萃取精馏分离异丙醇_水共沸体系的模拟与优化

继 续 教 育 收稿日期：2009-07-01 作者简介：朱登磊（1980-），男，河南开封人，硕士，讲师，主要从事传 质与分离，工业三废的处理工作。 文章编号：1002-1124（2009）10-0013-05 Sum 169 No.10 化 学 工 程 师 Chemical Engineer 2009年第 10期 异丙醇 (IPA)是一种重要的有机化工原料和有 机溶剂，主要用在制药、化妆品、塑料、香料、涂料及 电子工业上[1 ]。异丙醇一般通过丙烯水合法得到，再 用蒸馏法蒸出异丙醇，但常压下异丙醇与水在 80. 3 ℃时形成共沸物，共沸物中异丙醇质量分数为 87. 4%[2 ]。因此，采用普通蒸馏方法难以得到高纯度的 异丙醇。传统的异丙醇 - 水共沸物分离采用共沸精 馏法，通常用苯做为共沸剂，此种工艺的能耗较大， 且共沸剂在生产操作中存在人身危害和环境污染 问[3 ]。近几年文献[4- 12 ]中对异丙醇 - 水分离新工艺 进行了较多研究，萃取精馏是其中一种重要手段。 相对传统的共沸精馏而言，由于萃取精馏所采用溶 剂沸点较高，不易挥发，溶剂从塔釜排放，因而具有 能耗低、污染少、溶剂易于回收等优点，但萃取精馏 存在溶剂用量大、回收成本高的不足。选择优良的 萃取剂，优化萃取精馏效果，是萃取精馏的重要研 究课题[13 ]。 本文采用 Aspen Plus化工流程模拟软件，根据 萃取精馏分离共沸物的适宜溶剂的要求和文献报 道[14 ]，选择乙二醇（glycol）作为萃取剂，对异丙醇 - 水 共沸体系的萃取精馏过程进行模拟，并系统讨论了各 操作参数对分离效果的影响，得到最优工艺参数。 1 模型建立 萃取精馏塔分为 3部分：吸收段(absorbing sec- 萃取精馏分离异丙醇 - 水 共沸体系的模拟与优化 朱登磊，任根宽，谭 超 （宜宾学院 化学与化工系，四川 宜宾 644007） 摘 要：对异丙醇 - 水共沸体系的萃取精馏过程进行模拟与优化。以乙二醇为萃取剂，基于 UNIFAC模 型，使用 Aspen Plus化工模拟软件中的 RadFrac模块进行萃取精馏模拟，并利用灵敏度分析模块对各工艺参 数进行灵敏度分析与优化。结果表明，以乙二醇做萃取剂分离异丙醇 - 水共沸体系是可行的。对于处理流量 5000kg·h-1的异丙醇 - 水共沸溶液，精馏塔具有 22块塔板时，原料进料位置在第 16块塔板，萃取液进料位置 在第 3块塔板，摩尔回流比为 1.4，萃取剂与原料的进料比为 2∶1，塔顶异丙醇质量分数可达 0.9981，萃取精 馏塔的分离效果和热负荷达到最优。模拟和优化的结果对工业化设计和生产具备指导意义。 关键词：萃取精馏；异丙醇；乙二醇；模拟；优化 中图分类号：TQ028.3 文献标识码：A Simulation and optimization of extractive distillation for isopropanol-water azeotropic mixture ZHU Deng-lei, REN Gen-kuan, TAN Chao (Department of Chemistry and Chemical Engineering，Yibin University，Yibin 644007，China) Abstract: Extractive distillation for isopropanol-water azeotropic mixture was simulated and optimized. Simu－ lation of extractive distillation was executed by RadFrac module of Aspen Plus simulation software using UNIFAC model and glycol as extractant．Sensitivity analysis was also performed to optimize the operation parameters. The simulation results show that it' s possible to separate opropanol-water azeotropic mixture use glycol as extractant by extractive distillation. When flow rate of opropanol-water azeotropic mixture was 5000kg·h-1 and stage numbers of extractive distillation column was 22, the optimum operation parameters