分隔壁萃取精馏塔分离乙酸乙酯-异丙醇

索潇萌, 戴　昕，虞　昊，张　浩，叶　青

(常州大学 石油化工学院，江苏 常州213164)



分隔壁萃取精馏塔分离乙酸乙酯-异丙醇

索潇萌, 戴昕，虞昊，张浩，叶青

(常州大学 石油化工学院，江苏 常州213164)

摘要：采用分隔壁萃取精馏塔，以乙二醇为溶剂将乙酸乙酯与异丙醇分离。基于装置的实际条件进行Aspen Plus模拟，考察溶剂比、溶剂温度、回流比等条件对其分离效果的影响，同时评估其经济性。模拟得到理想的操作条件为左回流比3.5、右回流比1.5、溶剂比4、溶剂温度90℃、混合物进料位置偏下。模拟结果表明，溶剂比和左侧回流比、左侧回流比和右侧回流比在操作上存在关联；其他条件一定时，溶剂温度存在唯一值，使得两侧产品的质量分数同时达到最优；分隔壁塔与常规流程相比在经济性上具有很大优势，可节能11%和降低25%设备费。用实验验证模拟结果时，右侧产品质量分数偏低，但可通过调节右侧回流比解决这个问题。最终达到左侧出料乙酸乙酯的质量分数为98.82%，右侧出料异丙醇的质量分数为97.88%。

关键词：分隔壁塔; 萃取精馏; 乙酸乙酯; 异丙醇; 节能

乙酸乙酯(常压沸点77.2℃)和异丙醇(常压沸点82.5℃)都是常用的化工有机溶剂。在制备氨苄西林钠的过程中产生大量乙酸乙酯-异丙醇(EA-IPA)废液，对废液的回收利用可以减少排污和提高溶剂的利用率。但是，这两种物质能形成最低共沸物(74%质量分数乙酸乙酯，101.3 kPa)，常规精馏无法实现高纯度的分离。采用萃取精馏[1]、变压精馏[2]、薄膜蒸发[3]、共沸精馏[4]可以对共沸物进行分离，但从能耗、技术成熟度、可操作性考虑，萃取精馏是分离沸点相近混合物或共沸物的主要选择。萃取精馏的原理是，加入某一重组分溶剂以改变共沸物组分间的相对挥发度，从而实现分离提纯。

工业上萃取精馏一般采用两塔流程，即一塔萃取分离共沸物，一塔回收溶剂，如图1所示。采用新兴的分隔壁萃取精馏技术可以实现一塔式分离共沸物，达到降低设备投资和能耗的目的，其概念设计如图2所示。在精馏塔内部置有一块垂直的隔板联通至塔的顶部，将塔的内部分割成左、右、下3个部分。左右部分相当于常规流程的萃取塔和回收塔，下部相当于两塔共用的一个提馏段。由于分隔壁塔减少返混[5]，与常规的两塔流程相比节能10%～20%。同时，只用一个塔同时完成萃取精馏和溶剂回收，少用1个塔和1个再沸器，设备投资减少20%～30%[6-8]。图2中，V1为左侧塔釜上升蒸气量，V2为右侧塔釜上升蒸气量，V为总塔釜上升蒸气量。

随着节能要求的提升，分隔壁萃取精馏在其他领域的应用趋于活跃。关于分隔壁萃取精馏的研究以模拟为主，实验研究却少见[9-10]。笔者以乙酸乙酯-异丙醇为分离体系，参考分隔壁萃取精馏概念设计[11-13]，自行设计和建造了分隔壁萃取精馏实验装置，采用模拟[14-15]和实验相结合的方法研究萃取精馏一些操作条件，同时评估了分隔壁塔的经济性。

图1　二塔常规萃取精馏示意图

图2　分隔壁萃取精馏分离乙酸乙酯(EA)-异丙醇(IPA)

1实验部分

1.1　试剂

乙酸乙酯(EA)、异丙醇(IPA)，分析纯，江苏强盛功能化学股份有限公司产品；乙二醇，分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司产品。

