萃取精馏分离四氢呋喃/水共沸物系的Aspen模拟

黄动昊， 张志刚， 郑立娇， 吕 明， 贾 鹏， 李文秀

(沈阳化工大学 化学工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

萃取精馏分离四氢呋喃/水共沸物系的Aspen模拟

黄动昊， 张志刚， 郑立娇， 吕 明， 贾 鹏， 李文秀

(沈阳化工大学 化学工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

以从制药废液中回收四氢呋喃为例，详细研究萃取精馏过程的Aspen Plus模拟和优化.通过实验与热力学模型预测的对比确定NRTL方程能更准确地描述THF-水-DMSO三元混合物系气液相平衡;分析THF-水-DMSO三元混合物系剩余曲线说明DMSO是萃取精馏分离该共沸物系的可行萃取剂;设计萃取精馏分离工艺流程并以萃取精馏塔为例，运用灵敏度分析对过程进行优化，结果表明：200 kmol/h进料量的常压萃取精馏，塔板数22，萃取剂和原料液分别在第4和第18块板进料，回流比1.0，溶剂比0.45的条件下可得到纯度高于99.85 %的THF，回收率高于99.5 %.

模拟； Aspen Plus； 四氢呋喃-水； 萃取精馏； 灵敏度分析

四氢呋喃(THF)是一种重要的有机合成原料和聚合物单体，同时又是优良的工业溶剂[1-2]，从制药废液中回收THF及工业合成THF后的纯化过程中会遇到THF与水的分离过程.THF是一种极性较强的环醚，质子受体溶剂，能与水形成很强的氢键作用[3-4]，虽然二者沸点相差较大，但常压下THF与水仍能形成最低共沸物，共沸温度65 ℃，其中THF摩尔分数81.7 %[5-6]，因此常压下普通精馏法无法得到高纯度THF.萃取精馏是分离共沸物系的有效方法[7-9].二甲基亚砜(DMSO)是一种典型的氢键破坏剂，能够有效地破坏THF和水之间的氢键进而打破二者的共沸.本文运用Aspen Plus流程模拟软件[10-13]，采用DMSO为萃取剂(也称溶剂)，模拟萃取精馏分离某制药厂产生的含THF废液(x(THF)=80 %)，回收溶剂THF.通过灵敏度分析优化得到可行的操作参数，为进一步实验研究及工业应用提供理论参考.

1 物性方法选择

流程模拟准确的关键在于选择合适的相平衡模型.分别采用NRTL、Wilson、UNIFAC等经典热力学模型预测w(DMSO)=20 %时THF-水-DMSO三元混合物系气液相平衡并与实验值比较，结果见图1.

图1 DMSO质量分数为20 %时三元混合物系气液相平衡实验及模型预测

从图1可以看出：NRTL模型预测的数据适中，与实验值吻合程度更高，因此采用NRTL模型进行模拟计算；另外，DMSO质量分数为20 %的THF-水之间的共沸已经被明显打破，因此以DMSO为溶剂将能大大节约溶剂用量，进而节约能耗.

2 溶剂可行性

剩余曲线是萃取精馏设计和分析的有效工具，可以对溶剂的可行与否提供参考.以DMSO为溶剂，采用NRTL模型绘制三元混合物系剩余曲线，如图2所示.图2中包含了一个不稳定节点(THF和水的共沸点)和一个稳定节点(DMSO顶点)以及两个鞍点(THF、水顶点).随着时间的增长，剩余曲线都是从最低共沸点状态向溶剂增多方向延伸，直到汇聚为一点，可以得出塔釜混合溶液中溶剂的摩尔分数逐渐增多，最终塔釜中只剩下溶剂，可知DMSO是分离THF-水的可行萃取剂.

图2 常压THF-水-DMSO三元混合物系剩余曲线

3 萃取精馏流程

图3为模拟设计流程.原料液经换热器E1预热后经流股3进入萃取精馏塔C1，与循环回来的溶剂DMSO(流股4)在塔中充分接触后，从流股8馏出高纯度的四氢呋喃.水和DMSO从塔釜经流股5馏出后通过泵打入溶剂回收塔C2.C2塔塔顶(流股7)馏出水，塔釜回收得到溶剂经流股9进入E1与原料液充分换热后回到C1塔循环利用.

图3 萃取精馏分离THF-水工艺流程

4 灵敏度分析

萃取精馏过程关键在于萃取精馏塔，因此实验以萃取精馏塔C1为例运用灵敏度分析对各主要操作参数进行优化，详细分析各参数对精馏过程的影响.模拟初始操作条件见表1.

表1 萃取精馏塔初始工艺参数

4.1 塔板数对分离过程的影响

保持其他初始参数不变，改变塔板数对分离过程的影响见图4.随着塔板数的增加塔顶四氢呋喃摩尔分数xD逐渐增大，22块板之后基本不变；另外，再沸器负荷QR及冷凝器负荷QC只有略微增大，说明塔板数增多对能耗影响不大.塔板数的增加直接导致设备投资增大，因此22块板为适宜的塔板数.

