連續(xù)萃取精餾分離環(huán)己烯-環(huán)己烷的模擬與優(yōu)化

鄧麗雪，董佃濱，姜榮泉，史勇春

連續(xù)萃取精餾分離環(huán)己烯-環(huán)己烷的模擬與優(yōu)化

鄧麗雪1，董佃濱1，姜榮泉1，史勇春2

（1. 山東科院天力節(jié)能工程有限公司，山東 濟南 250101； 2. 山東天力能源股份有限公司，山東 濟南 250101）

利用化工流程模擬軟件Aspen Plus V8.6，以N, N-二甲基乙酰胺為萃取劑對環(huán)己烯-環(huán)己烷體系進行萃取精餾模擬及優(yōu)化。通過靈敏度分析工具確定了環(huán)己烯萃取精餾塔的最佳工藝操作參數(shù)為：全塔采用74塊理論板數(shù)，萃取劑進料位置在17塊理論板，原料進料位置在第40塊理論板，回流比為12.8，溶劑比為7.6，此時環(huán)己烯分離塔頂環(huán)己烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1.5%，萃取劑N, N-二甲基乙酰胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.002 1%，塔釜環(huán)己烯回收率≥99.7%，滿足工藝分離要求。對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化，優(yōu)化后系統(tǒng)能耗降低了約9.6%。

模擬； 萃取精餾； 環(huán)己烯； 環(huán)己烷

環(huán)己醇是一種優(yōu)良的中高沸點的重要化工原料，主要用于生產(chǎn)己二酸、己內(nèi)酰胺和聚酰胺66，是酰胺類產(chǎn)品不可缺少的重要中間體[1]，同時也可用作油漆、蟲膠、消毒劑、殺菌劑等領(lǐng)域。環(huán)己醇的生產(chǎn)按原料的不同可以分為苯和苯酚兩種路線。目前世界上生產(chǎn)環(huán)己醇主要以苯路線為主導(dǎo)，苯路線因中間工藝不同又分為環(huán)己烷氧化法和環(huán)己烯水合法。環(huán)己烯水合法[2]是日本旭化成公司開發(fā)出來的新工藝路線，通過苯部分加氫得到環(huán)己烯[3-5]，進而由環(huán)己烯水合得到環(huán)己醇。此生產(chǎn)方法具有能耗低、更安全、產(chǎn)品品質(zhì)高、副產(chǎn)品少、三廢排放低等優(yōu)點，已經(jīng)成為目前工業(yè)生產(chǎn)環(huán)己醇的主流生產(chǎn)方法。其中環(huán)己烯水合法制環(huán)己醇的一道重要工序就是需要將環(huán)己烯與環(huán)己烷進行分離，得到高純度環(huán)己烯。

常壓下，環(huán)己烯、環(huán)己烷的沸點分別是83 ℃、80.7 ℃，二者沸點接近，普通精餾很難使其完全分離，需要特殊的精餾方法如共沸精餾、萃取精餾等[6-9]。與共沸精餾相比，萃取精餾能耗小，操作靈活，常用來解決分離近沸點和恒沸物系工藝帶來的實際操作或經(jīng)濟上的問題。目前工業(yè)上通常以N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）為萃取劑的萃取精餾方法分離環(huán)己烯-環(huán)己烷，但是實際生產(chǎn)中存在溶劑比大、回流比大、能耗高等問題。本文利用化工流程模擬軟件Aspen Plus V8.6對環(huán)己烯-環(huán)己烷進行模擬及優(yōu)化，確定最佳工藝操作條件，有效降低裝置能耗，為實際工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 Aspen Plus模型建立

1.1 工藝流程

連續(xù)萃取精餾分離環(huán)己烯-環(huán)己烷工藝流程如圖1所示。其中T1塔為環(huán)己烯萃取精餾塔，萃取劑為DMAC，在塔上部加入；原料為環(huán)己烯和環(huán)己烷的混合液，在塔的中部加入。在T1塔頂部得到符合產(chǎn)品純度的環(huán)己烷產(chǎn)品，塔釜得到DMAC和環(huán)己烯混合物進入環(huán)己烯精制塔（T2）。在T2塔頂?shù)玫郊兌容^高的環(huán)己烯產(chǎn)品，塔釜得到DMAC。DMAC經(jīng)過冷卻器（HEATER）冷卻后通過泵（P）加壓后送入混合器（MIX）與新鮮萃取劑（DMAC1）混合后進入T1塔循環(huán)使用。

本模擬以T1塔為主要研究對象，利用化工流程模擬軟件Aspen Plus V8.6對環(huán)己烯-環(huán)己烷體系進行模擬及優(yōu)化，確定最佳操作參數(shù)，為實際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