1.2　分析方法

采用上海海欣色谱仪器公司GC-950气相色谱仪分析萃取产物的组成。FID检测器，弹性石英毛细管色谱柱，尺寸为30 m×0.32 mm×0.4 μm，固定相为5%SE-30；柱温180℃，气化温度210℃，检测室温度210℃；载气为N2，流量30 mL/min，进样量为0.5 μL。色谱工作站软件为N2000。

1.3　分隔壁萃取精馏实验装置及实验方法

1.3.1分隔壁萃取精馏装置

自制的分隔壁萃取精馏实验装置如图3所示。根据分隔壁萃取精馏塔的概念设计，塔内上部用金属板隔成萃取段和异丙醇段左、右两个部分，隔板底部到塔釜为提馏段。左半部进行萃取精馏，乙酸乙酯从其顶部采出；右半部分离异丙醇和溶剂，异丙醇从其顶部采出；塔的底部采出经提馏段提纯的乙二醇溶剂。

萃取段高度为1500 mm, 异丙醇段高度为1200 mm,提馏段高590 mm，塔内径40 mm。内置隔板的厚度0.5 mm，位于内部截面的中心位置。溶剂进料口距离萃取段顶部120 mm，乙酸乙酯-异丙醇混合进料口距溶剂进料口下800 mm或1200 mm。全塔采用Dixon环(2 mm×2 mm)填充。塔釜为2000 mL三口烧瓶，采用800 W电热包加热，用热电偶测量和控制塔釜温度。采用冷却水冷却塔顶左、右两侧蒸气出料，冷凝装置为蛇形冷凝管。左、右两个回流比相互独立，均采用TC-1微电脑控制器控制。

采用油浴锅加热导热油到特定温度。采用蛇形冷凝管预热装置，以不同温度的导热油预热溶剂和乙酸乙酯-异丙醇混合进料。采用数显式蠕动泵控制混合物、溶剂和导热油的流量。

图3　分隔壁萃取精馏(EDWC)分离乙酸乙酯(EA)-

采用乙醇/异丙醇体系，结合芬克斯公式和安托因方程测定塔的总理论板数为20，以便为计算机模拟提供实际参数。根据各段填料高度的比例换算各段的理论板数，萃取段理论板数为14块，异丙醇段为11块，提馏段为6块。溶剂进料位于第2块板，乙酸乙酯-异丙醇进料位于第7块或第11块。

1.3.2实验方法

实验开始前，在塔釜内加入少量乙酸乙酯和溶剂乙二醇。

实验开始，启动温控和回流比控制装置，通电加热塔釜，打开左、右两侧塔顶冷凝水，在全回流下操作。待全回流稳定，打开溶剂进料泵。待塔釜温度达到实验设定值后，打开乙酸乙酯-异丙醇混合进料泵，调整左、右两侧回流比，开始收集塔顶两侧出料。每30 min取样一次并分析，直至左、右两侧产品组成恒定，停止实验。乙酸乙酯与异丙醇进料的质量比为1，进料流速为0.340 kg/h。采用120℃的导热油进行预热，调整导热油流速使混合物进料达到气化状态。

实验考虑的操作条件包括溶剂比(即溶剂与混合物进料的质量比(S/F)，以下同)、溶剂温度、左侧回流比、右侧回流比、进料位置、塔釜温度等。由于分隔壁萃取精馏的操作变量多，变量间关联性大，故在实验前先进行模拟研究，以便直接找到可以参考的操作条件。

2结果与讨论

2.1　分隔壁萃取精馏分离乙酸乙酯-异丙醇的模拟研究

采用文献[16]提出的分隔壁三塔模型，结合实验测定的理论板数和进料位置，在Aspen Plus上进行严格模拟，模拟过程如图4所示。将分隔壁塔等价成一个三塔模型，每个塔都采用Aspen Plus软件中的RadFrac模块模拟。相比于其他模型，这个模型可固定气相分配比(V1/V)。由于在实验中分隔壁塔的隔板处于中心位置，故模拟时分配比的值取0.5[11,16]。理论板数、进料位置所在的理论板数和进料条件均采用实验值。模拟主要对溶剂比，溶剂进料温度，左、右侧回流比等条件进行优化。采用的混合物进料流量为1000 kg/h。采用NRTL物性方程描述各组分气-液平衡关系。

