四氫呋喃現(xiàn)有四氫呋喃-乙醇-水的混合物溶劑需要分離回收

1、分離工程研究性課題現(xiàn)有四氫呋喃現(xiàn)有四氫呋喃-乙醇-水的混合物溶劑需要分離回收，其含量為（質(zhì)量分數(shù)）：四氫呋喃0.936，乙醇0.0635，水0.0005，流率為300kg/h。要求把混合物分離為四氫呋喃與乙醇兩股產(chǎn)品，其中：（1）四氫呋喃中的乙醇含量低于0.0005，水低于0.0007；（2）四氫呋喃與乙醇的質(zhì)量回收率大于0.93。公用工程自己合理選擇。1. 分離方法的選擇四氫呋喃和乙醇都是有用的有機化工原料，大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。四氫呋喃是一類雜環(huán)有機化合物。它是強的極性醚類之一，在化學(xué)反應(yīng)和萃取時用做一種中等極性的溶劑。無色易揮發(fā)液體，有類似乙醚的氣味。溶于水、乙醇、乙醚等，常壓下沸點為6

2、5。乙醇是一種常見有機物，能與水任意比混溶，常壓下沸點為78.8。在Aspen plus中使用tools-Conceptual Design-Azeotrope Search工具對四氫呋喃、水、乙醇形成的三元物系進行分析，得出該三元物系兩兩組合都可形成共沸物，如下圖1-1所示。因為進料當(dāng)中水的質(zhì)量分數(shù)很小，只有0.0005，所以主要考慮四氫呋喃與乙醇形成的共沸物的分離。由分離工程的知識可知，對于共沸物體系，通常不能采用普通精餾分離，而需要采用特殊精餾進行有效分離。通過查閱文獻，我了解到目前對于四氫呋喃和乙醇的分離方法主要包括萃取精餾1,2,3和高低壓雙塔精餾4,5,6。萃取精餾通過向體系添加萃

3、取劑而選擇性分離出一種物質(zhì)，但是缺點是需要分離出萃取劑，同時需要補充萃取劑而可能在產(chǎn)品里引入新的雜質(zhì)。高低壓雙塔精餾和萃取精餾一樣也需要兩座塔，但是不需要引入另一種物質(zhì)，而只需通過改變塔壓來改變共沸物的組成實現(xiàn)有效分離，原理簡單，操作易行，不會在產(chǎn)品中引入新的雜質(zhì)。因而高低壓雙塔精餾比萃取精餾更具可行性。在方法比較的基礎(chǔ)上，我選擇高低壓雙塔精餾來實現(xiàn)該體系的分離，并借助Aspen Plus流程模擬軟件實現(xiàn)工藝計算。圖1-1 常壓下四氫呋喃、乙醇、水三元物系形成的共沸物2. 可行性說明根據(jù)文獻6中的分離過程，選擇一座低壓塔 (1 atm) 和一座高壓塔 (8 atm)聯(lián)合操作。由于乙醇和四氫呋喃

4、液相極性差異大，又因涉及加壓操作，可選擇Radlishh-Kwong方程計算氣相的非理想性，選擇NRTL計算液相的非理想性，故選用NRTL-RK方程計算平衡性質(zhì)。從圖2-1中可以看出，常壓下四氫呋喃-乙醇的共沸組成為四氫呋喃為90%、乙醇為10%。隨著壓力的增加，當(dāng)壓力增加到8atm時四氫呋喃在液相中的含量減少，較大程度地改變了其常壓下共沸點，形成新的共沸組成，共沸組成如圖2-2所示。當(dāng)壓力為8 atm時，物系共沸組成為四氫呋喃35%和乙醇65%。圖2-1 常壓條件下四氫呋喃-乙醇Txy相圖圖2-2 1333KPa下四氫呋喃-乙醇Txy相圖從圖中容易看出壓力升高之后四氫呋喃乙醇共沸體系右移，因

