王君

摘要：當(dāng)混合物組分之間的揮發(fā)性相近并且形成非理想溶液，組分間的相對(duì)揮發(fā)度可能小于1.1，采用常規(guī)精餾分離就可能不經(jīng)濟(jì)，若組分間形成恒沸物，僅采用常規(guī)精餾達(dá)不能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)組分的銳分離，這種情況可考慮采用強(qiáng)化精餾來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)組分之間的分離。用水作為溶劑對(duì)流量為40mol/s的丙酮-甲醇（摩爾比為3：1）混合物流股進(jìn)行萃取精餾過程合成設(shè)計(jì)與模擬計(jì)算。分離流程采用兩塔結(jié)構(gòu)，即萃取精餾塔和溶劑回收塔，前者塔頂餾出產(chǎn)物為丙酮，塔底產(chǎn)物為甲醇、水和微量丙酮的混合物；后者塔頂餾出產(chǎn)物為甲醇，塔底為溶劑水，此塔底產(chǎn)物作為回流與補(bǔ)充溶劑合并返回萃取精餾塔。經(jīng)過試探法合成，萃取精餾塔采用30塊理論板（包括塔頂全凝器和塔底再沸器），溶劑進(jìn)料板為第7塊（從上往下數(shù)），丙酮一甲醇混合物流股進(jìn)料板為第13塊。回流比為4，塔頂產(chǎn)物31.226mol/s，丙酮純度95.5%，塔底產(chǎn)物69mol/s；溶劑回收塔為簡單精餾塔，采用16塊理論板（包括塔頂全凝器和塔底再沸器），進(jìn)料位置為第12塊，回流比為3。塔頂產(chǎn)物流量為10mol/s，甲醇含量99.8%，塔底產(chǎn)物流量59mol/s，水含量達(dá)到99.9%，補(bǔ)充溶劑約為1mol/s，實(shí)際補(bǔ)充量可根據(jù)操作情況適當(dāng)變化。

關(guān)鍵詞：丙酮；甲醇；萃取精餾；合成；模擬

中圖分類號(hào)：TQ028

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2016）04-0006-04

當(dāng)混合物組分之間的揮發(fā)性相近并且形成非理想溶液，組分間的相對(duì)揮發(fā)度可能小于1.1，采用常規(guī)精餾分離就可能不經(jīng)濟(jì)，若組分間形成恒沸物，僅采用常規(guī)精餾達(dá)不能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)組分的銳分離，這種情況可考慮采用強(qiáng)化精餾來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)組分之間的分離。強(qiáng)化精餾包括萃取精餾、變壓精餾、反應(yīng)精餾、均相及非均相恒沸精餾等，其中萃取精餾是采用相對(duì)高沸點(diǎn)的溶劑改變混合物的液相活度系數(shù)，從而增大關(guān)鍵組分的相對(duì)揮發(fā)度以有利于分離，若進(jìn)料為具有最低恒沸點(diǎn)的恒沸物，則溶劑從進(jìn)料板之上、塔頂之下某適當(dāng)位置加入，這樣流向塔底的液相中都存在溶劑，并且氣提到塔頂?shù)娜軇┥?；若進(jìn)料為具有最高恒沸點(diǎn)的恒沸物，則溶劑和進(jìn)料從同一塊進(jìn)料板入塔。溶劑不可與組分間形成恒沸物，從萃取精餾塔底部出料后還需進(jìn)一步分離，循環(huán)使用。

本文采用萃取精餾法，對(duì)丙酮一甲醇混合物流股進(jìn)行了分離過程的合成與模擬計(jì)算，合成的流程和模擬計(jì)算結(jié)構(gòu)可以作為此物系實(shí)際分離過程設(shè)計(jì)和操作過程的指導(dǎo)或參考。