图4　分隔壁萃取精馏(EDWC)的Aspen三塔模型图

2.1.1溶剂比和左侧回流比对分离效果的影响

在右侧回流比为0.5、溶剂温度为90℃、进料位置处于上部时，考察溶剂比和左侧回流比对分离效果的影响。模拟研究发现，左侧产品(D1)中乙酸乙酯质量分数受溶剂比和左侧回流比的共同影响。图5反映的是利用Aspen Plus中的Design Spec/Vary功能将D1中乙酸乙酯质量分数维持在99%，且塔釜(B1)乙二醇质量分数维持在99.9%时，左侧回流比和溶剂比的关系。图6为分隔壁萃取精馏模拟中能耗和溶剂比的关系。由图5看到，回流比随着溶剂比的增大而减小，这是因为增大溶剂量会减弱乙酸乙酯和异丙醇分子之间力的作用，使分离变得容易，也说明了溶剂比和左侧回流比在实验操作上存在关联。由实验结果可知，溶剂比和左回流比操作点可以分为3个区域。操作处于1区时，D1中乙酸乙酯质量分数不能达到设定值；操作处于2区时，D1中乙酸乙酯质量分数不能达到设定值，D2中异丙醇质量分数可以达到设定值；操作处于3区时，D1中乙酸乙酯质量分数和D2中异丙醇质量分数均可达到设定值。综合图5与图6可知，若溶剂比和回流比过大，能耗会显著增加，且回流比过大会给分离效果带来负面影响，因为产品回流量过大会稀释溶剂。因此操作点不应该过度偏离斜线。

图5　分隔壁萃取精馏(EDWC)模拟中左回流比与

图6　分隔壁萃取精馏(EDWC)模拟中能耗和

图7为溶剂比对右侧产品(D2)中异丙醇质量分数的影响。由图7看到，随着溶剂比的增大，D2中异丙醇质量分数升高。这是因为萃取段的乙酸乙酯和异丙醇的分离变好，更少的乙酸乙酯被夹带到右侧。故从模拟和分离效果上讲，3区和1区的交线是可行的操作点，1、2、3区交界点是产品质量分数达到要求时能耗最低的操作点。当然，这个规律只是说明在其他操作条件确定的情况下，左侧回流比和溶剂比存在数量上的关系。一旦其他操作条件改变，二者的数量关系也发生变化，操作点也发生变化。

图7　分隔壁萃取精馏(EDWC)模拟中溶剂比(S/F)对

2.1.2右侧回流比对分离效果的影响

在溶剂比为4、混合物进料处于下部时，考察右侧回流比对分离效果和对左侧回流比的影响。因为分隔壁塔本身就是高度热耦合的精馏系统，塔顶2个冷凝器和再沸器之间存在热量输入与移出的平衡关系，因此改变右侧回流比也会对分离产生很大影响。

图8为分隔壁萃取精馏(EDWC)模拟中不同左侧回流比下右侧回流比对左侧产品中乙酸乙酯和右侧产品中异丙醇质量分数的影响。由图8看到，右侧回流比对分离效果影响十分明显。在左侧回流比一定的情况下，随着右侧回流比的上升，左侧产品先大致维持恒定后逐步下降，右侧产品的质量分数先逐步上升后大致维持恒定。当左侧回流比确定时，存在唯一的右侧回流比使得左、右两侧产品的质量分数同时达到最大。当左侧回流比为3时，右侧回流比设定在0.5处，两侧产品的质量分数较高；当左侧回流比为3.5时，右侧回流比设定在0.8处，两侧产品的质量分数较高；当左侧回流比为4时，右侧回流比设定在1.0处，两侧产品的质量分数较高；当左侧回流比为4.5时，右侧回流比应设定在1.6处，两侧产品的质量分数较高。即左、右两侧的回流比应该匹配才能得到较好的分离效果。