5、此我們可利用壓力不同的兩塔進行變壓共沸精餾以所要求的分離目的。把題目給定的分離數(shù)據(jù)進料組成、兩個共沸點數(shù)據(jù)標繪到圖上，如圖2-3所示。分離流程為在高壓塔輸入原料，高壓塔頂共沸物D1作為低壓塔的進料，低壓塔頂共沸物再返回到高壓塔，由此構(gòu)成循環(huán)。在高壓塔底得到四氫呋喃，在低壓塔低得到乙醇，這樣不用共沸劑，采用雙塔精餾實現(xiàn)共沸物的分離。圖2-3 四氫呋喃乙醇在兩個壓力下溫度組成圖D1-高壓塔塔頂共沸物；D2-低壓塔塔頂共沸物3. 分離流程3.1. 基本設(shè)置兩塔的理論板數(shù)和進料位置可由經(jīng)驗初步確定，然后根據(jù)分離要求，依據(jù)能耗最小的原則，采用軟件的優(yōu)化功能（靈敏度分析、設(shè)計規(guī)定等）確定理論塔板數(shù)和進料位

6、置等參數(shù)。步驟1：全局性參數(shù)設(shè)置。新建Aspen文件，在“setup”頁進行模擬基本設(shè)置，模擬類型選擇“flowsheet”，如下圖3-1所示。 圖3-1全局性參數(shù)設(shè)置單擊“Next”按鈕，進入組分輸入窗口，在“Component ID”中輸入四氫呋喃、乙醇、水。步驟2：選擇物性方法。同時在“Properties|parameters”頁面確認NRTL-RK方程的二元交互作用參數(shù)。步驟3：繪制相圖。單擊“Tools|Analysis|Property|Binary”工具條，打開繪制相圖窗口，在“Analysis type”欄目下選擇“Txy”，表示繪制溫度組成相圖。在“Pressure”欄目下

7、選擇“List of values”，在空格處填寫壓力值，如圖3-2所示。單擊“Go”按鈕，繪圖結(jié)果如圖2-3所示。圖3-2 設(shè)置繪制相圖窗口步驟4：繪制流程圖。由以上分析，設(shè)計高低壓雙塔精餾分離四氫呋喃與乙醇共沸物的流程見圖3-3。因為兩塔壓差較大，操作溫度相差亦較大。低壓塔頂共沸物進入高壓塔之前需要升溫，高壓塔頂共沸物進入低壓塔之前需要降溫，因此在流程圖上增加一臺循環(huán)泵和兩臺換熱器。原料從高壓塔 (8 atm) 輸入，塔頂?shù)玫焦卜形顳1，塔底得到四氫呋喃產(chǎn)品B1，D1經(jīng)過冷凝后流入常壓塔，塔頂?shù)玫焦卜形顳2，經(jīng)過加熱后循環(huán)回高壓塔，塔底得到乙醇產(chǎn)品B2。圖3-3雙塔雙壓共沸精餾分離四氫呋喃

8、與乙醇的流程圖步驟5：設(shè)置流股信息。把題目給定的進料物流信息填入對應(yīng)欄目中。進料壓力應(yīng)高于塔的操作壓力，液相進料，如圖3-4所示。圖3-4 進料物流信息步驟6：設(shè)置模塊信息。高壓塔模塊：在“Blocks|D1|Configuration”文件中，有3個頁面需要填寫。先設(shè)置理論板數(shù)40，回流比為3，蒸發(fā)比為4.5，原料進料位置為第13塊塔板，D2塔頂共沸物在D1的進料位置為第8塊板，塔頂壓力為8atm。設(shè)置頁面見圖3-5。 （a） （b）（c）圖3-5高壓塔頁面參數(shù)填寫低壓塔模塊：先設(shè)置理論板數(shù)20，回流比為3，蒸發(fā)比為5，D1進料位置為16塊板，設(shè)置頁面見圖3-6。 （a） （b）(c)圖3-