1.混合物性質(zhì)及溶劑和物性方程

丙酮和甲醇的正常沸點(diǎn)分別為56.2℃、64.7℃，在1atm下，丙酮和甲醇形成最低恒沸物，最低恒沸點(diǎn)為55.7℃，恒沸物組成為80%mol丙酮。水的正常沸點(diǎn)是100℃，而且在常壓下，水不與丙酮和/或甲醇形成二元或三元恒沸物，丙酮一甲醇一水的蒸餾殘留曲線圖表明，丙酮一甲醇恒沸物與水混合蒸餾進(jìn)程為從恒沸物組成點(diǎn)指向純水，沒有蒸餾界限存在，這種情況非常適合采用萃取精餾的分離方法。由于物系含有極性組分，操作壓力為常壓，本文選用基團(tuán)貢獻(xiàn)法物性方程UNIFAC計(jì)算液相組分的活度系數(shù)，相應(yīng)氣相物性方程為理想氣體狀態(tài)方程。

2.混合物分離過程合成與模擬

丙酮一甲醇在常壓下形成恒沸物，僅采用普通精餾方法不能得到純凈的丙酮和甲醇組分，許多研究者對(duì)采用強(qiáng)化精餾技術(shù)分離此類恒沸物進(jìn)行了研究。由于丙酮一甲醇混合物流股的組成為丙酮含量為75%，進(jìn)料組成與恒沸物組成接近，因此分離過程流程合成的第一個(gè)塔采用萃取塔。若進(jìn)料組成偏離恒沸物組成較遠(yuǎn)，則第一塔需要采用常規(guī)精餾塔將進(jìn)料分離為一較純組分塔底產(chǎn)物丙酮（當(dāng)進(jìn)料組成小于80%mol丙酮時(shí)）和接近恒沸物組成的塔頂產(chǎn)物，或?qū)⑦M(jìn)料分離為一較純組分塔底產(chǎn)物甲醇（當(dāng)進(jìn)料組成大于80%mol丙酮時(shí)）和接近恒沸物組成的塔頂產(chǎn)物，此種情況下，整個(gè)流程為三塔結(jié)構(gòu)：即常規(guī)精餾塔一萃取精餾塔一常規(guī)精餾塔（用于分離溶劑和回收另一組分）；本文整個(gè)流程只需要兩塔結(jié)構(gòu)：即萃取精餾塔一常規(guī)精餾塔。

2.1分離過程合成與模擬方法

整個(gè)流程確定為兩塔結(jié)構(gòu)以后，接下來的任務(wù)是著手對(duì)萃取精餾塔和溶劑回收塔作詳細(xì)設(shè)計(jì)。采用試探法合成萃取精餾塔，運(yùn)用Aspen Plus 11.1作為設(shè)計(jì)模擬工具，通過多次嘗試計(jì)算，最后確定采用30塊理論板（包括塔頂全凝器和塔底再沸器），溶劑進(jìn)料板為第7塊（從上往下數(shù)），丙酮一甲醇混合物進(jìn)料板為第13塊，回流比為4，塔頂產(chǎn)物31.226mol/s，可以得到較為純凈的丙酮產(chǎn)物；溶劑回收塔為簡單精餾塔，采用Aspen Plus 11.1中的簡捷法設(shè)計(jì)模塊DSTWU進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用16塊理論板（包括塔頂全凝器和塔底再沸器），進(jìn)料位置為第12塊，回流比為3，塔頂產(chǎn)物流量為10mol/s，可以得到較為純凈的甲醇產(chǎn)物和溶劑產(chǎn)物。

2.2流程結(jié)構(gòu)圖和模擬計(jì)算結(jié)果

整體流程結(jié)構(gòu)如圖1所示，EXTR-DIS為萃取精餾塔，共有30塊理論板，SOLV-REC為溶劑回收塔，共有16塊理論板。其中1為補(bǔ)充新鮮溶劑水進(jìn)料，6為循環(huán)水物流，1和6兩個(gè)流股均從第7塊理論板加人。2為丙酮-甲醇混合物進(jìn)料，進(jìn)料位置為第13塊理論板。3為萃取塔頂產(chǎn)物丙酮，4為萃取塔底產(chǎn)物（水和甲醇混合物，含微量丙酮），4作為溶劑回收塔進(jìn)料，從第12塊理論進(jìn)入，5為溶劑回收塔頂產(chǎn)物甲醇，6為溶劑水循環(huán)物流。