圖1 連續(xù)萃取精餾分離環(huán)己烯-環(huán)己烷的工藝流程圖

1.2 原料組成

環(huán)己烯萃取精餾塔模擬操作條件詳見表1。

表1 環(huán)己烯萃取精餾塔工藝模擬操作條件

1.3 分離要求

環(huán)己烯萃取精餾塔分離要求為塔頂環(huán)己烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1.5%，DMAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.002 1%；塔釜環(huán)己烯回收率≥99.7%。

2 結(jié)果與分析

2.1 理論板數(shù)的影響

理論上理論板數(shù)越多分離效果越好，但是理論板數(shù)的增加又導(dǎo)致設(shè)備投資費用的增大，造成資源浪費。因此選用合理的理論板數(shù)至關(guān)重要。保持其他條件不變，通過靈敏度分析（Sensitivity），考察理論板數(shù)對分離結(jié)果的影響。模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 理論板數(shù)對分離結(jié)果的影響

由圖2可知，塔頂環(huán)己烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著理論板數(shù)的增加而減小，塔頂DMAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著理論板數(shù)的增加而增大。當(dāng)理論板數(shù)增加到74塊時，塔板數(shù)的增加對分離結(jié)果的影響不再顯著，此時均滿足分離要求。綜合考慮最佳理論板數(shù)選取為74塊。

2.2 萃取劑進料位置的影響

在萃取精餾中，萃取劑進料位置對分離結(jié)果有著較大的影響。理論上萃取劑進料位置越高越好，使萃取劑在塔內(nèi)的每塊板上都有一定的液相，與上升蒸汽接觸，改變組分間的相對揮發(fā)度，分離效果越好。但是還應(yīng)保證塔頂輕組分中不含或僅含有微量萃取劑，所以塔頂還需要留出幾塊塔板回收萃取劑[6]。在采用74塊理論板數(shù)，其他操作參數(shù)不變的情況下，通過靈敏度分析（Sensitivity），考察萃取劑進料位置對分離結(jié)果的影響。模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 萃取劑進料位置對分離結(jié)果的影響

由圖3可知，塔頂環(huán)己烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著萃取劑進料位置的增加而增加，塔頂DMAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著萃取劑進料位置的增加而減小。當(dāng)萃取劑進料位置大于17塊板時，萃取劑進料位置的增加對塔頂DMAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不再顯著，而塔頂環(huán)己烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇增加。綜合考慮選取第17塊理論板為萃取劑最佳進料位置。

2.3 原料進料位置的影響

原料進料位置影響精餾塔內(nèi)的氣液相平衡，從而影響分離效果。在全塔采用74塊理論板數(shù)，萃取劑進料位置為17塊板時，其他操作參數(shù)不變的情況下，通過靈敏度分析（Sensitivity），考察原料進料位置對分離結(jié)果的影響。模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 原料進料位置對分離結(jié)果的影響

由圖中4可知，隨著原料進料位置的增大，塔頂環(huán)己烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)是先減小后增大的過程，當(dāng)進料位置在40塊塔板時，環(huán)己烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到最小值；同時塔頂DMAC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是先增大后減小的過程，當(dāng)進料位置在40塊塔板時，DMAC滿足分離要求。綜合考慮選取第40塊板為原料最佳進料位置。

2.4 回流比的影響

回流比是影響精餾塔操作費用和投資費用的重要因素，對于一定的分離任務(wù)而言，應(yīng)選擇適宜的回流比。在全塔采用74塊理論板數(shù)，萃取劑進料位置為17塊板，進料位置在40塊塔板，其他操作參數(shù)不變的情況下，通過靈敏度分析（Sensitivity），考察回流比對分離結(jié)果的影響。模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 回流比對分離結(jié)果的影響

由圖5可知，隨著回流比的增大，塔頂環(huán)己烯和DMAC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)出下降趨勢，說明增大回流比利于混合體系的分離。另一方面增大回流比會使再沸器熱負(fù)荷增大，同時設(shè)備尺寸變大，增加了精餾塔的操作費用和設(shè)備制造費用。在滿足分離要求的條件下，綜合考慮選取最佳回流比為12.8。

2.5 溶劑比的影響

在萃取精餾中，萃取劑的加入可改變輕重組分的相對揮發(fā)度，使分離更容易進行。理論上萃取劑越多，輕重組分的相對揮發(fā)度越大，物料越容易分離。但是萃取劑的增加會使再沸器熱負(fù)荷增大，塔板效率下降等不利影響。而且萃取劑的回收也需要消耗更多能量，導(dǎo)致能耗和生產(chǎn)成本的增加。因此選取合適的溶劑比非常重要。在全塔采用74塊理論板，萃取劑進料位置為17塊板，進料位置在40塊塔板，回流比為12.8時，通過靈敏度分析（Sensitivity），考察溶劑比對分離結(jié)果的影響。模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 溶劑比對分離結(jié)果的影響

