共沸精馏分离富含乙酸仲丁酯副产物体系的ASPEN模拟

张娟娟　王伟　刘芬　陈卓

摘 要：为了分离乙酸仲丁酯副产物体系，研究了共沸精馏在乙酸仲丁酯-碳八烃物系中的应用。根据共沸剂的选取原则选定出甲醇作为共沸精馏分离乙酸仲丁酯-碳八烃混合物的共沸剂，使用 ASPEN 模拟软件模拟连续和间歇共沸精馏分离乙酸仲丁酯-碳八烃工艺流程，并通过间歇共沸精馏实验考察了所选共沸剂的分离效果。结果表明：使用甲醇作为共沸剂能成功的分离乙酸仲丁酯-碳八烃混合物；采用有62块理论板的填料塔，回流比为2.0，共沸剂甲醇与碳八烃的质量比为 5∶4，塔釜异丙醇的质量分数达到 99.6%。

关键词：共沸精馏；乙酸仲丁酯；甲醇;ASPEN模拟

中图分类号：TQ028 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0111-04

ASPEN simulation of azeotropic distillation for separation of by-product system rich in sec-butyl acetate

ZHANG Juanjuan，WANG Wei，LIU Fen，CHEN Zhuo

（Hunan Petrohemical Vocational Technology College，Yueyang 414000，Hunan China）

Abstract：To separate by-product system containing sec-butyl acetate， the application of azeotropic distillation in sec-butyl acetate-C8 hydrocarbon mixture was researched.According to principles of the selection of entrainer，methanol was selected for the separation. ASPEN simulation software was used to simulate continuous and batch azeotropic distillation flow process.In addition，the effectiveness of the selected entrainer was investigated by the batch azeotropic distillation experiment. The results show that methanol can be a successful entrainer to separate the sec-butyl acetate-C8 hydrocarbon mixture.When the separation experiment of sec-butyl acetate-C8 hydrocarbon mixture by batch azeotropic distillation is carried out in a packed column with 62 theoretical plates，the reflux ratio is 2.0，and the methanol and C8 hydrocarbon mass ratio is 5∶4，the product mass fraction of isopropanol reaches 99.6%．

Key words：azeotropic distillation;sec-butyl acetate;methanol ASPEN simulationx

乙酸仲丁酯（SBAC）是一種无色透明具有水果香味的液体，可用作涂料溶剂、稀释剂、有机合成中间体、萃取剂、金属清洗剂，另外也可用作食品、化妆品香料添加剂等[1-2]。主要是采用乙酸与醚后碳四为原料，通过加成反应生成乙酸仲丁酯后，经轻组分脱除、共沸精馏和精制后得到纯度较高的成品，具有流程简单、生产成本低的优点[3-5]。

乙酸仲丁酯装置会副产生成碳八烃，又碳八烃（C8H16）同分异构体在常压下沸点大致在100～130 ℃，与乙酸仲丁酯混合均匀，为均相沸点接近的混合物，通过普通精馏的方法较难完全分离。共沸精馏作为一种特殊精馏方式，因其能与原料的一个或两个组分形成恒沸液，使得待分离组分间的相对挥发度增大而得以分离受到广泛应用[6-7]。共沸精馏是在沸点相近的物系中加入第3组分（共沸剂），使其与溶液中的1个或2个组分形成共沸物，以增大待分离组分间的相对挥发度，从而使沸点相近的物系达到分离的目的。共沸精馏具有设备简单、投资和维修费用少、共沸剂可回收循环等优点[8-9]。乙酸仲丁酯-碳八烃工业化应用是水为共沸剂，但是水与仲丁酯、碳八烃是三元共沸，无法实现乙酸仲丁酯与碳八烃的完全分离。

本文根据共沸剂选取原则，通过 ASPEN模拟筛选选取了甲醇作为共沸剂，然后对甲醇作为共沸剂分离此物系的连续和间歇共沸精馏流程进行了模拟，并进行了间歇共沸精馏分离此物系的实验操作，对实现混合酯中乙酸仲丁酯和碳八烃的完全分离而获得高纯度的乙酸仲丁酯以及碳八烃汽油组分将具有重要的理论和实践意义。

1 共沸精馏的模拟过程

1.1 共沸剂的选择

本文旨在寻找到与碳八烃共沸而与乙酸仲丁酯不共沸的溶剂作为共沸剂，使其与碳八烃形成的共沸物从塔顶采出，塔釜中得到高浓度的乙酸仲丁酯。根据共沸物选择的基本原则，从众多溶剂中选取了1，2-二氯丙烷、1，3-二氯-2-丙醇、乙醇、甲醇作为备选溶剂[10]，通过ASPEN 模拟筛选，最终确定甲醇作为共沸剂。表1是乙酸仲丁酯和碳八烃的部分物性参数；表2是所选共沸剂甲醇的物性数据表。