were as follows: number of feed stage 16, number of extractant stage 3, mole reflux ratio1.4 and ratio of extractant to feed 2∶1. Under the optimized parameters, mass fraction of isopropanol at column top can reach 0.9981 and both separation effect and heat duty reach the optimization. The results of simulation and optimization will provide fundamental guide for the industrial－ ization design and production. Key words: extractive distillation；isopropanol；glycol；simulation；optimization tion)、精馏段 ( rectifying section)和提馏段 ( stripping section)，见图 1。 图 1 萃取精馏塔 Fig.1 Extractive distillation column 笔者选用 Aspen Plus的 RadFrac精馏模块对异 丙醇 - 水共沸体系的萃取精馏过程进行静态模拟。 RadFrac是一个严格模型，可用于模拟所有类型的 多级气、液分离操作，如普通精馏、吸收、再沸吸收、 汽提、再沸汽提、萃取、萃取蒸馏和共沸蒸馏等。适 用体系包括气、液两相传质体系，气、液、液三相传 质体系，窄沸程和宽沸程传质体系等。对气、液两相 存在强非理想物系和理想物系都有良好的模拟效 果，模拟数据具有可指导性。 使用 Aspen Plus模拟软件进行模拟计算时，热 力学模型的选择尤为重要，其正确与否直接影响计 算的物理性能的准确程度，并影响计算结果的精确 度。由于本计算体系中的异丙醇、乙二醇等均是极 性化合物，故选用 UNIFAC活度系数模型，该模型 能准确模拟非理想溶液的 VLE和 LLE性质[15 ]。 2 模拟计算 原料进料为异丙醇 - 水共沸体系，流量5000kg· h-1，组成为 87.4%(质量分数)的异丙醇和 12.6 %(质 量分数)的 H2O，萃取剂为乙二醇，两股进料的温度 均为 20℃，操作压力为常压。萃取精馏塔共有 22 块板（包括塔顶冷凝器和塔底再沸器），初设的主要 操作参数见表 1。在初设操作参数下进行模拟计算， 考察以乙二醇做萃取剂时的分离效果。然后通过 Aspen Plus模拟软件中的“Sensitivity”模块，研究原 料进料位置、萃取剂进料位置、回流比以及萃取剂 和原料进料比对塔的分离效果及塔的热负荷的影 响，进而寻找最佳操作条件。 塔板数 22 原料塔板 10 提取剂塔板 5 操作压力 /kPa 101.325 回流比 2 m（提取剂）:m（原料） 1∶1 m（馏分）: m（原料） 0.874 表 1 萃取精馏塔的主要操作参数 Tab.1 Main operation parameters of extractive distillation column 3 结果与讨论 3.1 初设参数下的模拟结果 在表 1初设的主要操作参数下对萃取精馏塔 进行模拟计算，模拟结果如表 2所示。结果表明，在 乙二醇萃取剂作用下，异丙醇 - 水共沸体系被破 坏，塔顶馏出液中异丙醇质量分数可达 0.9702，达 到较好的分离效果。初设参数可以用于萃取精馏系 统下一步操作参数优化工作。 测位 釜顶 釜底 w（IPA） 0.9702 0.0231 w（乙二醇） 8.12×10-9 0.8881 w（H2O） 0.0298 0.0888 温度 /℃ 81.00 137.25 热负荷 / GJ·h-1 - 9.28 11.76 总负荷 / GJ·h-1 21.04 表 2 萃取精馏塔模拟结果 Tab.2 Calculated value of the extractive distillation column 3.2灵敏度分析与参数优化 3.2.1 原料进料位置的影响 在相同条件下，原料 进料位置的不同将对分离效果产生影响，不同的精 馏效果导致塔底和塔顶组成产生改变，进而影响再 沸器和冷凝器的热负荷，因此，存在最佳进料位置。 改变原料异丙醇 - 水共沸体系的进料位置，其他操 作参数见表 1，考察原料进料位置对分离效果和热 负荷的影响，模拟结果如图 2、3。 