萃取精馏分离甲苯—乙醇共沸体系的模拟与优化

萃取精馏分离甲苯—乙醇共沸体系的模拟与优化

作者：包忠祥

来源：《科技资讯》2013年第20期

摘 要：借助ASPEN PLUS化工模拟软件，基于NRTL-RK模型，用UNIFAC基团贡献法对剩余相互作用参数估算，使用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分析与优化。

关键词：萃取精馏 甲苯 乙醇 模拟 优化

中图分类号：TQ028.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（b）-0112-02 在化学工业和制药生产过程中，甲苯与低级脂肪醇经常被用来作为一个很好的添加剂，例如阿维菌素的精炼过程中，作为萃取剂的混合溶剂是甲苯和乙醇。因此，最低形式的二元共沸物则是甲苯-乙醇混合溶剂，可以在该溶剂中提炼出高纯度的甲苯和乙醇的产物，用传统的蒸馏方法不能完成。所以说，在优化萃取精馏的效果和选择一个适合的萃取剂，是现在研究的最重要的课题。

关于甲苯和低级脂肪醇物系的分离情况，国内文献报道较少。本文采用Aspen Plus化工流程模拟软件，初步对萃取剂进行全方面的筛选，建立一项工艺流程的模拟形态，并根据各项操作参数对分离效果上的影响进行了系统的讨论，最终获得了最好的工艺参数。

分离甲苯和低级脂肪醇系统，国内外文献罕有报道。本文采用Aspen Plus的化工过程模拟软件，通过萃取剂的初步筛选，建立该过程工作的仿真系统，并根据操作参数对分离效率的效果上进行了相应的讨论，最终获得最好的工艺参数。 1 萃取剂的筛选

适合的萃取剂主要考虑以下因素：溶剂具有高的选择性和高的溶解性、热稳定性、化学稳定性和低的毒性。我们这里选择甲苯-乙醇混合溶剂作为萃取精馏系统。 2 流程建立与初步模拟条件 2.1 流程的建立

萃取蒸馏过程的甲苯-乙醇体系双塔的过程中，组成的萃取精馏塔T1和溶剂回收塔T2，在图1中所示的过程。在萃取精馏塔T1物料流股2的塔连续加入，并将溶剂在上面的进料口

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连续地加入，以维持溶剂最高浓度。溶剂入口之上需有若干块塔板，防止混合溶剂的产品，称为溶剂的回收段。

T1塔顶蒸出原料中易挥发组分，难挥发组分从塔釜中被排出进入溶剂回收塔T2，其特征在于，所述难挥发组分在T2塔顶馏出，溶剂从塔釜采出送到萃取蒸馏塔循环使用。一般来说，整个过程中溶剂的损失不大，只需添加少量新鲜溶剂补充。 2.2 模拟条件

拟分离的物料如下：进料量3500 kg/h，含乙醇72%和甲苯28%（质量分数）。分离所需的产品质量得到甲苯馏分≥99.5%，乙醇产品质量分数为≥99.9%。为了保证精馏段与提馏段中溶剂浓度大致相等，原料采用气相加料。溶剂温度开始为78℃，2∶1的初始溶剂比。为了保证的塔底再沸器的温度不至于上升太高，使用蒸汽加热，使用负压操作，萃取精馏塔90 kPa，溶剂回收塔为50 kPa。利用Aspen Plus模拟软件，两塔采用RADFRAC严格精馏模型，热力学方程选用NRTL-RK，并利用UNIFAC基团贡献法估计剩余相互作用参数。 3 结果与讨论

许多参数的初步模拟不是最优的，还没有达到产品纯度的分离要求。使用ASPEN PLUS在进料和回流比的敏感度进行模拟分析，以取得最佳值。 3.1 进料位置的影响

相同条件下，进料在不同的位置上会影响分离效果，引起蒸馏塔的顶部和底部产物组分的变化，这影响再沸器和冷凝器的入口位置的热负荷。改变萃取蒸馏塔的进料位置和溶剂的进料位置以及溶剂回收塔进料位置，研究对分离效率的影响，结果见图2和图3。图2示出的萃取蒸馏塔的进料为19塔板位置，第8塔板进溶剂，溶剂回收塔进料位置第13塔板，此时分离效果最佳。

3.2 回流比的影响

在精馏过程中的回流比是一个非常重要的工艺参数，影响分离效率和能源消耗。图4和图5的结果是关于对萃取精馏塔的和溶剂回收塔回流比的分离效果曲线。对于萃取精馏塔的回流比不是越大越好，从图4看出，当回流比为1.1时，分离效果达到最佳。溶剂回收塔回流比的影响类似于一般的精馏塔，回流比增加，分离效果会更好，然后趋于稳定。从图5中看到回流比2.1时，曲线开始变化不大，分离实现分离的要求。因此，溶剂回收塔最佳回流比为2.1。 3.3 溶剂比的影响

溶剂比一般是萃取剂进料和原料进料的质量比，分离效果如图6中所示。可以看出，馏出物的乙醇溶液中的质量分数随回流比增加而增加，当溶剂比小于2.0，乙醇的质量分数的投料

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比增加而增加更快，接着曲线变平缓，萃取剂添加用量会增加过程中的能量消耗。因此，对分离效果和能源两方面的考虑，选择适当的溶剂比例为2.2。 4 结论

基于NRTL-RK物性模型，以正丁苯为萃取剂，用Aspen Plus化工模拟软件对甲苯-乙醇体系萃取精馏分离过程进行了模拟。在原料进料流量为3500kg/h，萃取精馏塔板具有20块，溶剂回收塔具有26块的条件下，优化的操作参数为：萃取精馏塔原料的进料位置为第19块塔板，萃取剂的进料位置为第8块塔板，摩尔回流比为1.1；萃取剂与原料进料质量比（溶剂比）为2.2∶1；溶剂回收塔进料位置为第12块塔板，回流比为2.1。在该优化参数的条件下，产品乙醇的质量分数可达99.92%，甲苯质量分数可达99.63%，回收率均在99.5%以上，溶剂损失率仅为0.04%，萃取剂可循环利用，优化结果为工业连续生产提供了相应的参考。