由圖6可知，塔頂環(huán)己烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著溶劑比的增加而減小，塔頂DMAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著溶劑比的增加而增大。當(dāng)溶劑比增大到7.2時，二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢趨于平穩(wěn)，均滿足分離要求，故確定最佳溶劑比為7.2。

3 優(yōu)化后的能耗分析

在滿足分離要求的條件下，改變?nèi)軇┍群突亓鞅?，得到環(huán)己烯萃取精餾塔能耗見表2。

表2 環(huán)己烯萃取精餾塔能耗對比

由表3可知，萃取精餾塔再沸器熱負(fù)荷與優(yōu)化前相比節(jié)約了約9.6%的能耗，可有效降低精餾塔的操作成本，提高經(jīng)濟效益。

4 結(jié) 論

本文利用化工流程模擬軟件Aspen Plus V8.6，以DMAC為萃取劑對環(huán)己烯-環(huán)己烷進行模擬與優(yōu)化，得到了環(huán)己烯萃取精餾塔的最佳操作參數(shù)，為實際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)，具體分析結(jié)果如下：

1）全塔理論板數(shù)為74塊，萃取劑（DMAC）進料位置為17塊塔板，原料進料位置為40塊塔板，回流比為12.8，溶劑比為7.2時，環(huán)己烯萃取精餾塔頂環(huán)己烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1.5 %，萃取劑（DMAC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.002 1%，塔釜環(huán)己烯回收率≥99.7%，滿足分離要求。

2）與傳統(tǒng)工藝相比，在優(yōu)化后回流比為12.8，溶劑比為7.2時，能耗降低了約9.6%，可有效降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。

［1］田愛國. 苯部分加氫工藝生產(chǎn)環(huán)己醇[J]. 化工進展, 2003, 22（5）：529-532.

［2］MISONO M, INUI T. New catalytic technologies in Japan[J]., 1999, 51 (3-4): 369-375.

［3］STRUIJK, D’ANGREMOND M, LUCAS-DE REGET W J M, et al. Partial liquid phase hydrogenation of benzene to cyclohexene over ruthenium catalysts in the presence of an aqueous salt solution: I. Preparation, characterization of the catalyst and study of processvariables[J].:.1992, 83 (2): 263-295.

［4］STRUIJK J, MOENE R, SCHOLTEN J J F , et al. Partial liquid- phase hydrogenation of benzene over ruthenium catalysts in the presence of an aqueous salt solution: II. Influence of various salts on the performance of the catalyst[J].:.1992, 89 (1): 77-102.

［5］單祥雷. 環(huán)己烯水合制備環(huán)己醇 [D]. 上海, 華東理工大學(xué), 2011.

［6］佟瑞鑫,米萬良,樂愷，等. 苯-環(huán)己烯-環(huán)己烷物系的萃取精餾工藝模擬及優(yōu)化[J]. 天然氣化工（C1化學(xué)與化工）, 2013, 38(6):54-58.

［7］翟建,劉育良,李魯閩，等. 萃取精餾分離苯/環(huán)己烷共沸體系模擬與優(yōu)化[J]. 化工學(xué)報, 2015, 66 (9): 3570-3579.

［8］YIN W, DING S, XIA S, et al. Cosolvent selection for benzene- cyclohexane separation in extractive distillation[J].2010, 55 (9): 3274-3277.

［9］唐建可, 翟麗軍. 分壁式萃取精餾分離環(huán)己烷-環(huán)己烯的模擬與優(yōu)化[J]. 現(xiàn)代化工, 2018, 38 (5): 215-218.

Simulation and Optimization of Continuous Extractive Distillation Process for Separation of Cyclohexene and Cyclohexane System

1,1,1,2

（1. Shandong Keyuan Tianli Energy Saving Engineering Co., Ltd., Shandong Jinan 250101, China; 2. Shandong Tianli Energy Co., Ltd., Shandong Jinan 250101, China）

Aspen Plus V8.6 chemical process simulation software was used to simulate and optimize the process of extractive distillation for cyclohexene and cyclohexane system with dimethylacetamide as extractant. The optimal condition for the cyclohexene extractive column was determined as follows by using sensitivity analysis module: the theoretical stage number 74, the extractant feed stage 17, the mixture feed stage 40, the reflux ratio 12.8, the mass ratio of extractant to mixture 7.6. Under above condition, the mass fraction of cyclohexene on the top of cyclohexene separation column wasless than 1.5%, the mass fraction of dimethylacetamide wasless than 0.0021%, and the recovery rate of cyclohexene on the bottom of the column was more than 99.7%. The energy consumption of the system was reduced by 9.6% after the optimization.

Aspen Plus simulation; Extractive distillation; Cyclohexene; Cyclohexane

2020-03-18

鄧麗雪（1983-），女，中級工程師，碩士，山東聊城人，2010年畢業(yè)于南開大學(xué)無機化學(xué)專業(yè)，研究方向：從事化工工程設(shè)計工作。

TQ028.3

A

1004-0935（2020）07-0840-04