图 2 原料进料位置对分离效果的影响 Figu.2 Effect of the number of feed stage on separation 溶剂 原料 吸收截面 整流截面 气提段 残渣 IPA 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 1 0.98 0.96 0.94 0.92 0.9 0.88 塔 顶 异 丙 醇 质 量 分 数 塔板数 14 朱登磊等：萃取精馏分离异丙醇 - 水共沸体系的模拟与优化 2009年第 10期 图 3 原料进料位置对热负荷的影响 Fig.3 Effect of the number of feed stage heat duty 由图 2、3可见，进料位置在 14~18块板时分离 效果最好，而再沸器和冷凝器的热负荷(冷凝器的热 负荷取绝对值)较低。进料在第 16块板时达到最佳 效果。因此，选择原料最佳进料板为第 16块板。 3.2.2 萃取剂进料位置的影响 萃取剂的进料位 置也影响精馏分离效果和热负荷。改变萃取剂的进 料位置，其余参数见表 1，模拟不同位置进萃取剂对 分离效果和热负荷的影响，结果见图 4、5。 图 4 萃取剂进料位置对分离效果的影响 Fig.4 Effect of the number of extractant stage on separation 图 5 萃取剂进料位置对热负荷的影响 Fig.5 Effect of the number of extractant stage on heat duty 由图 4、5可以看出，萃取剂在第一块塔板进料 时，虽然再沸器和冷凝器的热负荷(冷凝器的热负荷 取绝对值) 最低，但塔顶中异丙醇的质量分数只有 0.6，分离效果太差，因此，不予考虑。除第 1块塔板 外，萃取剂进料在第 3块塔板时，塔顶中异丙醇的 质量分数最高，再沸器和冷凝器的热负荷最低，因 此，选择第 3块塔板为萃取剂进料板。 3.2.3 回流比的影响 回流比在精馏过程中是一 个非常重要的工艺参数。回流比的变化对塔顶、塔 釜各组分含量均有影响，同时也会改变塔的热负荷 情况。在保证分离要的前提下，应注意尽可能减小回 流比以降低能耗。图 6、7分别是回流比对分离效果 和热负荷的模拟曲线(冷凝器的热负荷取绝对值)。 图 6 回流比对分离效果的影响 Fig.6 Effect of the reflux ratio of mole on separation 图 7 回流比对热负荷的影响 Fig.7 Effect of the reflux ratio of mole on heat duty 由图 6、7可以发现，开始时回流比增大，过程 分离效果提高，同时热负荷也直线上升；但回流比 增大到一定程度后( R >1.4)，随着回流比的增加塔 顶异丙醇含量反而降低，这是因为回流比过大，一 方面萃取剂被稀释，另一方面回流比增加导致回流 流速增大进而对两相的接触产生不利的影响，两方 面都会导致萃取效果变差，从而使塔顶异丙醇含量 降低。而回流比继续增大，热负荷却仍在增加。因此， 综合考虑满足分离效果和降低能耗的两个要求，选 取回流比为 1.4。 3.2.4 进料比的影响 萃取剂与原料进料比（质 量）对分离效果和热负荷的影响见图 8、9。 14 13 12 11 10 9 8 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 热 负 荷 /G J· h- 1 塔板数 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 塔 顶 异 丙 醇 质 量 分 数 塔板数 14 12 10 8 6 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 塔板数 热 负 荷 /G J· h- 1 0.975 0.97 0.965 0.96 0.955 0.95 0.945 0.94 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 塔 顶 异 丙 醇 质 量 分 数 回流比 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 回流比 热 负 荷 /G J· h- 1 朱登磊等：萃取精馏分离异丙醇 - 水共沸体系的模拟与优化2009年第 10期 15 图 8 萃取剂与原料质量比对分离效果的影响 Fig.8 Effect of the mass ratio of extractant to feed on separation 图 9 萃取剂与原料质量比对热负荷的影响 Fig.9 Effect of the mass ratio of extractant to feed on heat duty 由图 8、9可以看出，馏出液中异丙醇的质量分 数随进料比的增加而增大，当进料比小于 2时，异 丙醇的质量分数随进料比的增加而增大的较快，当 进料比大于 2时，这种增大趋势变的平缓，而再沸 器的热负荷随进料比的增加而增大，冷凝器热负荷 随进料比的增加而减少。