分隔壁精馏塔分离柑皮精油中D—柠檬烯的模拟研究

胡女丹 周剑丽 覃引

摘要：应用Aspen Plus软件分析柠檬烯与椪柑（Citrus reticulata Blanco cv. Ponkan）皮精油其他主要成分的二元系统在0.1 kPa下相平衡关系，并建立常规双塔精馏和分隔壁塔精馏分离（DWC）模型对椪柑皮精油提纯D-柠檬烯进行工艺模拟。通过三塔模型对分隔壁精馏塔进行计算，计算结果作为初值，利用Aspen Plus软件中Multifrac-Petlyuk模块对DWC进行严格模拟计算，并利用灵敏度分析回流比、进料位置、测线采出位置、互联位置以及互联物流气液相流率对分离效果及再沸器热负荷的影响，在优化条件下，得到纯度为97.20%的D-柠檬烯，回收率为93.75%。分隔壁塔精馏比双塔精馏的再沸器热负荷节省39.65%。

关键词：分隔壁塔；精馏；椪柑（Citrus reticulata Blanco cv. Ponkan）皮精油；模拟；节能

中图分类号：TQ028.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）10-2451-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.039

作为柑橘主要功能性成分的柑橘精油含有60%～95%的柠檬烯，柠檬烯具有多种生理和生物活性，在食品、农药、医药、工业等众多领域中有广泛的应用[1]。中国拥有丰富的柑橘资源，但其果皮大部分作为垃圾被丢弃，研究从柑橘皮精油中提取柠檬烯有着重要的意义。

分隔壁精馏塔（Dividing Wall Column，简称DWC）是一项新的节能塔技术[2]，其特点是在精馏塔内部设置一垂直隔板，分隔壁精馏塔具有以下优点：可以减小中间组分的反混而大幅度提高热力学效率；同时，减少设备的数目及投资[3-10]。目前国内对分隔壁精馏塔应用研究还不多，用分隔壁精馏塔分离提纯橘皮精油中柠檬烯的试验和模拟研究尚未见报道。本研究以椪柑（Citrus reticulata Blanco cv. Ponkan）皮精油为对象，通过Aspen Plus软件模拟，分析分离柠檬烯的分隔壁塔各关键工艺参数对分离效果的影响，对比常规精馏和分隔壁塔精馏的节能效果，旨在为桠柑皮精油提纯柠檬烯的研究和应用提供理论依据。

1 分离对象的气液平衡

试验以常见的碰柑皮精油[11]为研究对象，以D-柠檬烯为基准组分，用Aspen Plus软件计算椪柑皮精油主要成分与D-柠檬烯的二元系统在0.1 kPa下的相平衡数据并绘制相图（图1）。比D-柠檬烯易挥发的组分依次为3-蒈烯、α-蒎烯、侧柏烯、β-松油烯，比D-柠檬烯难挥发的组分是异松油烯和芳樟醇，异松油烯相平衡曲线离对角线的距离近，说明异松油烯与D-柠檬烯分离比芳樟醇难得多。本研究将分离对象简化为轻组分（以3-蒈烯代表）、D-柠檬烯、重组分（以异松油烯代表）的混合物，比3-蒈烯容易分离的轻组分和比异松油烯容易分离的重组分都能与柠檬烯分离。

2 常规精馏工艺流程及模拟结果

分离对象椪柑皮精油的成分及含量：D-柠檬烯68%、3-蒈烯20%、异松油烯12%。50 ℃饱和液体进料。分离要求：D-柠檬烯的纯度≥97%，D-柠檬烯的回收率≥93%。从3组分椪柑皮精油中分离提纯中间组分D-柠檬烯通常需要2个精馏塔，双塔有直接序列或间接序列2种流程，本研究采用直接序列（图2）。采用UNIFAC-DMD物性方法，首先通过DSTWU模型进行估算，计算结果作为RADFRAC模型严格计算的初值，模拟计算并优化后D-柠檬烯的纯度为97.2%，回收率为93.65%。模拟结果中两塔各参数值见表1。