由表2可知，所有的备选共沸剂中沸点大小依次为：水、异丙醇、乙醇、甲醇；而共沸点大小依次为：异丙醇、水、乙醇、甲醇。其中，水、异丙醇与乙酸仲丁酯共沸比例大，不利于水、异丙醇与乙酸仲丁酯的分离；乙醇与碳八烃共沸物沸点高，不利于碳八烃与乙酸仲丁酯的分离，且能耗高。

运用 ASPEN PLUS 软件采用 NRTL 模型进行模拟计算，得到 甲醇-乙酸仲丁酯-碳八烃三元相图，具体如图 1 所示。

从图 1 可以看出，甲醇可通过共沸精馏将碳八烃从乙酸仲丁酯副产物体系中带出，从而得到高纯度乙酸仲丁酯。同时，碳八烃与甲醇形成的共沸物的分离比较简单，加水水洗，分层，取油层即为碳八烃。因此，最后选定甲醇作为分离乙酸仲丁酯和碳八烃混合物的共沸剂。

由于甲醇与乙酸仲丁酯不形成共沸物，且共沸剂甲醇仅与原料液中的碳八烃形成共沸物，所以按照甲醇与碳八烃的共沸组成比加入共沸剂，即甲醇与碳八烃的质量比接近为1∶1。

1.2 连续共沸精馏的模拟

图2为乙酸仲丁酯回收工艺流程图。该工艺采用常压（ 0. 1 MPa） 操作，图2中包含共沸精馏塔、萃取塔和蒸馏塔等工艺设备。混合物从共沸精馏塔（T1）中部位置加入，在共沸精馏塔塔底得到分离后的高纯乙酸仲丁酯，塔顶得到碳八烃与甲醇的共沸物，经冷却后送入至后续工段，塔顶气相经冷凝冷却后进入到回流罐，回流罐物料一部分回流，一部分加压后送入萃取塔（T2），油相从塔的中下部进入，水从塔中上部进入，在萃取塔内进行萃取分离，油相从塔顶溢流流出，送至碳八烃储罐，分离后塔底含醇水送至蒸馏塔（T3）进一步分离，塔顶采出甲醇，送至 T1循环利用，塔底水返回萃取塔进行循环利用。

本文选用湖南某乙酸仲丁酯（SBAC）生产企业实际产生的副产物进行共沸精馏分离的模拟，其组分如表3所示。运用ASPEN PLUS 软件采用NRTL模型模拟连续共沸精馏分离乙酸仲丁酯-碳八烃的工艺过程，在共沸精馏塔理论板数62 块，原料从第36 板进料，甲醇从20块板进料，进料回流比为2时，分离结果如表4所示。

1.3 间歇共沸精馏的模拟

运用 ASPEN PLUS 软件采用NRTL模型模拟间歇共沸精馏[11-13]。以表3所示的组分为例，模拟间歇共沸精馏分离乙酸仲丁酯-碳八烃的工艺过程，模拟参数与分离结果如表5所示。其中原液进料、甲醇进料量分别为300、150 kg（碳八烃∶甲醇约4∶5）。

2 间歇共沸精馏实验

2.1 实验流程、装置及方法

2.1.1 實验流程与装置

参照乙醇-异丙醇间歇共沸精馏的试验装置搭建乙酸仲丁酯-碳八烃间歇共沸精馏实验装置[14]。通过共沸精馏装置塔顶采出甲醇-碳八烃共沸物，塔釜得到高纯度乙酸仲丁酯；甲醇-碳八烃共沸物进行加水萃取回收共沸剂 甲醇，上层液体为碳八烃，下层为甲醇水溶液。

实验装置塔釜为1 000 mL的四口烧瓶，分别连接精馏塔塔身、热电偶温度计、U形管压力计和玻璃塞，塔釜采用电热套加热；塔体为内径 30 mm 的玻璃柱，内装金属 θ 环填料（3 mm×3 mm），填料层高度为2.0 m；回流比由回流比控制器连接电磁铁控制，在塔顶采样；塔身用外包保温棉保温，塔顶冷凝器的冷却介质为自来水，塔顶蒸汽冷凝后经回流比控制器调节后落入馏分接收罐，接收罐中的混合液加水萃取，甲醇水混合溶液蒸馏后获得共沸剂甲醇再利用；塔顶、塔釜采出的样品用气相色谱仪测量其组成。