图8　分隔壁萃取精馏(EDWC)模拟中不同左侧回流比

当右侧回流比增大时，再沸器热量输入增加，分隔壁左侧分配到的热量也增加；当热量与萃取精馏所需热量刚好相等时，分隔壁塔的分离效果较好。热量偏多导致部分异丙醇从左侧塔顶被带出，造成D1中乙酸乙酯质量分数偏低；热量偏少将导致乙酸乙酯不能完全从左侧塔顶采出，而进入异丙醇段，造成右侧出料中异丙醇质量分数偏低。

2.1.3溶剂温度对分离效果的影响

在溶剂比为4、左侧回流比为3.5、右侧回流比为0.8时，考察溶剂温度对分离效果的影响，结果见图9。

图9　分隔壁萃取精馏(EDWC)模拟中溶剂温度对

由图9可知，在60～90℃溶剂温度范围内，D1中乙酸乙酯质量分数可以保持在98%以上，但超过90℃后，质量分数开始降低；D2中异丙醇质量分数

随溶剂温度升高逐渐上升，但超过90℃后，质量分数保持在95%左右，基本不变。两种产品的质量分数都在溶剂温度为90℃时较高。

一般情况下，溶剂对目的产物的选择性随温度的升高而下降[17]。溶剂温度较低时，溶剂选择性高，异丙醇蒸气全部夹带进乙二醇溶剂，故D1中乙酸乙酯的质量分数高；若溶剂温度过低，部分乙酸乙酯会被带入提馏段，导致D2中异丙醇质量分数下降。溶剂温度过高时，溶剂选择性会有所降低，萃取段中乙酸乙酯和部分异丙醇从左侧塔顶馏出，故D1中乙酸乙酯质量分数变低，而D2中异丙醇质量分数维持较高。综上所述，溶剂温度应控制在90℃。

2.1.4乙酸乙酯-异丙醇混合物进料位置对分离效果的影响

在实验装置中，乙酸乙酯-异丙醇进料有上、下2个可选的进料位置，分别位于理论板的第7和第11块。在左侧回流比3.5、溶剂比4、溶剂温度90℃条件下，考察不同的进料位置对分离效果的影响。结果显示，混合进料位于第7块板时，左侧乙酸乙酯质量分数为97.57%，右侧异丙醇质量分数为94.52%；混合进料位于第11块板时，左侧乙酸乙酯质量分数可达99.02%，右侧异丙醇质量分数可达97.85%，后者的分离效果优于前者。这是因为下部进料使得溶剂和混合物进料之间的接触时间变长，更有利于萃取分离。故混合物应使用下部位置进料。

2.1.5经济性评价

考察分隔壁萃取精馏塔的经济性，通常在实现相同分离程度的条件下与常规两塔流程比较[18-20]，结果列于表1。根据常规流程中两塔的作用和分隔壁塔3个部分功能的比较，萃取塔塔板数是分隔壁塔的萃取段和提馏段的塔板数之和，而溶剂回收塔的塔板数是分隔壁塔的异丙醇段与提馏段塔板数之和。与常规流程相比，分隔壁塔节能11%，总设备费用减少25%。

