丙酮―甲醇混合物萃取精餾分離過程合成與模擬

1、丙酮甲醇混合物萃取精餾分離過程合成與模擬當(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

2、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 C、64.7 C,在1atm下，丙酮和甲醇形成最低恒沸物，最低恒沸點(diǎn)為55.7 C,恒沸物組成為80%mol丙酮。水的正常沸點(diǎn)是 100C，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

3、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 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

4、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%m ol 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)是著手對萃取 精餾塔和溶劑回收塔作詳細(xì)設(shè)計(jì)。采用試

5、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 DSTW 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

6、 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-RE （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

7、計(jì)算采用 O' Connell 關(guān)聯(lián)式： Eo=50.3 （ a u） -0.226 ，相對揮發(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 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，

8、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， 可見這一段對丙酮具有明顯的氣 提效果； 溶 劑水濃度的變化趨勢正好與丙酮的變化趨勢相反， 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)

9、算結(jié)果均為對 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 為其中有 59mol?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 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（mOD ， 塔頂丙酮濃度達(dá)到 95.5% , 回收率達(dá)到 99%