图4 塔板数对分离过程的影响

4.2 进料位置对分离过程的影响

原料液及溶剂进料位置对分离过程的影响分别见图5，图6.

图5 原料液进料位置对分离过程的影响

图6 溶剂进料位置对分离过程的影响

从图5、图6可以看出此两股进料位置过高都不利于节约能耗.图5说明靠近塔釜进料有利于提高塔顶四氢呋喃的含量，因为进料位置靠近塔釜增加了上升蒸汽与液相回流的接触时间，传质交换更充分，因此原料液在第18块板进料较为合适.与前者类似，改变溶剂进料位置塔顶四氢呋喃含量也出现峰值(见图6)，这是因为进料位置过高，溶剂容易被上升蒸汽夹带至塔顶冷凝器，过低精馏段变短都会使塔顶四氢呋喃含量下降.综合考虑在第4块板加入溶剂比较合适.

4.3 回流比对分离过程的影响

从图7可以看出：随着回流比增大，xD先增大后减小，回流比在1.0附近取得最大值，这是因为适当增加回流比有利于精馏过程的传质，但过大会稀释塔板上的溶剂，导致塔顶纯度下降；回流比增加需要上升蒸汽量增大因此能耗增加较快，但回流比为1.0时能耗仍在可接受范围之内，因此将回流比定为1.0.

图7 回流比对分离过程的影响

4.4 溶剂比对分离过程的影响

图8反映了溶剂比(溶剂与原料液进料的摩尔比)对分离过程的影响.溶剂比增大溶剂与二元物系作用更充分，塔顶四氢呋喃含量迅速增大，0.45之后增加不明显，由于溶剂沸点较高，随着溶剂比增大再沸器负荷急剧增大，但只有极少量的溶剂进入冷凝器，所以冷凝器负荷基本保持不变，综合考虑，此处溶剂比选择0.45.

图8 溶剂比对分离过程的影响

5 模拟结果

经过一系列灵敏度分析优化得到萃取精馏塔适宜的设计及操作参数，如表2所示.由于水和DMSO沸点相差很大，普通精馏即可达到回收溶剂的目的.溶剂回收塔可以预先运用DSTWU简捷计算出回流比、塔板数等基本操作参数，见表3.其进行灵敏度分析过程与萃取精馏塔类似，这里不再赘述.溶剂回收塔的主要设计及操作参数见表4.本次模拟连续萃取精馏分离THF-水共沸物系最终可得到纯度为99.856 %(摩尔分数)的THF，回收率为99.544 %，达到工业生产要求，具体流股信息见表5.

表2 萃取精馏塔主要工艺参数

表3 溶剂回收塔DSTWU简捷计算结果

表4 溶剂回收塔主要工艺参数

表5 主要流股模拟结果

6 结 论

运用Aspen Plus 流程模拟软件对连续萃取精馏分离THF-水二元共沸物系进行详细模拟计算.通过实验及模型预测的比较说明NRTL方程能够很好地描述THF-水-DMSO的三元相平衡.通过三元混合物系的剩余曲线分析得到DMSO是萃取精馏分离THF-水的可行溶剂.以萃取精馏塔为例进行了一系列灵敏度分析，系统考察各主要操作变量对产品纯度及能耗的影响，综合分析后得到较优的设计及操作条件，最终模拟结果能够满足生产要求，详见表2～表4，给实际生产提供了参考.

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Extractive Distillation of Tetrahydrofuran/Water Mixture Simulated by Aspen

HUANG Dong-hao, ZHANG Zhi-gang, ZHENG Li-jiao, LÜ Ming, JIA Peng, LI Wen-xiu

(Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang 110142, China)

In this paper,we take the instance of recovering THF from pharmaceutical wastes to investigate the simulation and optimization of extractive distillation process using Aspen Plus.Firstly,the contrast of experimental data with thermodynamic model prediction indicates that NRTL model describes the VLE behavior of THF-water-DMSO system more accurately.Analyzing the residue curve map of THF-water-DMSO system shows that DMSO is a feasible entrainer.The extractive distillation process is established and optimized taking extraction distillation column as an instance through sensitivity analysis.The influences of process parameters are explored.The results show that while the feed rate is set as 200 kmol/h under atmospheric pressure,stage number 22,entrainer and the binary mixture fed on 4thand 18thstage respectively， reflux ratio 1.0,solvent ratio 0.45 is optimized condition under which we can obtain THF purer than 99.85 %,and the recovery of THF can be higher than 99.5 % meeting the requirements of industrial design.

simulation; Aspen Plus; tetrahydrofuran-water; extractive distillation; sensitivity analysis

2013-12-10

国家自然科学基金(21076126);辽宁省高等学校优秀科技人才支持计划(LR2012013)

黄动昊(1988-)，男，河南开封人，硕士研究生在读，国家奖学金获得者，主要从事传质与分离方面的研究.

张志刚(1968-)，男，吉林长春人，教授，博士，主要从事传质与分离方面的研究.

2095-2198(2015)03-0211-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.03.005

TQ028.3

A