利用Aspen Plus模擬分離乙醇-水體系的研究

(上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 ， 上海 201620)

乙醇在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、生活用品等方面都有著非常廣泛的應(yīng)用，還可用于制造各種工業(yè)產(chǎn)品，并由此制造出醫(yī)藥、染料、涂料等產(chǎn)品的中間產(chǎn)物[1]。無水乙醇的需求量日益增加，目前大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)無水乙醇使用較多的方法是萃取精餾，而傳統(tǒng)的萃取精餾需要加入大量萃取劑才能夠制得較純的無水乙醇產(chǎn)物，成本高、流程繁瑣。本次模擬采用加堿萃取精餾，將適當(dāng)?shù)膲A類加入到萃取劑中可以增大無水乙醇產(chǎn)率[2]。本文向乙二醇中加入KOH和NaOH，探究加堿萃取后塔頂乙醇質(zhì)量分率的變化規(guī)律，得出制取無水乙醇的最佳條件。

1 模擬設(shè)計(jì)

本研究使用Aspen Plus軟件進(jìn)行模擬。AspenPlus是一個(gè)工業(yè)通用制造流程設(shè)計(jì)模擬系統(tǒng)，其擁有工業(yè)上最齊全的物性系統(tǒng)，算法合理，模塊完善，功能齊全，能預(yù)測(cè)運(yùn)行流程的操作參數(shù)和設(shè)備參數(shù)等[3-4]。模擬開始時(shí)建立的工藝?yán)碚摿鞒虉D如圖1所示。

圖1 模擬流程圖

本文研究回流比、乙醇進(jìn)料分率、萃取劑含堿量對(duì)塔頂乙醇質(zhì)量分率的影響。回流比大小影響設(shè)備成本和產(chǎn)率[5]。將FEED流股參數(shù)設(shè)置為20 ℃，壓力0.1 MPa，總流率設(shè)置為100 kg/h，進(jìn)料乙醇質(zhì)量分率為90%；SOLVENT流股的參數(shù)設(shè)置為20 ℃，壓力0.1 MPa，總流率設(shè)置為100 kg/h，萃取劑為乙二醇+KOH。模擬開始前先對(duì)T1進(jìn)行靈敏度分析。確認(rèn)最佳塔板數(shù)為16，萃取劑的進(jìn)料位置為塔頂上方3號(hào)塔。下面以乙醇進(jìn)料分率90%，萃取劑為10%KOH+90%乙二醇，回流比為2∶1為例演示模擬流程，具體設(shè)置如圖2所示。

圖2 T1部分參數(shù)

模擬結(jié)果如表1所示。

表1 模擬結(jié)果

2 模擬數(shù)據(jù)及分析

本文使用75%、85%、90%三種不同乙醇進(jìn)料分率，萃取劑選擇乙二醇，萃取劑含堿量10%、15%、20%，加入的堿為NaOH和KOH，回流比為1∶1、2∶1、3∶1依次進(jìn)行模擬，研究不同條件對(duì)塔頂乙醇質(zhì)量分率的影響。

2.1 回流比對(duì)產(chǎn)物分率的影響

當(dāng)乙醇進(jìn)料分率為90%，萃取劑含堿量為10%時(shí)，調(diào)整回流比的大小做3次模擬。模擬結(jié)果如表2所示。

表2 回流比對(duì)產(chǎn)物分率的影響

由表2可知，隨著回流比的增大，塔頂乙醇分率先增大再減小，得最佳回流比為2∶1，當(dāng)萃取劑中堿為KOH時(shí)，萃取效果比使用NaOH好。

2.2 萃取劑含堿量對(duì)產(chǎn)物分率的影響

當(dāng)乙醇進(jìn)料質(zhì)量分率為90%，回流比確定為2∶1時(shí)，調(diào)整萃取劑含堿量做3次模擬。模擬結(jié)果如表3所示。

表3 萃取劑含堿量對(duì)產(chǎn)物分率的影響

由表3可知，隨著萃取劑含堿量的增加塔頂乙醇分率降低，當(dāng)堿為NaOH時(shí)含堿量的增加對(duì)乙醇質(zhì)量分率的影響較大，而KOH則較為平緩，且得出的乙醇分率都較高，在99%以上。

2.3 乙醇進(jìn)料分率對(duì)產(chǎn)物分率的影響

當(dāng)回流比為2∶1，萃取劑含堿量為10%時(shí)，調(diào)整乙醇進(jìn)料分率做3次模擬。模擬結(jié)果如表4所示。

表4 乙醇進(jìn)料分率對(duì)產(chǎn)物分率的影響

由表4可知，塔頂乙醇分率隨乙醇進(jìn)料分率的增加而增加，兩者成正比關(guān)系，萃取劑中堿為KOH時(shí)比NaOH萃取效果更好，產(chǎn)物分率最高可達(dá)99.66%。

分析以上模擬和數(shù)據(jù)，當(dāng)回流比為2∶1時(shí)萃取效率最高，曲線變化趨勢(shì)為先升后降。當(dāng)萃取劑為10%堿+90%乙二醇時(shí)，得出的產(chǎn)物質(zhì)量分率都較大，達(dá)99%以上，KOH和NaOH的分離效果都比較好，KOH所萃取出的乙醇分率稍大于NaOH。當(dāng)含堿量增加時(shí)，NaOH的萃取曲線下滑較明顯，而對(duì)KOH的分離效果影響不大，產(chǎn)物分率均處在99%以上。乙醇進(jìn)料分率和產(chǎn)物分率成正比關(guān)系，任何條件下KOH的萃取效率都優(yōu)于NaOH。通過本次模擬結(jié)果可知，加堿萃取無水乙醇的最佳參數(shù)是回流比2∶1，乙醇進(jìn)料分率90%，萃取劑為10%KOH+90%乙二醇，該條件下塔頂產(chǎn)物質(zhì)量分率為99.66%。

3 結(jié)論及展望

本文利用Aspen Plus軟件模擬加堿萃取精餾乙醇-水體系的完整流程，得出以下結(jié)論：①在萃取劑中加堿能夠提高萃取效果，增大乙醇產(chǎn)率；②在特定的含堿量和乙醇進(jìn)料分率條件下，能夠制得99.5%質(zhì)量分率以上的無水乙醇；③KOH萃取效果明顯好于NaOH；④雙塔流程可回收大部分萃取劑再利用，在增大萃取效果的同時(shí)，降低成本和環(huán)境污染。加堿萃取精餾萃取效率高，節(jié)能環(huán)保，在化工生產(chǎn)中有廣闊的發(fā)展空間。