萃取精馏分离乙酸乙酯共沸物系的模拟与优化

曾 川，马其坤，苍 琼，邢 鹏

（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

乙酸乙酯(EA)常作为工业溶剂和有机生产原料，具有良好的溶解性及速干性，在清洗去油剂、果香性香料、农药生产中有广泛的应用[1]。因为EA 在化工领域的重要性，故将EA 化工综合实训装置用以教学和实习，能够让学生在真实环境中实践，进而提升岗位能力。但在教学过程中发现，依据现有数据进行操作时，精制工段不能达到理想分离效果，使得实训效果不佳，并且造成原料和能量的浪费。本文通过Aspen Plus对精制工艺进行模拟优化，旨在以理论指导实践，并提出建设性的改进方案。

1 准备工作

1.1 EA-乙醇-水体系物性分析

通过三元体系相图分析相关物性，如图1所示。通过图1可以看出，EA、乙醇和水三种物系两两之间都可形成共沸物，EA与水和乙醇还能形成三元共沸混合物。因此，EA-乙醇-水体系的分离可使用萃取精馏[2]。向物系中加入新组分，即萃取剂，增加不同组分之间的相对挥发度则更易分离[3]。

图1 乙酸乙酯-乙醇-水三元体系相图

1.2 萃取剂的选择

在该体系中，乙醇和水有较强的极性，EA体现出中性，根据相似相溶原理并加以极性判断，萃取剂可选用胺类或醇类，此二类物质热敏性弱且不易沸腾。同时萃取剂能较好萃取出目标物质，并且不能与任何组分共沸或反应[4-5]，依据以上原则，选择了几种物质作为萃取剂备选，名称及物性详见表1。结合物性手册和Aspen Plus软件中的Flash模块，得到几种萃取剂的物性数据和其作用下的各组分相对挥发度，见表2。

表1 不同萃取剂的物理性质

表2 在不同萃取剂作用下各组分相对挥发度

由表2可知，这些萃取剂都在一定程度上影响了该共沸体系的相对挥发度。强极性的醇类对共沸体系的相对挥发度影响要大于非醇类萃取剂[6]，最终选用乙二醇。由于该工艺应用在学生实训中，物料的安全性十分重要，乙二醇低毒安全，适合作为该工艺萃取剂。

2 萃取精馏过程模拟

2.1 建立工艺流程

首先建立模拟工艺流程，如图2所示。萃取剂乙二醇（EG）在萃取精馏塔（T1）的上部位置进入，EA共沸物系（FEED）在T1的中下部进入，在萃取剂的作用下通过气液间的传质传热，轻组分提升至精馏段，乙二醇提供的给乙醇和水的分子间作用力使得二者被带到塔釜方向，塔釜液中含有乙二醇、水和乙醇（T1-W），塔顶蒸出EA（T1-D）。T1-W进入萃取剂回收塔（T2）回收萃取剂，醇水混合物（T2-D）由塔顶蒸出，萃取剂乙二醇（T2-W）由T2塔底得到。T2-W经冷却器冷却后与补充的乙二醇（EG0）混合并回到萃取精馏塔T1内完成循环。

图2 萃取精馏工艺流程示意图

2.2 热力学模型的选择

UNIFAC 模型把分子看成是由一个个基团组成的，分子的性质就是集团性质的加和，不管分子结构是简单还是复杂，都能够转化成几个或几十个基团的组成，对于稍微复杂的体系，只需要把体系中的化合物进行基团拆分，根据这些基团的性质就可以计算体系中各组分的物性[7]。温度和组成共同影响了活度系数，其中由分子外形和尺寸不同引起的为组合项（lnγic）；若是分子间相互作用引起的则是剩余项（lnγiR)。将某溶液中组分i的活度系数记作γi，那么模型可表示为

可获得如下组合项活度系数的计算式:

其中：ri表示物质i的体积参数，qi表示物质i的表面积参数。剩余项活度系数如下式所示:

其中：τk是基团的剩余活度系数，τki是存在i种分子时基团k的剩余活度系数。

2.3 萃取精馏塔模拟及优化

通过软件建立工艺流程进行模拟，选择原料进料位置。进料温度、压力分别为30 ℃、120 kPa，塔顶压力110 kPa，塔压降10 kPa，进料摩尔流量100 mol/h。定义操作规范，塔顶馏出物摩尔流率40 mol/h，摩尔回流比设为2。运行模拟可收敛。产品质量分数为93.2%，不理想。通过灵敏度分析，找到不同摩尔回流比和萃取剂用量影响下的EA摩尔流量，见图3和图4。根据EA变化趋势，摩尔回流比定为0.2，萃取剂摩尔流量350 mol/h，理论板数30块，第22块板进物料，在第7块板进萃取剂结果最佳，计算出的产品质量分数为99.92%，满足分离要求。

图3 摩尔回流比灵敏度分析

图4 乙二醇摩尔流量灵敏度分析

2.4 萃取精馏塔模拟及优化

该塔进行普通精馏模拟。由于补充萃取剂EG0未赋值，所以通过“工艺流程选项-计算器”建立Fortran语句建立计算如下：

运行模拟可收敛。可得条件为：第5块板进料，摩尔回流比0.5，理论塔板数为10，乙二醇质量分数为99.99%，几乎无损失。

3 经济性分析

3.1 原料经济性

在使用优化前的原有数据进行分离时，萃取精馏塔塔顶产品EA和萃取剂回收塔塔釜中的乙二醇萃取剂收率都不高，仅为74.5%和93.2%。摩尔分率数据比较见表3。结合现有实训条件，无法将其再次提纯，只能作为废液收集处理掉。在进行优化后可将产品充分分离，高纯度乙二醇可以作为萃取剂重复使用，EA精制产品可用作有机化学实验原料。

表3 萃取精馏塔和萃取剂回收塔优化前后分离效果

3.2 能量经济性

通过工艺流程的优化，将进料量，回流比，进料位置等数据进行了优化，使得操作费用得以节省，在加热公用工程和冷却公用工程上都体现出良好的节能效果，参照原始操作数据进行计算，总公用工程能量消耗率可降低356.4 kcal/h，如图5所示。

图5 实际公用工程项目能量消耗率比较

4 总结及建议

4.1 优化数据总结

使用Aspen Plus对EA化工综合实训装置中EA共沸物系的分离过程进行了流程和工艺参数模拟优化，相关数据表明采用优化后，在工艺条件是萃取精馏塔理论板数为30，摩尔回流比为0.2，进料位置为22；萃取剂回收塔理论板数为10，摩尔回流比0.5，进料位置为5时，能有效地实现EA三元共沸体系的分离，EA质量分数达99.92%，萃取剂质量分数达99.99%，产品摩尔分率提高24.92%，萃取剂回收率提高14.72%，总能量消耗率降低356.4 kcal/h。

4.2 建议

根据本文内容所做工作，在化工生产实训装置的使用和教学中，建议关注以下内容。

1）实训载体应安全。实际化工生产相对复杂，涉及高温高压，有毒有害物质等各种场景。而在课程教学当中，应尽量避免学生触及此类危险环境，更应注重培养学生的基础技能和对岗位的认同感，所以一个安全合适的载体为尤为重要，在本次优化过程中选取的萃取剂较为安全，加以酯化合成中各组分均较为温和，保证了教学的安全。

2）实训效果应明显。实训工作应让学生更好地提升岗位技能，尤其化工生产实训中要获得明确的数据和产品，提升学生获得感和成就感。平稳生产离不开过程中的调整，可以让学生参与到优化过程中来，针对性进行参数上的改进，提升学生的专业技能。