2.1.2 实验方法

（1）加料，按照一定比例向塔釜中加入原液、甲醇作为原料；

（2）实验中的全回流操作，通入冷却水，接通电源，对塔釜进行加热，待全塔稳定后，全回流稳定30 min；

（3）采出共沸物，当塔顶温度稳定后，控制回流量，设定一定回流比，同时打开采出阀门，采出混合物进馏分采出罐。塔顶塔釜分别取样，用气相色谱仪测定其组成；

（4）试验停止，待塔釜乙酸仲丁酯含量等于或高于预定值时，实验结束，停止加热，继续供给冷凝水，直至塔顶温度降至室温，关闭冷凝水；

（5）回收甲醇，加水萃取塔顶馏分，分层，取水层通过普通蒸馏获得甲醇，回收再利用。

2.1.3 分析方法

样品采用Agilent-7890A型气相色谱仪进行定量分析，采用相对校正因子法对色谱采集的浓度数据进行校正。分析条件：聚乙二醇PEG-20M熔融石英毛细柱，60 m×0.53 mm×1 μm，汽化室温度110 ℃，检测室温度110 ℃ ，柱室温度 50 ℃，载气为 N2，柱前压为 0.015 MPa，检测器为 FID 检测器。

2.2 实验结果与讨论

2.2.1 间歇共沸精馏实验结果

采用有40块理论板的填料塔，回流比为 2，原料进料量为300 g（组成如表3所示），共沸剂甲醇进料量为150 g，进行间歇共沸精馏实验分离乙酸仲丁酯和碳八烃，实验考察了塔釜中乙酸仲丁酯浓度随时间的变化。表6 是塔釜中乙酸仲丁酯质量分数随时间变化的数据。

由表6 可知，随着间歇共沸精馏的进行，塔釜乙酸仲丁酯的质量分数在不断增加，当实验进行了7 h 后，塔釜异丙醇质量分数为99.46%，达到了实验要求。证明加入甲醇作为共沸剂使用间歇共沸精馏分离乙酸仲丁酯和碳八烃是可行的，而且效果较好。并且与运用 ASPEN PLUS 软件采用 NRTL模型模拟结果与实验结果吻合较好。

2.2.2 甲醇-碳八烃共沸物的萃取实验结果

采用萃取精馏工艺[15-16]，以水作为萃取剂分离甲醇-碳八烃共沸物，将共沸物加水水洗，分层，上层液体中为高纯度的碳八烃，下层液体为甲醇水溶液。上层液体中碳八烃的浓度与萃取剂水加入量的关系如表7 所示。

由表7 可知，随着萃取剂水加入量的增加，上层液体中 碳八烃的质量分数逐渐上升；当加入水的质量与甲醇-碳八烃共沸物原料的质量比为 4∶1 时，上层液体中碳八烃的质量分数为99.35%；再增加水的加入量，对碳八烃的提浓效果已经不明显了。而同时增加加水量后，增加了甲醇与水蒸馏分离的能耗。最终选择加水量为甲醇-碳八烴共沸物原料质量的4倍。

3 结语

（1）通过实验证明，使用甲醇作为共沸剂能成功分离乙酸仲丁酯-碳八烃混合物，获得高纯度乙酸仲丁酯；

（2）通过间歇共沸精馏实验实现了乙酸仲丁酯-碳八烃混合物的分离，采用有62 块理论板的填料塔，回流比为2，共沸剂甲醇与碳八烃的质量比为5∶4，塔釜乙酸仲丁酯的质量分数达到99.6%；

（3）在萃取分离甲醇-碳八烃共沸物的过程中，得出了合适的加水量。当加入萃取剂水的质量为甲醇-碳八烃共沸物原料质量4倍时，上层液体中碳八烃的质量分数为 99.35%。

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收稿日期：2023-01-22；修回日期：2022-05-02

作者简介：张娟娟（1987-），女，硕士，讲师，研究方向：化工应用；E-mail：josephy881006@163.com。

通信作者：陈 卓（1985-），男，硕士，讲师，研究方向：化工应用；E-mail：54271110@qq.com。

基金项目：湖南省教育厅科学研究项目（项目编号：21C1272）。

引文格式：张娟娟，王 伟，刘 芬，等.共沸精馏分离富含乙酸仲丁酯副产物体系的ASPEN模拟[J].粘接，2023，50（6）：111-114.