表1　分隔壁萃取精馏(EDWC)模拟分离乙酸乙酯(EA)-异丙醇(IPA)的经济性比较

C1—The extractive distillation column; C2—The entrainer recovery column

2.2　分隔壁萃取精馏分离乙酸乙酯-异丙醇体系模拟结果与实验结果的对比

由上述模拟结果得到最优的模拟条件为溶剂比4、溶剂温度90℃、左侧回流比3.5、右侧回流比0.8、塔釜温度197℃、下部位置进料。将最优的模拟结果直接运用到实验中，重复多次，模拟结果与实验结果列于表2。从表2可见，实验1得到的 D1中EA的质量分数最高，且稍优于模拟结果，但D2中异丙醇质量分数低于模拟结果。这个差异是由于Aspen Plus模拟研究未能考虑到塔内部流体力学的差异；在萃取段内，溶剂向下流动和混合物向下接触的同时也影响了气态物质的向上传递，即左侧的热输入量少于其在模拟研究的热输入。解决的方法是增大右侧的回流比，使得从提馏段上升到萃取段和异丙醇段的蒸气增多，从而实现左、右两侧的热量再平衡。实验2是其他条件不变，右侧回流比改为1.5时的结果，实验结果与模拟结果大致相符。实验3是其他条件不变，将右侧回流比调整为2.0时的结果；与实验1结果相较，D2中异丙醇质量分数上升，但是D1中乙酸乙酯质量分数有所下降。原因是左、右两侧热量分配未能达到平衡，左侧分配的热量增多，导致部分异丙醇从塔的左侧采出。故本实验最优操作条件为左侧回流比3.5、右侧回流比1.5、溶剂比4、溶剂温度90℃、下部位置进料。

表2　分隔壁萃取精馏分离乙酸乙酯-异丙醇实验结果与

S/F=4; Left reflux ratio of 3.5; Solvent temperature of 90℃; The feed location at 11thor lower position

3结论

(1) 根据分隔壁萃取精馏塔实验装置的参数和条件，建立EDWC三塔模型并研究分离乙酸乙酯-异丙醇的操作条件。模拟结果表明，在右侧回流比一定的情况下，左侧回流比和溶剂比存在操作上的关联，且存在使分离效果和节能效果最优的溶剂比和左侧回流比。在溶剂比，左、右回流比和进料位置确定的情况下，存在使分离乙酸乙酯-异丙醇达到最优的溶剂温度。在本实验的条件下，混合物进料位置处于精馏塔下部较好。模拟达到的质量分数为左侧产品乙酸乙酯质量分数为99.02%，右侧产品异丙醇质量分数为97.85%。

(2) 分隔壁萃取精馏塔与常规两塔流程相比，能节能11%和降低设备费25%。

(3) 实验结果和模拟结果存在差异。D2中异丙醇质量分数达不到模拟时的结果。通过调节右侧回流比，改变隔板两侧热量的重新分配可以解决这个问题，最终得到左侧产品乙酸乙酯质量分数为98.82%，右侧产品异丙醇质量分数为97.88%。

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Separation of Ethyl Acetate-Isopropyl Alcohol by Extractive Dividing Wall Column

SUO Xiaomeng, DAI Xin, YU Hao, ZHANG Hao,YE Qing

(InstituteofPetrochemicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213164,China)

Abstract：An extractive dividing wall column (EDWC) was established and used for separating ethyl acetate-isopropyl alcohol (EA-IPA). Operation conditions including solvent ratio, solvent temperature, reflux ratio and etc. were investigated by using ethylene glycol as solvent. Based on the actual conditions of the EDWC, simulations were run to obtain ideal operating conditions, and economics of EDWC was also evaluated. The ideal operation conditions were left reflux ratio of 3.5, right reflux ratio of 1.5, solvent ratio of 4, solvent temperature of 90℃ and feed location of EA-IPA mixture at lower position. The simulation result revealed that there existed operation relationship between left reflux ratio and solvent ratio. Solvent temperature should be fixed when other conditions were given so that the purities of left and right distillations could be maximized at the same time. EDWC had a great advantage in economics with energy consumption reduced by 11% and capital cost shorted by 25%, compared with conventional extractive distillation. Experimental results conducted based on simulation results showed that the purity of the right distillation was lower than the simulation results, which could be solved by adjusting right reflux ratio. Finally, the mass fraction of EA in the left distillation was 98.82%, and that of IPA in the right distillation was 97.88%.

Key words：dividing wall column; extractive distillation; ethyl acetate; isopropyl alcohol；energy-saving

中图分类号：TQ028.1

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.01.015

文章编号：1001-8719(2016)01-0111-08

基金项目：中国石油化工股份有限公司基金项目(411024)资助

收稿日期：2014-08-06

第一作者： 索潇萌，女，硕士研究生，从事传质与分离新型分离技术方面的研究

通讯联系人： 叶青，女，教授，从事化工分离过程方面的研究；Tel:0519-86330355;E-mail:huagonglou508@126.com