅速增大。

塔板數(shù)過多會(huì)造成一次性投資的浪費(fèi);而回流比的增大對(duì)分離效果會(huì)造成直接影響，同時(shí)，回流比的增大，熱負(fù)荷也會(huì)顯著增大，造成后期運(yùn)行資源浪費(fèi)。因此，選擇適宜的塔板數(shù)、達(dá)到一個(gè)最佳的、經(jīng)濟(jì)的平衡點(diǎn)是精餾分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

綜上所述，建議采用理論塔板數(shù)N=28(包括冷凝器和再沸器)為宜。

3.4 溶劑比對(duì)分離效果的影響

萃取精餾與普通精餾的最大區(qū)別就在于萃取精餾是通過萃取劑的加入達(dá)到分離要求的，所以最優(yōu)萃取劑量的選取至關(guān)重要。

進(jìn)料狀況不變，理論板數(shù)N=28，氣相進(jìn)料位置F=17，液相進(jìn)料F=8，回流比R=0.15，萃取劑水溫t=10℃，改變?nèi)軇┯昧浚M(jìn)料位置對(duì)分離效果的影響見圖3和圖4。

圖3 溶劑比對(duì)餾出液MEAC的影響

圖4 溶劑比對(duì)釜液MEAC的影響

從圖3和圖4可知，隨著溶劑量的增大，餾出液中MEAC含量增加，塔釜液MEAC含量降低，即分離效果變好。這是因?yàn)殡S著溶劑比的增大，塔板上萃取劑的濃度增大，輕、重組份的相對(duì)揮發(fā)度增大。所以，增加萃取劑用量有利于醋酸甲酯與甲醇更有效的分離。但是當(dāng)溶劑量增大到一定程度時(shí)，隨著溶劑量的繼續(xù)增大，曲線的變化趨于平緩，即分離效果增加的幅度減小。而且溶劑比過大，會(huì)造成塔釜熱負(fù)荷過大;同時(shí)，后續(xù)處理量都相應(yīng)加大，造成能耗過高，對(duì)生產(chǎn)不利，故按圖3溶劑比(摩爾比)取3.86，合理的萃取劑用量為65518.2kg/h。

3.5 萃取劑溫度對(duì)分離效果的影響

同其它參數(shù)一樣，萃取劑的溫度對(duì)于萃取精餾工藝的影響也非常大。

在進(jìn)料狀況、分離要求、理論板數(shù)等不變前提下，僅僅改變萃取劑溫度，對(duì)回流比的影響見圖5。

圖5 萃取劑溫度對(duì)回流比的影響

由圖5可知，萃取劑溫度降低，回流比減小，這是由于加入萃取劑后，塔頂溫度欲維持在60℃，塔頂必須有一部分氣相物料被冷凝，放出潛熱，使萃取劑溫升至60℃;冷凝的這一部分液體，叫做內(nèi)回流。內(nèi)回流形成過程中，沸點(diǎn)較高的甲醇較沸點(diǎn)較低的醋酸甲酯更易被冷凝。隨著萃取劑溫度的降低，將萃取劑加熱至沸點(diǎn)所需的熱量越多，水蒸汽和甲醇蒸氣就會(huì)更多的被冷凝，醋酸甲酯則相對(duì)更多的從塔頂餾出，這樣分離效果在不需要太高回流比的情況下就能達(dá)到。

從圖中曲線還可看到，當(dāng)溫度低于10℃時(shí)，萃取劑溫度變化對(duì)回流比影響不再明顯，而在工業(yè)生產(chǎn)中，萃取劑溫度越低，在預(yù)冷萃取劑過程中需要提供更多的冷量，不利于生產(chǎn)。所以，萃取劑溫度宜采用10℃。

3.6 回流比對(duì)分離效果的影響

回流比不僅關(guān)系到塔的正常運(yùn)行，而且關(guān)系到初期投資和后期運(yùn)行的費(fèi)用。普通精餾中，回流比R越大，分離效果越好，所需理論塔板數(shù)越少;但萃取精餾不同，以下將通過計(jì)算尋求最佳回流比。

其他參數(shù)不變，僅僅改變回流比，對(duì)分離效果的影響見圖6。

圖6 回流比對(duì)餾出液MEOH的影響

由圖6可知，隨著回流比的增大，餾出液中MEOH的含量增大，分離效果變差。這主要是因?yàn)檩腿【s中回流比R的大小直接影響到塔內(nèi)各板上萃取劑的濃度，萃取劑進(jìn)料量不變情況下，隨著回流比的增大，塔板上萃取劑的濃度降低，使輕、重組分間的相對(duì)揮發(fā)度減小，不利于二者有效地分離。另一方面，當(dāng)回流比過小時(shí)就達(dá)不到分離要求，回流比過小時(shí)，塔內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)正常工作。因此，回流比取 0.1～0.2為宜，本文取0.15。

3.7 萃取精餾模擬計(jì)算結(jié)果

通過上述各項(xiàng)參數(shù)模擬計(jì)算，優(yōu)化操件條件為:理論板數(shù)N=28(包括冷凝器和再沸器)，氣相(露點(diǎn)進(jìn)料)進(jìn)料位置F=17，溶劑比S=3.86(溶劑量65518.2 kg/h)，萃取劑溫度t=10℃，操作回流比R控制在0.10～0.20之間(本文取0.15)。此時(shí)，塔頂餾出液溫度57.9℃，塔釜液溫度94.6℃，塔頂餾出液和塔釜液均能達(dá)工藝分離要求。

在上述條件下，萃取精餾塔內(nèi)各板液相、氣相組分組成分布及塔板溫度分布分別見圖7，圖8和圖9。

圖7 萃取精餾塔內(nèi)各塔板上液相組成

圖8 萃取精餾塔內(nèi)各塔板上氣相組成

圖9 萃取精餾塔內(nèi)溫度沿塔板分布

4 結(jié)語

采用ASPEN PLUS流程模擬軟件，對(duì)醋酸甲酯－甲醇體系萃取精餾過程進(jìn)行模擬研究。模擬優(yōu)化結(jié)果:理論板數(shù)N=28，氣相進(jìn)料位置F=17，溶劑比S=3.86，萃取劑溫度t=10℃，操作回流比R控制在0.10～0.20之間(本文取0.15)。此時(shí)，塔頂餾出液溫度57.9℃，塔釜液溫度94.6℃，塔頂餾出液和塔釜液均能達(dá)工藝分離要求。模擬結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)研究、工業(yè)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)均具有參考意義。

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