异丙醇与水共沸 萃取精馏分离异丙醇-水共沸体系的模拟与优化

异丙醇与水共沸 萃取精馏分离异丙醇-水共沸体系的模拟与优化 化学工程?师 ,,,,,;,, ,,,,,,,, ,,,,年第,,期 继续 文章编号:,,,,—,,,,(,,,,),,,,,,,,,,,, 教 育 萃取精馏分离异丙醇一水 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,,,,,,) 摘要:对异丙醇一水共沸体系的萃取精馏过程进行模拟与 1 优化。以乙二醇为萃取剂，基于,,，,,,模型，使用,,,,,,,,,化工模拟软件中的,,,,,,;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。结果明，以乙二醇做萃取剂分离异丙醇一水共沸体系是可行的。对于处理流量,,,,,,?,一,的异丙醇一水共沸溶液，精馏塔具有,,块塔板时，原料进料位置在第,,块塔板，萃取液进料位置在第,块塔板，摩尔同流比为,(,，萃取剂与原料的进料比为,:,，塔顶异丙醇质量分数可达,(,,,,，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:,,,,,(, 文献标识码:, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,, ,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,，,,,,,,, (,哪,,【,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,(，,,,, 2 ,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,，,,,,,) ,,,,,,;,:,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,—,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,— ,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,;,, ,, ,,, ,,,;,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,, ,,, ,,,,,;,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,, , ,,,, ,,,,,,,,, 3 ,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,, ,,,;,,姻,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,;,,,, ,,,,,,,, ,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,;,,,,, ,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,’,一,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,踮,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 4 ,,,,,;,,,, ,, ,,,,,,,:,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,，,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,，(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,, ,:,(,,,,,,,, ,,,,,,,,,,(?雎嘲,,,;,,,,;,,,,,,,, ;,, ,,,;,,(,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,, ,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,( 5 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,— ,,,,,,,,:,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,;,,,;,,;,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,, 异丙醇(，,,)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,,,。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,,(,?时形成共沸物，共沸物中异丙醇质量分数为,,(,,,,，。因此，采用普通蒸馏方法难以得到高纯度的异丙醇。传统的异丙醇一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题…。近几年文献…,,中对异丙醇一水分离新工艺 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,,,,。 本文采用,,,,,,,,,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,，引(选 6 择乙二醇(,,,;,,)作为萃取剂，对异丙醇一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。 进行了较多研究，萃取精馏是其中一种重要手段。 收稿日期:,,,,,,,,,,,,, 作者简介:朱登磊(,,,,,)。男，河南开封人。硕士，讲师，主要从事传 质与分离工程，工业三废的处理工作。 ,模型建立 萃取精馏塔分为,部分:吸收段(,,,,,,,,, ,,;, ,,朱登磊等:萃取精馏分离异丙醇一水共沸体系的模拟与优化,,,,年第,,期 ,,,,)、精馏段(,,;,,,,,,,,,;,,,,),,;,,,,)(见图,。 提馏段(,,,,,,,,, 使用,,,,,,,,,模拟软件进行模拟计算时，热力学模刑的选择尤为重要，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,,，,,,活度系数模型，该模型能准确模拟非理想溶液的,,,和,,,性质,,,,。 