离子液体萃取精馏分离甲醇-甲乙酮共沸物的模拟及优化

韩东敏，王世威

(中国石油大学胜利学院 化学工程学院，山东 东营 257097)

1 引言

甲醇和甲乙酮是工业生产中常见的溶剂和化工合成原料，二者常压下形成共沸物，采用常规萃取精馏不能实现两者的有效分离。工业上常用的分离方法为变压精馏和萃取精馏[1-3]。近年来，利用离子液体作为萃取剂进行萃取精馏成为一个研究热点[4-5]。离子液体结合了传统有机溶剂和固体盐的优点，作为萃取剂具有选择性高、溶剂比小、易操作、安全环保等特点。本研究以离子液体[HMIM][NTf2] 为萃取剂，通过Aspen Plus对甲醇-甲乙酮共沸物系的萃取精馏过程进行模拟研究，考察其工艺条件对年总费用TAC的影响，并对其进行热集成研究，为工业应用提供设计参考。

2 可行性分析

利用Aspen软件绘制甲醇-甲乙酮-[HMIM][NTf2] 的剩余曲线，如图1所示。由图可知，甲醇和甲乙酮的共沸点为不稳定节点，甲醇和甲乙酮处为鞍点，离子液体[HMIM][NTf2] 为稳定节点，本体系不存在精馏边界，所有的曲线都是从共沸点出发，随着离子液体[HMIM][NTf2] 的量增加，所有曲线汇于稳定节点。可以看出离子液体[HMIM][NTf2] 作为甲醇与甲乙酮体系的萃取剂可行。

图1 甲醇、甲乙酮与[HMIM][NTf2] 体系的剩余曲线

2 萃取精馏过程模拟

2.1 工艺流程

原料进料量为200kmol/h，甲醇和甲乙酮各占50%(摩尔分数，下同)，经分离后，要求甲醇、甲乙酮和离子液体的纯度均达到99.5%。

离子液体萃取精馏分离甲醇和甲乙酮的工艺流程如图2所示。离子液体和原料进入萃取精馏塔T1进行萃取精馏，塔顶采出高纯度甲醇，塔底离子液体与甲乙酮的混合物进入闪蒸罐T2中进行减压闪蒸，罐顶采出一部分高纯度甲乙酮，罐底中甲乙酮与离子液体进入闪蒸罐T3继续进行减压闪蒸，罐顶采出剩余部分高纯度甲乙酮，罐底为高纯度的离子液体进行循环利用。

图2 环己烷-苯萃取精馏工艺流程图

2.2 流程的优化

本文采用Douglas给出的年度总费用(Total Annual Cost，TAC)为目标函数进行优化参数，并给出最佳工艺方案。TAC包括设备费用和操作费用，具体公式见参考文献[6-7]。在保证产品纯度的前提下，分别考察萃取剂流量、萃取精馏塔塔板数、闪蒸罐闪蒸压力对年总费用TAC的影响，结果如图3～图6所示。

图3 萃取剂流量对年总费用TAC的影响

图4 闪蒸罐T2压力对年总费用TAC的影响

图5 闪蒸罐T3压力对年总费用TAC的影响

图6 萃取精馏塔塔板数对年总费用TAC的影响

由图可知，当萃取剂流量为240kmol/h，萃取精馏塔的塔板数为13，闪蒸罐T1操作压力为0.17atm，闪蒸罐T2的操作压力为40Pa时，装置的年总费用TAC最小，为3.06×106美元/a，具体操作条件见表1。

表1 离子液体萃取精馏优化结果

3 热集成萃取精馏

为降低整个装置的能耗费用，将闪蒸罐T3罐底高温萃取剂与新鲜原料进行换热，以降低整个装置的能耗。具体流程见图7，优化后的结果见表2。由表可知，对整个流程进行热集成后，再沸器热负荷减少24.5%，年总费用TAC减少18.7%。

图7 离子液热集成萃取精馏流程

表2 结果比较表

4 结论

利用Aspen Plus软件，以离子液体[HMIM][NTf2] 为萃取剂，模拟了甲醇-甲乙酮的萃取精馏分离过程，首先考察了离子液体作为萃取剂的可行性；其次分析了不同工艺条件对年总费用TAC的影响。确定了最佳的工艺条件为：萃取剂流量为240kmol/h，萃取精馏塔T1的塔板数为13，闪蒸罐T2操作压力为0.17atm，闪蒸罐T3的操作压力为40Pa，此时，装置的年总费用TAC最小，为3.06×106美元/a；最后对流程进行热集成分析，通过热集成使装置的年总费用降低了18.7%。