萃取精餾分離乙醇-水混合物模擬

王明 馮立品 朱仁發(fā)

摘要：在Aspen Plus軟件中，利用甘油為萃取劑，對乙醇-水混合物的萃取精餾分離進(jìn)行模擬計算，確定了萃取精餾塔和溶劑回收塔的餾出比，理論板數(shù)，進(jìn)料位置，回流比以及溶劑比等最優(yōu)工藝條件.結(jié)果表明，甘油可以較好地實現(xiàn)乙醇和水的分離.在最優(yōu)操作條件下，萃取精餾塔頂乙醇的含量高達(dá)99.84%，整個萃取精餾過程中，乙醇的回收率高達(dá)99.71%.

關(guān)鍵詞：Aspen Plus;萃取精餾;模擬

中圖分類號：TQ028? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）06-0029-03

無水乙醇，一般指質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99%的乙醇，是許多化工產(chǎn)品的基本原料，它廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工和制藥領(lǐng)域[1-2].另外，無水乙醇與汽油還可以形成汽油醇這一穩(wěn)定混合物，汽油醇可以被用作汽車的環(huán)保燃料.當(dāng)前，我國無水乙醇的需求量在500萬t/a，那么研究乙醇-水體系的分離就顯得至關(guān)重要.常壓下，乙醇與水為共沸體系，無法通過普通精餾來實現(xiàn)乙醇與水高純度分離.目前文獻(xiàn)報道生產(chǎn)無水乙醇的方法大致有以下幾種：萃取精餾法、共沸精餾法、膜分離法、分子篩吸附脫水法、加鹽萃取精餾法等[3-6].其中，萃取精餾法制取無水乙醇具有無污染、能耗低、設(shè)備簡單、操作方便等優(yōu)點[7]而備受關(guān)注.本文以甘油為萃取劑，在Aspen Plus軟件中對乙醇-水溶液的分離過程進(jìn)行模擬和優(yōu)化.

1 萃取精餾模型建立

1.1 萃取劑

我們采用Aspen Plus軟件中的Flash2模塊，來考察甘油作為萃取劑對乙醇-水體系相對揮發(fā)度的影響如下表1所示.

由表1可以看出，無萃取劑時，乙醇-水體系的相對揮發(fā)度接近于1，表示該體系屬于恒沸物系，不能通過常規(guī)精餾進(jìn)行分離.而當(dāng)加入甘油時，乙醇-水相對揮發(fā)度為2.8，其數(shù)值發(fā)生顯著變化，說明甘油作為萃取劑能夠較好地分離乙醇-水體系.

1.2 工藝流程

甘油萃取精餾分離乙醇-水混合物的工藝流程如下圖1所示.乙醇水混合物從萃取精餾塔（T1，下同）的下部進(jìn)入塔中，萃取劑甘油從T1塔的上部進(jìn)入塔內(nèi).T1塔頂產(chǎn)品是無水乙醇，塔釜中的水和甘油進(jìn)入萃取劑回收塔（T2，下同）中繼續(xù)精餾分離.T2塔頂主要產(chǎn)出水，塔釜得到的高濃度甘油與新鮮補充的甘油混合后進(jìn)入T1中循環(huán)使用.

1.3 物性方法選擇

Aspen Plus在進(jìn)行模擬計算時，選擇一個準(zhǔn)確的熱力學(xué)方程至關(guān)重要.對于本文中乙醇-水體系，采用NRTL方程計算活度系數(shù)，RK方程計算逸度系數(shù).因此，物性方法選擇熱力學(xué)模型NRTL-RK.

1.4 模擬條件

本文的模擬條件為：原料液為乙醇含量95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的水溶液，進(jìn)料流量為5000kg/h，甘油作為萃取劑，原料和萃取劑都在飽和液體條件下進(jìn)料，整個萃取精餾過程在常壓下進(jìn)行，要求產(chǎn)品為純度大于99.5%的無水乙醇，并且要求乙醇的回收率不低于99%.賦予兩塔運算初值如下表2所示.

2 結(jié)果及討論

2.1 萃取精餾塔的優(yōu)化

2.1.1 塔頂餾出比的影響

塔頂餾出比對T1塔頂、塔底乙醇含量和T2塔頂水含量的影響如下圖2所示.

從圖2可以看出，餾出比對萃取精餾塔的分離效果有著重要影響，餾出比越大，塔頂產(chǎn)品采出量越大，但要綜合考慮塔頂產(chǎn)品純度.當(dāng)餾出比小于0.6時，隨著餾出比的增加，T1塔頂乙醇含量和T2塔頂水含量緩慢增加，T1塔底乙醇含量逐漸降低.當(dāng)餾出比大于0.6時，兩塔塔頂產(chǎn)品含量顯著下降.因此，綜合考慮塔頂產(chǎn)品純度以及塔頂采出量，T1塔較適宜的餾出比選擇0.6.

2.1.2 理論板數(shù)的影響

在其他模擬條件不變，T1塔頂餾出比0.6時，改變理論板數(shù)，其模擬結(jié)果如下圖3所示.