9、6 低壓塔頁面參數(shù)填寫3.2. 設(shè)計規(guī)定運算上述程序我發(fā)現(xiàn)沒有達到分離要求，所以嘗試使用設(shè)計規(guī)定優(yōu)化高壓塔的操作參數(shù)，在Design Specs頁面中建立兩個文件，規(guī)定的兩個變量分別選擇塔底產(chǎn)物中乙醇的質(zhì)量純度為0.0005和四氫呋喃在塔頂產(chǎn)物中的質(zhì)量純度為0.757，操作變量分別選擇回流比和再沸比，計算結(jié)果如圖3-7所示。計算結(jié)果：回流比為6.7651，再沸比為3.6979。此時的分離達到了要求。圖3-7 設(shè)計規(guī)定計算結(jié)果3.3. 靈敏度分析首先對高壓塔的進料位置進行優(yōu)化，優(yōu)化的變量是塔頂冷凝負荷、塔底再沸負荷，塔底四氫呋喃產(chǎn)品中四氫呋喃流量和質(zhì)量分數(shù)。優(yōu)化結(jié)果如圖3-8所示。在四個變量當(dāng)中

10、，首先要保證四氫呋喃的收率和純度，可選進料板位置為11、12、13，根據(jù)負荷最低原則最佳的進料位置為第13塊板。當(dāng)然我們?nèi)匀恍枰业剿迳系囊合嘟M成與進料最接近的那塊板，所以作圖3-9。從圖3-9當(dāng)中我們可以看到第13塊板上的液相組成最接近進料組成：四氫呋喃0.939，乙醇0.0602。由此，我們知道第13塊板為最佳進料位置。同理，對于回流的最佳進料位置、低壓塔的最佳進料位置采用同樣的方法進行靈敏度分析優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果：回流的最佳進料位置為第8塊板，低壓塔的最佳進料位置為第16塊板。圖3-8 高壓塔進料位置優(yōu)化結(jié)果圖3-9 高壓塔進料位置優(yōu)化結(jié)果3.4. 參數(shù)剖面分析經(jīng)過全面優(yōu)化之后，作高壓塔的

11、溫度、氣液流量隨塔板變化圖3-10。由圖可知，溫度隨塔板自上而下均勻上升，說明每塊塔板都起到了較好的分離效果，即每塊塔板都得到了充分利用。高壓塔的氣相質(zhì)量分率隨塔板變化圖如圖3-11所示，液相質(zhì)量分率隨塔板變化圖如圖3-12所示。圖3-10 高壓塔的溫度、氣液流量隨塔板變化圖圖3-11 高壓塔的的氣相質(zhì)量分率隨塔板變化圖圖3-12 高壓塔的的液相質(zhì)量分率隨塔板變化圖低壓塔的溫度、氣液流量隨塔板變化圖3-13，氣相質(zhì)量分率隨塔板變化圖如圖3-14所示，液相質(zhì)量分率隨塔板變化圖如圖3-15所示。圖3-13 低壓塔的溫度、氣液流量隨塔板變化圖圖3-14 低壓塔的的氣相質(zhì)量分率隨塔板變化圖圖3-15

12、低壓塔的的液相質(zhì)量分率隨塔板變化圖3.5. 塔設(shè)備參數(shù)以高壓塔為例計算和校核塔設(shè)備參數(shù)?？紤]到處理量比較小，估算的塔徑太小，不能使用篩板塔，所以選擇填料塔型式，并利用Pack Sizing估算塔徑，設(shè)置如圖3-16所示。填料塔設(shè)計，使用Sulzer公司的MELLAPAK-250X型波紋板規(guī)整填料，等板高度為0.3m。圖3-16 填料塔信息設(shè)置 由圖3-17，可見需要的填料塔徑是0.224m，最大負荷分率為0.747，最大負荷因子為0.059m/s，塔壓降1.22kPa，填料塔孔隙率為0.987。圖3-17 填料塔設(shè)計計算結(jié)果在“Block | B1 | Profiles | Hydraulic