因此，综合考虑分离效果 和热负荷两方面的要求，选取萃取剂与原料进料比 （质量）为 2∶1。 3.3 优化操作参数的模拟结果 通过以上的灵敏度分析与参数优化，得到最佳 操作参数为：异丙醇 - 水共沸体系的进料位置为第 16块塔板，萃取剂的进料位置在第 3块塔板，回流 比为 1.4，萃取剂与原料进料比（质量）为 2∶1，在此 优化操作参数下进行模拟，模拟结果见表 3。通过与 表 2中优化前模拟结果对比可以看出，馏出液中异 丙醇的质量分数从 0.9702提高到 0.9981，达到工业 异丙醇的质量[16 ]。再沸器和冷凝器的热负荷明 显小于优化前的热负荷，总热负荷降低了 12.9%，减 少了能耗，提高了经济效益。 4 结论 以流量 5000kg·h-1的异丙醇 - 水共沸溶液为 处理对象，以乙二醇作为萃取剂，基于 UNIFAC活 度系数模型，用 Aspen Plus模拟软件对异丙醇 - 水 共沸体系进行萃取精馏模拟，模拟计算结果表明，精 馏塔具有 22块塔板时，在初设的操作参数下，异丙 醇 - 水共沸体系可达到很好的分离效果，说明以乙二 醇作为萃取剂分离异丙醇 - 水共沸体系是可行的。 利用 Aspen Plus软件的灵敏度分析功能，对实 际操作过程进行了参数寻优。得到的最佳操作参数 为：原料进料位置在第 16块塔板，萃取液进料位置 在第 3块塔板，摩尔回流比为 1.4，萃取剂与原料的 进料比为 2∶1。最优参数下，塔顶异丙醇质量分数 可达 0.9981，再沸器的热负荷为 11.40 GJ·h-1，冷凝 器的热负荷为 - 6.92 GJ·h-1。模拟结果对工业化设计 与生产具有一定的指导意义。 参 考 文 献 ［1］ 崔小明.异丙醇的生产技术及国内外市场分析［J］.上海化工， 2008，33（4）：31- 34. ［2］ 曾妮，张颂红，姚克俭.异丙醇 - 水 - 碱 /乙二醇物系常压汽液 平衡数据的测定［J］.石油化工，2006，35（5）：448- 451. ［3］ 汪宝和，巨娜.异丙醇 - 水分离技术研究新进展［J］.化学研究， 2007，18（2）：103- 106. ［4］ E. 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Sep.Purif.Technol，2006，49（3）：245- 252. 表 3 萃取精馏塔优化操作参数的模拟结果 Tab.3 Optimization results of the extractive distillation column 测位 釜顶 釜底 w（IPA） 0.9981 0.0008 w（乙二醇） 0.0003 0.9406 w（H2O） 0.0016 0.0586 温度 /℃ 82.17 154.18 热负荷 / GJ·h-1 - 6.92 11.40 总负荷 / GJ·h-1 18.32 1 0.98 0.96 0.94 0.92 0.9 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 塔 顶 异 丙 醇 质 量 分 数 质量比 14 13 12 11 10 9 8 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 质量比 热 负 荷 /G J· h- 1 （下转第 22页） 16 朱登磊等：萃取精馏分离异丙醇 - 水共沸体系的模拟与优化 2009年第 10期 我国将全面开展低碳产品认证 环保部环境认证中心 2009年 10月 15日透露，我国将开展低碳产品认证。据悉，同日签约的中德低碳 产品认证合作项目，是我国在低碳产品认证领域的首个对外合作项目。环保部在参考了国外低碳产品认证 发展模式的基础上，决定开展低碳产品认证，在中国环境标志框架下，把产品服务归入适当的分类，设置“气 候相关”类产品，与每年中国环境标志标准制、修订工作结合。 ［9］ Sanz, MT，Gmehling, J. Study of the dehydration of isopropanol by a pervaporation- based hybrid process［J］. Chem.Eng.Techno.，2006， 29（4）：473- 480. ［10］ Wang, SJ，Wong, DSH. Control of reactive distillation production of high- purity isopropanol［J］. 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