由圖3可知，在理論板數(shù)2～30時，兩塔塔頂產(chǎn)品含量隨著理論板數(shù)的增大均逐漸增大，T1塔底乙醇含量逐漸減小，這是由于理論板數(shù)越多越有利于分離.但設(shè)備制造費也會隨之增加.因此T1塔較適宜的理論板數(shù)選擇為30塊.

2.1.3 原料液進(jìn)料位置的影響

在相同條件下，進(jìn)料位置不同，對分離效果產(chǎn)生不同影響.其他條件不變，T1塔餾出比0.6，理論板數(shù)為30，改變原料液進(jìn)料位置，其模擬結(jié)果如下圖4所示.

圖4結(jié)果表明，兩塔塔頂產(chǎn)品含量隨著進(jìn)料位置的下移均先逐漸增大而后降低，T1塔底乙醇含量先逐漸減小而后緩慢增大.當(dāng)進(jìn)料位置為第26塊板時，兩塔塔頂產(chǎn)品含量取得最大值，T1塔底乙醇含量取得最小值.所以，原料液選擇從第26塊板進(jìn)料.

2.1.4 萃取劑進(jìn)料位置的影響

萃取劑的進(jìn)料位置也是影響精餾分離效果的重要因素之一.一般情況下，萃取劑從塔的上部加入，與原料液進(jìn)行逆流接觸.其他模擬條件不變，T1塔餾出比0.6，30塊理論板，原料液從第26塊板進(jìn)料，改變萃取劑甘油的進(jìn)料位置，其模擬結(jié)果如下圖5所示.

從圖5可以看出，萃取劑進(jìn)料位置為第2塊板時，分離效果最好，T1塔頂乙醇含量與T2塔頂水含量均最高，T1塔底乙醇含量最低.因此，綜合考慮，萃取劑選擇從第2塊板進(jìn)料.

2.1.5 回流比的影響

回流比是影響精餾分離效果的重要因素之一，塔頂產(chǎn)品的純度可以通過調(diào)節(jié)回流比來進(jìn)行調(diào)節(jié).其他模擬條件不變，T1塔餾出比0.6，30塊理論板，原料液從第26塊板進(jìn)料，萃取劑從第2塊板進(jìn)料，其模擬結(jié)果如下圖6所示.

由圖6可知，當(dāng)回流比小于1.5時，回流比對三者含量影響較大，當(dāng)回流比大于1.5時，三者含量都幾乎沒有變化.一般情況下回流比越大，分離效果越好，但是回流比越大，能耗也會隨之增大，因此綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，回流比選擇為1.5.

2.1.6 溶劑比的影響

萃取劑與原料液的進(jìn)料質(zhì)量流量之比叫作溶劑比.其他模擬條件不變，T1塔餾出比0.6，30塊理論板，原料液從第26塊板進(jìn)料，萃取劑從第2塊板進(jìn)料，回流比為1.5，其模擬結(jié)果如下圖7所示.

從圖7可以看出，兩塔塔頂產(chǎn)品含量均隨著溶劑比的增大先增大而后降低.當(dāng)溶劑比為0.8時，T2塔頂水含量達(dá)到最大值，但T1塔底乙醇含量仍然較大，塔底的乙醇會進(jìn)入T2塔，這會降低乙醇的回收率.當(dāng)溶劑比為1.0時，T1塔底乙醇含量最低，兩塔塔頂產(chǎn)品含量較高，因此，綜合考慮塔頂乙醇含量與乙醇回收率，溶劑比選擇1.0.

2.2 溶劑回收塔的優(yōu)化

溶劑回收塔的優(yōu)化同萃取精餾塔一樣，以T2塔頂水含量為目標(biāo)值，在T1塔的最優(yōu)操作條件下，依次對T2塔頂餾出比，理論板數(shù)，進(jìn)料位置，回流比作靈敏度分析，得到T2塔最佳的工藝參數(shù)：T2塔頂餾出比0.2，理論板數(shù)為9，進(jìn)料位置為第8塊板，回流比1.0.

2.3 全流程運算

在全流程運行下，萃取劑大部分通過T2塔底循環(huán)至T1塔中使用，僅有少量萃取劑隨著T1塔頂以及T2塔頂產(chǎn)品蒸出，為了保證萃取精餾的分離效率，必須補充少量新鮮的萃取劑.在最優(yōu)操作參數(shù)下，通過Aspen Plus中計算器模塊計算得出新鮮補充萃取劑量僅為0.4397kg/h.加上補充新鮮萃取劑進(jìn)行全流程運算，運算結(jié)果如表4所示.T1塔頂乙醇純度高達(dá)99.84%，T2塔頂水的純度高達(dá)94.71%，整個萃取精餾過程中，乙醇回收率高達(dá)99.71%，滿足分離要求.

3 結(jié)論

在Aspen Plus軟件中，以甘油為萃取劑，基于NRTL-RK熱力學(xué)模型，對萃取精餾過程進(jìn)行模擬計算，模擬結(jié)果表明甘油可以較好地實現(xiàn)乙醇與水的分離，無水乙醇的純度高達(dá)99.84%，整個萃取精餾過程中，乙醇回收率高達(dá)99.71%，滿足分離要求.

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