7 ,模拟计算 图,萃取精馏塔 ,,,(, ,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,, 原料进料为异丙醇一水共沸体系，流量,,,,,,?,一，组成为,,(,,(质量分数)的异丙醇和,,(,,(质量分数)的,,,，萃取剂为乙二醇，两股进料的温度均为,,?，操作压力为常压。萃取精馏塔共有,,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,。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,,,,模拟软件中的“,,,,,,,,,,,”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 ,,,,, 笔者选用,,,,,,,,,的,,,,,,;精馏模块对异丙醇一水共沸体系的萃取精馏过程进行静态模拟。,,,,,,;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 8 都有良好的模拟效果，模拟数据具有可指导性。 表, ,,,(, 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。 萃取精馏塔的主要操作参数 ? ,,,,,,,,,,,,, ,啪,,,,糟,,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,,,;,,,,, 进行模拟计算，模拟结果如表,所示。结果表明，在 ,结果与讨论 ,(,初设参数下的模拟结果 在表,初设的主要操作参数下对萃取精馏塔 乙二醇萃取剂作用下，异丙醇一水共沸体系被破坏，塔顶馏出液中异丙醇质量分数可达,(,,,,，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。 表,萃取精馏塔模拟结果 ,,,(, ,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,, 9 ,(,灵敏度分析与参数优化 ,(,(,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。改变原料异丙醇一水共沸体系的进料位置，其他操作参数见表,，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,、,。 ,,,,(, 籁求删怛钴眩味娶辫 塔板数 图,原料进料位置对分离效果的影响 ,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,, ,,,,年第,,期朱登磊等:萃取精馏分离异丙醇一水共沸体系的模拟与优化 ,, 塔板致 图,原料进料位置对热负荷的影响 ,,,(, ,,,,;,,, 10 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 由图,、,可见，进料位置在,,,,,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,,块板时达到最佳效果。因此，选择原料最佳进料板为第,,块板。,(,(,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,，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,、,。 ?, , , ,, ”,埔,:,,整”唧瞪咎腔咪肾辫 ,, ,, ,, 塔板数 图,萃取剂进料位置对分离效果的影响 ,,,(, 11 ,,,,;,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,;,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,,, 塔板效 图,萃取剂进料位置对热负荷的影响 ,,,(, ,,,,;,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,;,,,, ,,,,, ,, ,,,, ,,,, 由图,、,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,(,，分离效果太差，因此，不予考虑。除第,块塔板外，萃取剂进料在第,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,块塔板为萃取剂进料板。 ,(,(, 回流比的影响回流比在精馏过程中是一 12 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,、,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)。 ,, ,,,,,,,,,, 赧求咖超链窿琳馨辫 ,, 哪?嘶蚴哪呻嘶吣,, ,,(,,(,,(,,(, ,,(,,(,,(,,(,,,(,,(, 回流比 图,回流比对分离效果的影响 ,,,(, ,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,, 二,, 二,, 望,, 13 瓤 , ,, 朱登磊等:萃取精馏分离异丙醇一水共沸体系的模拟与优化 ,,,,年第,,期 籁求咖妪盐窿嗽隧辫 ,,(,,,(,,(,, , 由图,、,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,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,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,:,。 质量比 图,萃取剂与原料质量比对分离效果的影响 14 ,,,(, ,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,;,,,,,, ,,,, ,, ,,,,,,,,,, ,(,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:异丙醇一水共沸体系的进料位置为第,,块塔板，萃取剂的进料位置在第,块塔板，回流比为,(,，萃取剂与原料进料比(质量)为,:,，在此优化操作参数下进行模拟，模拟结果见表,。通过与表,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,(,,,,提高到,(,,,,，达到工业 质鼋比 异丙醇的质量,,,，。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,,(,,，减少了能耗，提高了经济效益。 ,,,, ,, 图,萃取剂与原料质量比对热负荷的影响 ,,,(, 15 ,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,;,,,,,, ,,,,,,,, 表,萃取精馏塔优化操作参数的模拟结果 ,,,(, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,;,,, ,, 型垡 ～～坠～～～圣三塑 ,(,,,,,(,,,, ～～,～生～～ ,(,,,,,(,,,, 塑壁～兰 ,,(,,,,,(,, 垫丝蔓～盟:～:～ ,,(,,,,(,, 璺堡笪～旦:～:～ ,,(,, 釜顶,(,,,,釜底,(,,,, 参考文献 ,结论 16 以流量,,,,,,?,一,的异丙醇一水共沸溶液为处理对象，以乙二醇作为萃取剂，基于,,，,,,活度系数模型，用,,,,,,,,,模拟软件对异丙醇一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,,块塔板时，在初设的操作参数下，异丙醇一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一水共沸体系是可行的。 利用,,,,,,,,,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,,块塔板，萃取液进料位置在第,块塔板，摩尔回流比为,(,，萃取剂与原料的进料比为,:,。最优参数下，塔顶异丙醇质量分数可达,(,,,,，再沸器的热负荷为,,(,,,,?,一，冷凝器的热负荷为一,(,,,,?,一。模拟结果对工业化设计与生产具有一定的指导意义。 ,,,崔小明(异丙醇的生产技术及国内外市场分析,,,(上海化工。 ,,,,(,,(,):,,—,,( ,,,曾妮，张颂红，姚克俭(异丙醇一水一碱，乙二醇物系常压汽液 平衡数据的测定,,,(石油化工(,,,,，,,(,):,,,—,,,(,,,汪宝和。巨娜(异丙醇一水分离技 17 术研究新进展,,,(化学研究， ,,,,，,,(,):,,,—,,,( ,,,,(,,,,,,,,,，,,,,,,,,，,(,,,(?,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,,,,,(,,,,。,,,(,):,,,,,,(,,, ,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,(,(,,,,。,,,,—,,,,,,(,,,,;, ,, ,,,,,—,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ，,,,咖,, ,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,(，,,(,,,(,,,,(,,,(。,,,,，,,(,,):,,,,, 18 ,,,,( ,,,李小保，叶菊娣(间歇恒沸精馏分离异丙醇水溶液的节能研究 ,,,(南京工业大学学报(自然科学版)(,,,,(,,(,):,,,,,,(【,, ,(,,,,,(,(,,,,,,，,(,,,,(,,,,;,, , ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,, ,,;,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,,,—,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,,,;,,,, ,,,,(,,,(,,?,,,，,,,,，,,(,):,,,,,,,( ,,,,(,(,,,,,,,(,(,(,,,,,，,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,,( 19 ,,,,,,,,,,,,(,,,(,,,,,(,,,,,,,，,,,,，,,(,):,,,— (下转第,,页) 孟令晶等:,一,,,,偏振塞曼石墨炉原子吸收光谱仪测定地质样品中的微量金 ,,,,年第,,期 ,方法的技术参数 ,(,方法的检出限 出金的检出限为,(,,,,?,,,。 ( ,结论 实验结果表明，本方法精密度高，测定范围宽，准确度高，样品分析结果令人满意。适合于地质样品中微量金的测定。 参考文献 ,,,,, 用平行测定,,次试剂空白的,倍标准偏差算 ,(,方法的精密度和准确度 表,精密度和准确度试验结果 ,,,(, ,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;;,,,;, ,,,胡明。关逸考(石墨炉原子吸收测定化探样品中痕 20 址金的研究 ,,】(黄金，,,,,,，,,(,):,,—,,( ,,,郑浩，李红，曾扬，马龙(阴离子交换树脂一活性炭动态吸,，,,无 火焰原子吸收法测定矿石中的微量金铂钯,,】(岩矿测试，,,,,， ,,(,):,,,,,( ,,,范铁成，王丽敏(高平，王秀兰(石墨炉原子吸收法测定原油中 微昔金,,,(油气田地面下程，,,,,。(,):,,( ,,,张碧玲(孙爱琴(姚文生，等(石墨炉原子吸收测定岩石样品中 痕量金的研究,,,(黄金，,,,,(,,(,):,,—,,( (上 ,,, ,,,, ,,,, 我国将全面开展低碳产品认证 环保部环境认证中心,,,,年,,月,,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 21 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，把产品服务归人适当的分类，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。 萃取精馏分离异丙醇-水共沸体系的模拟与优化 作者:作者单位:刊名:英文刊名:年，卷(期):被引用次数: 朱登磊， 任根宽， 谭超， ZHU Deng-lei， REN Gen-kuan， TAN Chao宜宾学院,化学与化工系,四川,宜宾,644007化学工程师 CHEMICAL ENGINEER2009(10)5次 参考文献(16条) 1.崔小明 异丙醇的生产技术及国内外市场分析[期刊论文]-上海化工 2008(04) 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[期刊论文]-石油化工 2006(05)3.汪宝和;巨娜 异丙醇-水分离技术研究新进展[期刊论文]-化学研究 2007(02) 4.E.Csefalvay;Z.Szitkai;P.Mizsey Experimental data based modelling and simulation of isopropanoldehydrmion by 22 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