3 分隔壁塔精馏模拟研究

分隔壁塔精馏模拟研究的分离要求、进料条件与常规双塔精馏相同。首先通过三塔模型对分隔壁精馏塔进行计算（图3），得到严格计算的初值，分隔壁精馏塔和全热耦合精馏Petlyuk塔在热力学上等效，所以再利用Aspen Plus软件中Multifrac-Petlyuk模块对DWC在0.5 kPa时提纯D-柠檬烯进行严格模拟计算[12，13]，该模块将DWC分为主塔和预分塔（图4），最后利用灵敏度分析进料位置、回流比、侧线采出位置、互联物流气液相流量对产品D-柠檬烯纯度及塔底热负荷的影响，确定最佳的工艺参数。

3.1 回流比

在其他参数不变的情况下，考察回流比对产品D-柠檬烯纯度和再沸器热负荷的影响（图5）。由图5可知，再沸器热负荷随回流比的增大而直线上升，产品纯度也随回流比的增大而提高，在回流比大于14时，产品纯度变化趋势平缓，回流比大于13时，产品纯度大于97%，因此，回流比确定为13.5。

3.2 进料位置

原料的进料位置（基于预分塔）对DWC精馏效果的影响见图6。由图6可知，随着进料理论板数的增加，再沸器的热负荷存在最小值，产品纯度存在最大值，因此取产品纯度达到分离要求时再沸器热负荷最小所对应的进料位置，即进料位置为第9块塔板。

3.3 侧线采出位置

图7显示了产品D-柠檬烯侧线采出位置对再沸器热负荷的影响。由图7可知，随着侧线采出的理论板下移，再沸器热负荷直线下降，产品纯度先增大后减小，取产品纯度满足分离要求、再沸器热负荷最小对应的位置，即侧线采出位置为主塔第37块塔板。

3.4 互联位置

当预分塔塔板数一定时，预分塔与主塔互联上端位置确定，互联下端位置也就确定。预分塔与主塔互联上端位置对产品纯度和再沸器热负荷的影响与进料板位置的影响相似（图8）。由图8可知，再沸器的热负荷随塔板数的增加先减小后增大，在互联位置为第13～18块塔板时再沸器的热负荷处于曲线的谷底，相差较小；产品纯度先增大后减小，在互联位置为第15块塔板时存在最大值，所以互联位置确定为第15块塔板。

3.5 互联物流气液相流率

互联位置的液相和气相分流是分隔壁塔的最大特点，其流率直接影响能耗和组分的分离效果。在其他条件不变的情况下，考察液相流率对精馏产品纯度和能耗的影响（图9）。由图9可知，随着液相流率增大，产品纯度曲线存在最大值，再沸器热负荷曲线存在最小值，在液相流率为225 kg/h时，产品纯度达到最大时，再沸器热负荷刚好处于最小值，因此液相流率定位225 kg/h。气相流率的影响和液相流率相似（图10），产品纯度最大时再沸器热负荷最小，因此确定气相流率为310 kg/h。分隔壁精馏塔分离椪柑皮精油中D-柠檬烯的模拟经优化后产品纯度为97.20%，柠檬烯回收率为93.75%，具体模拟结果见表2。

4 结论

分隔壁精馏塔分离椪柑皮精油中D-柠檬烯，经优化后产品纯度为97.20%，柠檬烯回收率为93.75%。在产品纯度和回收率相当的情况下，常规双塔精馏时再沸器热负荷总和为92.30 kW，分隔壁塔精馏时再沸器热负荷为55.7 kW，比双塔精馏节省能量39.65%。

用化工模拟软件Aspen Plus计算椪柑皮精油主要成分与D-柠檬烯的二元系统在0.1 kPa下的相平衡数据并绘制相图，分析其他成分与柠檬烯分离的难易程度。为成分相似的橘皮精油如橙皮精油、柠檬皮精油分离提取D-柠檬烯提供参考。

用Aspen Plus软件对常规双塔精馏和分隔壁塔精馏分离D-柠檬烯进行模拟并优化，得到两种精馏达到分离要求所需的理论板数、进料位置和回流比等结果。比较在产品纯度和回收率相当的情况下，分隔壁塔精馏和双塔精馏的节能效果，计算结果表明，分隔壁塔精馏比双塔精馏节省能量39.65%。

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