甲苯-正庚烷共沸体系萃取精馏分离的模拟与优化

包 力

(吉林化工学院成人教育学院，吉林吉林132022)

对于混合物的分离，若被分离体系中各组分的挥发度差别较大时，可优先考虑普通精馏技术，但当各组分的挥发度差别较小或形成共沸物时，采用普通精馏方法分离所需理论塔板数会很多、能耗会很高，对共沸体系也很难得到理想的分离要求，针对这一类混合物，常见分离方法有萃取、萃取精馏、共沸精馏、加盐萃取精馏和膜分离等等［1-4］.其中萃取精馏的方法是在普通精馏过程中添加一种或几种萃取剂(或称溶剂)，从而增大待分离组分间的相对挥发度，达到有效分离的目的，该方法适用于近沸或共沸体系的分离［1］.其优点是装置相对简单、处理量大和可连续有效地分离，是目前工业上最为广泛应用的分离近沸或共沸体系的方法之一［5-7］.本文针对甲苯-正庚烷共沸体系的特点，选择苯酚为萃取剂，以Aspen Plus软件为工具，对萃取精馏全流程进行模拟优化.旨在优化萃取精馏塔的最佳分离操作条件，为工业化设计提供理论指导.

1 模型建立

1.1 工艺过程

萃取精馏分离流程是由萃取精馏塔和溶剂回收塔组成的双塔流程.溶剂和原料分别从萃取精馏塔进料，在塔顶得到产品正庚烷，含有甲苯的塔釜液进入溶剂回收塔，在溶剂回收塔塔顶得到产品甲苯，塔釜为含少量甲苯的溶剂返回萃取精馏塔重复利用.

1.2 模拟条件

取原料进料量100 kmol/h为计算基准，根据萃取精馏溶剂选择原则，选取苯酚为萃取剂.由于本体系属于强的非理想物系，故热力学模型选择NRTL方程.分离要求为正庚烷摩尔分数在0.995以上，经计算分析萃取精馏塔全塔总理论板数30块，溶剂回收塔总理论板20块.采用RadFrac模块，对萃取精馏过程进行全流程模拟优化计算.采用Sensitivity灵敏度分析模块，对萃取精馏塔原料进料位置、萃取剂进料位置、溶剂比及回流比等工艺条件进行优化设计计算.

2 模拟结果与讨论

2.1 原料进料位置

原料进料位置对萃取精馏塔塔顶正庚烷摩尔分数(xd)及塔底热负荷(QR)的影响见图1.由图1可见，xd和QR随着进料位置下移呈明显的增大趋势，但在第21到第25块板之间的影响差异很小.其原因为随原料进料位置的下移，塔的精馏段增长，使得正庚烷和甲苯的分离效果逐渐增强.因此，综合考虑分离效果和能耗问题，适宜原料进料位置可选在第21-25块塔板间.

图1 原料进料位置对xd及QR的影响

2.2 萃取剂进料位置

萃取剂进料位置对萃取精馏塔xd及QR的影响见图2.由图2可见，萃取剂进料位置从第2块板下移到第8块板时，xd和QR均呈明显增加趋势;而萃取剂的进料位置继续下移至11板时，xd变化很缓慢，但继续下移时，xd呈快速下降趋势.导致这一结果的原因是随着萃取剂进料位置下移，精馏段的板数减少，分离效果下降，但当萃取剂进料位置离塔顶过于接近时，会导致部分萃取剂被塔内气相直接带出塔顶，影响了萃取剂在塔内的浓度，使得分离效果下降.因此，综合考虑分离效果和能耗问题，适宜萃取剂进料位置可选在第8～11块板间.

图2 萃取剂进料位置对xd及QR的影响

2.3 溶剂比

溶剂比(溶剂进料摩尔流量对原料进料摩尔流量比)对萃取精馏塔xd及QR的影响见图3.由图3可见，随溶剂比的增大，xd呈增大趋势，但当溶剂比超过2.0以后，对xd数的影响效果不是很明显.这主要是由于随溶剂比的增大，塔内各塔板上溶剂的含量增大，从而加强了溶剂与甲苯、正庚烷间的相互作用，有效地增大了二者间相对挥发度，使得分离效果增强;但溶剂比若继续增大，萃取剂对塔内甲苯-正庚烷物系有稀释作用，降低了萃取剂的作用，使得分离的效果增强不明显.另外，过高的溶剂比还会增加塔的热负荷以及设备操作负荷.因此，综合考虑分离效果和能耗问题，适宜溶剂比可选在 2.0 ～2.3.

图3 溶剂比对xd及QR的影响

2.4 回流比

回流比对萃取精馏塔xd及QR的影响见图4.萃取精馏与普通精馏不同，在普通精馏中，回流比的增大总是有利于xd提高.由图4可见，在回流比小于6.5时，增大回流比可明显提高xd，但当回流比大于6.5之后，随着回流比的继续增大，xd在逐渐下降.这是由于在萃取精馏过程中，回流比的增大会导致塔内液相流率的增加，若萃取剂没有按比例相应增加，则回流比增大会造成萃取剂浓度和溶剂比降低，从而削弱了萃取剂的作用，使得分离效果下降.因此，综合考虑分离效果和能耗问题，适宜回流比可选在6.5～7.0.

图4 回流比对xd及QR的影响

2.5 优化设计结果

以苯酚为溶剂，萃取精馏分离甲苯-正庚烷共沸

物全流程模拟优化后的最佳工艺参数见表1.

表1 全流程优化后的最佳工艺参数

在最佳工艺操作条件下，萃取精馏塔内组分液相摩尔浓度分布见图5.由图5可见，以苯酚为萃取剂萃取精馏分离甲苯-正庚烷共沸物能够达到很好的分离效果.

图5 液相摩尔浓度分布

3 结 论

采用Aspen plus流程模拟软件，对甲苯-正庚烷共沸体系的萃取精馏分离全流程进行模拟研究.最佳工艺参数为:萃取精馏塔的理论板数为30块，原料进料为第23板，萃取剂进料为第9板，回流比为6.5，溶剂比为2.2;溶剂回收塔的理论板数为20块，进料位置为12，回流比为2.在此最佳操作条件下，产品正庚烷摩尔分数达到0.998.模拟优化结果可为甲苯-正庚烷萃取精馏分离工艺工业化设计提供了理论依据和设计参考.

［1］ 刘家祺.分离过程［M］.北京:化学工业出版社，2002:91-149，388-404.

［2］ 邓修，吴俊生.化工分离工程［M］.北京:科学出版社，2000:63-78.

［3］ 曹亚光，周荣琪，段占庭.加盐萃取精馏制取无水乙醇的过程模拟［J］.计算机与应用化学，2003，20(1):153-155.

［4］ 叶青，肖国栋.共沸精馏分离正己烷和乙酸乙酷的模拟研究［J］.常州大学学报:自然科学版，2010，22(2):31-33.

［5］ 刘奇琳.浅析萃取精馏技术的研究［J］.佳木斯教育学院学报，2011，120(6):124-125.

［6］ 张春勇，郑纯智，唐江宏，等.萃取精馏分离甲基环己烷和甲苯工艺过程的模拟［J］.石油化工，2011，40(5):532-535.

［7］ 陈琦，顾正桂.基于Aspen的正丁醇-异丁醇萃取精馏工艺设计及优化［J］.现代化工，2014，34(1):145-148.