表1給出了分別對(duì)萃取精餾塔和溶劑回收塔模擬計(jì)算的主要結(jié)果。其中精餾塔總效率計(jì)算采用OConnell關(guān)聯(lián)式：E_o=50.3（αu）_-0.226，相對(duì)揮發(fā)度采用塔頂、塔底和進(jìn)料板條件下的幾何平均值（沒有單位），u為進(jìn)料粘度，單位采用cp；塔板內(nèi)徑計(jì)算中采用Fair關(guān)聯(lián)式計(jì)算液泛速率，接近液泛分率取0.8。需要特別指出的是，對(duì)萃取精餾塔進(jìn)行效率估算時(shí)，進(jìn)料粘度采用1和2兩個(gè)進(jìn)料流股的幾何平均值，關(guān)鍵組分丙酮一甲醇的相對(duì)揮發(fā)度采用塔頂、進(jìn)料1和2以及塔底四個(gè)位置相對(duì)揮發(fā)度的幾何平均值。

由圖2知，萃取京餾嗒頂丙酮濃度達(dá)到95.5%，第7塊板上丙酮濃度突降，這是因?yàn)槿軇┧募尤胂♂尩慕Y(jié)果，丙酮一甲醇混合物進(jìn)料后丙酮濃度略有上升，可見進(jìn)料對(duì)丙酮組分液相濃度有少許增濃作用，往下到20塊板以后，丙酮濃度開始加速下降，到再沸器中只有微量丙酮存在，可見這一段對(duì)丙酮具有明顯的氣提效果；溶劑水濃度的變化趨勢(shì)正好與丙酮的變化趨勢(shì)相反，這是因?yàn)樗亲铍y揮發(fā)的組分，丙酮是最容揮發(fā)的組分；甲醇的濃度分布由丙酮和水的濃度分布差減法確定，在第28塊板處出現(xiàn)最大值，高濃區(qū)在塔的中下部。

溶劑回收塔內(nèi)的液相濃度分布為常規(guī)精餾塔典型的濃度分布模式，此處不再給出，塔頂產(chǎn)物甲醇含量99.8%，塔底產(chǎn)物中水含量達(dá)到99.9%。最后要特別說明的是：以上計(jì)算結(jié)果均為對(duì)兩塔單獨(dú)模擬的結(jié)果，萃取精餾塔溶劑進(jìn)料為60mol·S^-1，實(shí)際操作溶劑循環(huán)時(shí)，補(bǔ)充大約1mol·S^-1溶劑即可達(dá)到模擬計(jì)算的分離效果，因?yàn)槠渲杏?9mol·S^-1的水循環(huán)。

3.結(jié)論

以水作為溶劑，采用試探法合成了丙酮一甲醇（75%mol丙酮）混合物萃取精餾分離流程的兩塔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用Aspen Plus 11.1對(duì)兩塔分別進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到如下結(jié)論：

1）萃取精餾塔30塊理論板，補(bǔ)充新鮮溶劑和循環(huán)溶劑均從第7塊板加入，丙酮一甲醇混合物流股從第13塊板加入，回流比4（m01），塔頂丙酮濃度達(dá)到95.5%，回收率達(dá)到99%；

2）溶劑回收塔16塊理論板，進(jìn)料板為第12塊，回流比3（mol），塔頂甲醇濃度達(dá)到99.8%，塔底產(chǎn)物水含量達(dá)到99%；

3）補(bǔ)充新鮮溶劑約為1mol·S^-1，此流量可根據(jù)操作情況適當(dāng)調(diào)整，以維持循環(huán)溶劑水的總量為60mol·S^-1，保證萃取分離效果。