萃取精餾分離甲基環己烷和甲苯工藝過程的模擬

張春勇，鄭純智，唐江宏，張國華，單萬建

(江蘇技術師范學院江蘇省貴金屬深加工技術及應用重點建設實驗室，江蘇常州213001)

萃取精餾分離甲基環己烷和甲苯工藝過程的模擬

張春勇，鄭純智，唐江宏，張國華，單萬建

(江蘇技術師范學院江蘇省貴金屬深加工技術及應用重點建設實驗室，江蘇常州213001)

利用Aspen Plus流程模擬軟件，采用雙塔流程，以苯酚為萃取劑，對萃取精餾分離甲基環己烷(MC)和甲苯(MB)的過程進行模擬計算，并用實驗驗證。考察了萃取精餾塔的萃取劑進料位置、原料進料位置、萃取劑與原料的摩爾比(溶劑比)和回流比等因素對分離效果的影響。在滿足MC產品的純度和收率均達到99%的條件下，模擬優化的結果為：理論塔板數為24塊，原料在第17塊板進料，萃取劑在第5塊板進料，溶劑比3.08，回流比5。模擬結果與實驗數據吻合較好，說明采用的模擬方法適用于MC和MB混合物萃取精餾過程的模擬。

Aspen Plus軟件;模擬;萃取精餾;甲基環己烷;甲苯

甲基環己烷(MC)和甲苯(MB)是非常重要的精細有機化工原料和有機溶劑［1－3］，其混合物作為反應原料和溶劑普遍存在于有機合成、印刷和醫藥等行業［4－5］。開發經濟的分離MC和MB技術具有十分重要的意義。

混合物的常見分離方法有普通精餾、萃取、萃取精餾和膜分離等。常壓下純MC與MB的沸點分別為100.9℃和110.68℃，兩者的揮發度差別很小。因此采用普通精餾方法分離MC和MB所需理論塔板數非常多，經濟上不合理，也難以操作。萃取精餾操作具有裝置相對簡單、可立足現有裝置改裝、處理量大和可連續有效地分離等優點，是最為廣泛使用的分離方法之一［6－9］。

本工作采用Aspen Plus流程模擬軟件模擬萃取精餾分離MC和MB的工藝過程，并進行了實驗驗證。

1 模擬部分

1.1 工藝條件和流程

萃取精餾分離MC的工藝條件為：MC和MB混合物的進料量0.702 mol/min，n(MC)∶n(MB)= 1∶1.5，進料溫度25℃。要求分離得到MC產品的純度(摩爾分數，xMC)和收率(YMC)都要大于等于99%。以苯酚為萃取劑。

萃取精餾分離MC和MB的工藝流程(見圖1)主要包括萃取精餾塔和溶劑回收塔。用萃取精餾塔首先分離出MC，再用普通精餾塔分離MB和萃取劑。

圖1 萃取精餾分離流程Fig 1 Flow sheet of the extractive distillation.

萃取劑在萃取精餾塔的上部加入，以使各塔板上的液相中保持一定比例的萃取劑，原料在萃取精餾塔的中部加入。在萃取精餾塔塔頂得到高純度的MC產品，塔釜排出MB和萃取劑的混合物，送入普通精餾塔。在普通精餾塔塔頂得到高純度的MB，塔釜得到萃取劑，并通過混合器與新鮮萃取劑混合后返回萃取精餾塔循環使用。

萃取精餾塔和普通精餾塔的理論塔板數均為24塊，塔頂冷凝器均為全凝器，全凝器壓力均為81.06 kPa，再沸器功率均為2 kW。萃取精餾塔塔釜壓力為111.46 kPa;普通精餾塔原料進料位置為第14塊塔板，回流比為8。

對萃取精餾塔采用Aspen Plus流程模擬軟件進行模擬，應用靈敏度分析模塊對萃取劑進料位置、原料進料位置、萃取劑與原料的摩爾比(溶劑比)和回流比進行優化，確定最佳工藝參數。在萃取精餾塔模擬計算結果的基礎上，對萃取劑苯酚回收工藝進行模擬計算。

1.2 數學模型

在利用 Aspen Plus流程模擬軟件建立工藝流程過程中，選用嚴格精餾模塊 Aspen RadFrac塔模型和混合模塊M ixer模型。對于MC－MB非理想物系，活度系數模型選擇 UNIFAC模型［10－15］。因此，在模擬計算中采用UNIFAC模型作為汽液平衡的計算模型。