13、s”頁面，可以看到各塊理論塔板上填料的水力學(xué)數(shù)據(jù)，如圖3-18所示。用初步計算的塔徑0.23m進一步核算。在“Block | B1 | Pack Rating”文件夾中，建立一個填料核算文件，填料位置、選用的填料型號、選用塔徑、等板高度等信息如圖3-19所示。圖3-18 塔板上的水力學(xué)數(shù)據(jù)圖3-19 填料核算參數(shù)設(shè)置由圖3-20可見，選用塔徑0.23m時，最大負荷分率為0.704，最大負荷因子為0.056m/s。因為最大負荷分率表示的是最大能力的接近值，而與最大能力的相對應(yīng)的氣體負荷略低于液泛點，因此塔徑0.23m是合適的。同理，對于低壓塔同樣選用填料塔，填料與高壓塔一致，塔徑的計算過程遵循高

14、壓塔的計算過程。計算結(jié)果為塔徑選擇0.17m時，最大負荷分率為0.673，最大負荷因子為0.0678m/s，。因此塔徑0.17m是合適的。圖3-20 填料核算計算結(jié)果總結(jié)以上，高低壓雙塔的設(shè)備參數(shù)如下表3-1所示。表3-1 高低壓雙塔的設(shè)備參數(shù)設(shè)備參數(shù)高壓塔低壓塔理論板數(shù)4020回流比6.7653再沸比3.705操作壓強8 atm1 atm塔頂溫度142.91 65.78 塔底溫度148.30 69.30 塔徑0.23 m0.17 m最大負荷分率0.7040.673最大負荷因子0.056m/s0.0678m/s3.6. 產(chǎn)品物流組成 最終的兩股產(chǎn)品物流B1（高壓塔底產(chǎn)品）和B2（低壓塔底產(chǎn)品）

15、組成如圖3-21所示。由圖3-21，四氫呋喃產(chǎn)品中乙醇的含量沒有超過0.0005，水的含量低于0.0007；通過計算可知，四氫呋喃和乙醇的收率均超過0.93，完全達到題設(shè)分離要求。圖3-21 兩股產(chǎn)品物流組成四、流程優(yōu)缺點分析由圖3-21，四氫呋喃產(chǎn)品純度達到了99.897%，乙醇含量500ppm，水含量529ppm。四氫呋喃的回收率為，乙醇的回收率為。由此可知，達到了分離要求。高低壓雙塔能耗及換熱器負荷如表4-1所示。另外，低壓塔進料冷卻器負荷5.39kW，循環(huán)流加熱器負荷3.10kW。表4-1 高低壓雙塔能耗能耗高壓塔低壓塔塔頂91.45kW31.60kW塔底91.62kW31.58kW由

16、表3-1可知，高低壓雙塔的塔頂物料可以通過循環(huán)冷卻水冷卻，塔底物料可以通過低壓蒸汽(0.8 MPa)加熱。低壓塔進料冷卻器進料溫度143，冷卻至66，故也可以使用循環(huán)冷卻水作為冷卻介質(zhì)。循環(huán)流加熱器進料溫度67，加熱至145，故也可以使用低壓蒸汽加熱。五、結(jié)論與展望本文研究了四氫呋喃乙醇的分離，選擇雙塔雙壓精餾的方法。與萃取精餾相比，雙塔雙壓精餾只需通過改變塔壓來改變共沸物的組成實現(xiàn)有效分離，原理簡單，操作易行，不會在產(chǎn)品中引入新的雜質(zhì)。因而高低壓雙塔精餾比萃取精餾更具可行性，更適合工業(yè)化的生產(chǎn)。六、參考文獻1 劉偉明, 程慶來, 劉麗波, 白鵬. 萃取精餾分離四氫呋喃-乙醇共沸物系J. 天津化工, 2009, (3).2 黃崇順. 萃取精餾分離四氫呋喃/乙醇二元共沸物D. 天津大學(xué), 2008.3 陳穎, 白鵬. 萃取精餾分離四氫呋喃-乙醇共沸物的裝置和方法Z. CN101402618, 2009.4 王英龍, 馬羽紅, 朱兆友, 王