正、反向萃取精馏分离丙酮- 甲醇体系的模拟研究

王永光 李群生 李润超 亓 军 张来勇 宋晓玲 彭 翠

(1.北京化工大学 化学工程学院， 北京 100029； 2.中国农业大学 信息与电气工程学院， 北京 100083；3.中国寰球工程公司， 北京 100012； 4.新疆天业有限公司， 石河子 832000；5.北京先锋创新科技发展有限公司， 北京 100080)

引 言

丙酮与甲醇作为良好的有机溶剂[1]和有机合成原料[2]，在化工生产过程以及制药工艺中扮演着极其重要的角色[3-4]。然而在常压下，丙酮- 甲醇体系存在最低共沸点的共沸混合物[5]，很难通过普通的分离方法将该混合物进行分离提纯[6]。工业中通常采用萃取精馏的方法来分离丙酮- 甲醇的混合物[7]。萃取精馏是一种特殊的分离方法，通过向被分离物系中加入第三种组分，从而改变被分离组分的活度系数，增加组分之间的相对挥发度，达到分离的目的。萃取精馏加入的溶剂不与原系统中的任一组分形成共沸物，其沸点又较任一组分的沸点高，因此溶剂与重组分随釜液离开精馏塔，塔顶得到轻组分[8-10]。

本文以最小全年总费用(TAC)为目标，基于Aspen Plus化工模拟软件，选取选择性相反的萃取剂对丙酮- 甲醇萃取精馏工艺流程进行了流程模拟优化，对比两种选择性相反的萃取剂对丙酮- 甲醇共沸体系的影响，并分别进行经济计算，以期获得一种经济效益好、能源消耗低的工艺方案，满足国家对大型工业企业节能减排的要求。

1 萃取精馏工艺

1.1 相图分析

在常压条件下丙酮和甲醇的沸点(分别为56.14 ℃和64.53 ℃)以及两者之间的相对挥发度相差较小，并可形成温度为55.24 ℃、丙酮- 甲醇物质的量比为0.777 5∶0.222 5的共沸物。加入萃取剂的选择性不同，萃取精馏过程中在塔顶得到的轻组分也不同。图1是压力101.325 kPa下，分别选用水和氯苯为萃取剂所达到的分离效果。图1显示，当加入水作为萃取剂时，在塔顶得到的轻组分为丙酮；当加入氯苯作为萃取剂时，在塔顶得到的轻组分为甲醇。由S/F=0(S为萃取剂摩尔流量，F为原料液摩尔流量)曲线可知，在未加入萃取剂时，塔顶轻组分为丙酮。当加入水为萃取剂进行分离时，结果是正向分离，当加入氯苯为萃取剂时，结果是反向分离，故在丙酮- 甲醇共沸体系中规定水为正向萃取剂，氯苯为反向萃取剂。

1.2 工艺简述

原料进料组成为n丙酮∶n甲醇=0.5∶0.5，进料量540 kmol/h，进料温度与压力分别设定为320 K和101.325 kPa。原料液(FEED)与萃取剂(SOLVENT)分别从不同进料板进入萃取精馏塔(EDC)，以水(氯苯)为萃取剂在塔顶D1获得纯度为99.5%的丙酮(甲醇)，塔釜液B1进入萃取剂回收塔(SRC)进一步分离，在SRC塔顶D2得到纯度为99.5%的甲醇(丙酮)，塔釜B2得到纯度接近1的萃取剂水(氯苯)通过换热回流再利用。整个工艺流程简单、易操作，如图2所示。

2 工艺流程优化

2.1 优化方法

本文流程优化过程以TAC最小为目标[11]，分别以水、氯苯为萃取剂进行优化分析。因萃取精馏塔为双股进料，不能用传统单股物料的优化方法，故在此采用序贯迭代搜索法[12]，此优化方法数据处理量大，但结果准确、严谨，可用来优化双股进料的工艺流程，甚至可以推广至多股进料。序贯迭代搜索法流程如图3所示。

2.2 正向萃取

2.2.1萃取精馏塔

以TAC最小为优化目标，水为萃取剂，设计规定塔顶丙酮纯度为99.5%、摩尔回收率为99.99%为前提，利用Aspen Plus分别对萃取精馏塔理论塔板数、原料进料位置以及萃取剂进料位置进行灵敏度分析，优化结果如表1所示。

2.2.2萃取剂回收塔

设计规定萃取剂回收塔塔顶甲醇纯度99.5%、摩尔回收率99.99%，运用序贯迭代搜索法对萃取剂回收塔进行灵敏度分析，得到如表2所示的工艺参数，整合后的能耗表如表3所示。

表1 萃取精馏塔优化结果

表2 萃取剂回收塔优化结果

表3 能耗表

2.3 反向萃取

2.3.1萃取精馏塔

基于最小TAC目标对以氯苯为萃取剂的萃取精馏塔进行塔工艺参数的优化设计。设计规定塔顶甲醇浓度为99.5%、摩尔回收率为99.99%，运用Aspen Plus分别对理论塔板数、原料进料位置以及萃取剂进料位置作灵敏度分析。各塔优化结果如表4所示。

2.3.2萃取剂回收塔

通过Aspen Plus规定萃取精馏塔塔顶甲醇浓度为99.5%、摩尔回收率为99.99%，进行灵敏度分析，回流比则由设计规定获得，最终优化结果如表5所示，相应的能耗如表6所示。

表5 萃取剂回收塔优化结果

表6 能耗表

3 经济分析

经济消耗是能耗成本与设备成本的总和。依据塔体内气体流通的气速，通过Aspen Plus运算得到塔体内径，再经计算得出每个塔体的设备成本。能耗成本则是在优化结果的基础上，基于最优工艺参数获得的塔顶冷凝器与塔底再沸器负荷的准确值并加以计算，得到能耗成本的数值。最终将以上两者相加计算出TAC数值，TAC计算方法如表7所示，计算后结果如表8所示。

经表7中公式计算正、反向萃取剂分离丙酮- 甲醇物系所得的TAC比较结果表明，反向萃取(以氯苯为萃取剂)分离工艺的经济消耗较小，与正向萃取精馏过程相比约节省1 200 000元/a。因此对于丙酮- 甲醇物系的分离过程，选择反向萃取剂(氯苯)可以获得较好的经济效益。

表7 TAC计算表

表8 流程费用比较

4 结论

(1)以氯苯为萃取剂的分离工艺所需理论塔板数为52块，明显小于以水为萃取剂(76块)的分离工艺，这使得前者对精馏塔建设场地要求较小；而以水为萃取剂的分离工艺中萃取精馏塔的能耗为10 326 kW，显著低于以氯苯为萃取剂的分离工艺(11 035 kW)。

(2)计算工艺流程中的能耗成本与设备成本并加和得到TAC，比较后发现反向萃取(氯苯)分离工艺所需成本低于正向萃取(水)分离工艺，约节省1 200 000元/a。