2 結果與討論

2.1 萃取精餾塔模擬結果

2.1.1 萃取劑進料位置的影響

萃取劑進料位置對塔頂xMC和YMC的影響見圖2。由圖2可見，萃取劑在第1塊塔板上進料時，YMC為99.90%，但xMC只有34.68%;當萃取劑進料位置從第2塊塔板下移到第5塊塔板時，xMC和YMC都逐漸增大;當萃取劑進料位置從第5塊塔板下移時，xMC和YMC都逐漸降低。萃取劑進料位置在第5塊塔板時，xMC和YMC分別為99.01%和99.00%，均可達到99%的要求，因此選取萃取劑進料位置為第5塊塔板。

圖2 萃取劑進料位置對萃取精餾的影響Fig.2 Effects of the extractant feed position on the column on the extractive distillation.

2.1.2 原料進料位置的影響

原料進料位置對萃取精餾的影響見圖3。

圖3 原料進料位置對萃取精餾的影響Fig.3 Effects of the feedstock position on the extractive distillation.

由圖3可見，原料在第1塊塔板上進料時，YMC為94.68%，但xMC只有61.55%;當原料進料位置從第2塊塔板下移到第17塊塔板時，xMC和YMC都逐漸增大;當原料進料位置從第17塊塔板下移時，xMC和YMC都逐漸降低;原料進料位置在第12～21塊塔板之間時對xMC和YMC影響不大;但當原料進料位置偏高或偏低時，xMC和YMC下降較快，這是因為原料進料位置偏高或偏低時，完成精餾任務需要更多的理論塔板，預設的24塊理論塔板對原料的分離不夠完全，從而導致xMC下降并進而影響YMC。原料進料位置在第17塊塔板時，xMC和YMC分別為99.01%和99.00%，均可達到99%的要求，因此選取原料進料位置為第17塊塔板。

2.1.3 溶劑比的影響

溶劑比對萃取精餾的影響見圖4。由圖4可見，當溶劑比較小時，雖然YMC較高，但xMC達不到要求，這是由于萃取劑用量少時，沒有足夠的萃取劑分子與MC作用，使得MC對MB的相對揮發度(α)較小，xMC較低;當溶劑比較高時，xMC較高，但YMC卻下降較快，這是由于溶劑比過大時，雖然α較大，但溶劑量大，釜液沸點升高較多，在塔釜加熱功率固定的情況下，產生的上升蒸氣量減少，不能使易揮發組分充分汽化，導致其隨釜液流失較多。若采用較大的溶劑比，萃取精餾塔的液相負荷增大，會阻礙氣液相在塔板上的傳質，從而使塔板效率降低。提高加熱功率可在保證xMC滿足要求的情況下提高YMC，但這將增大能耗。當溶劑比為3.08時，xMC和YMC分別為99.01%和99.00%，均可達到99%的要求，因此選取溶劑比為3.08。

圖4 溶劑比對萃取精餾的影響Fig.4 Effects of the solvent ratio on the extractive distillation.

2.1.4 回流比的影響

回流比對萃取精餾的影響見圖5。由圖5可見，隨回流比增大，xMC逐漸增大，但YMC逐漸降低。YMC降低是因為在固定加熱功率的情況下，上升蒸氣量固定，塔頂冷凝液量亦固定，回流比增大則塔頂餾出物減少，為維持塔物料平衡，塔釜采出量增多，從而帶出更多的MC，導致YMC降低。如要增大回流比而保持YMC不變，則需增大加熱功率，同時塔徑也要增加，則操作成本和設備成本都將增加［16］。若塔項、塔釜采出量不變而加熱功率增加時，塔頂冷凝器功率要增加，總能耗增大。由圖5還可見，塔釜萃取劑濃度隨回流比的增加而減小。減小萃取劑濃度會降低α，所需理論塔板數會增加，同時萃取劑的回收成本會增加。綜合考慮，選擇YMC、塔內萃取劑濃度和xMC，選擇回流比為5較適宜。

圖5 回流比對萃取精餾的影響Fig.5 Effects of the reflux ratio on the extractive distillation.Conditions：extractant feed position 5th plate，feedstock position 17th plate，solvent ratio 3.08.

2.2 溶劑回收塔模擬結果

溶劑回收塔的進料量為2.574 mol/min，其中MC 0.002 mol/m in，MB 0.418 mol/min，萃取劑苯酚2.154mol/min，進料溫度151.63℃，模擬結果見表1。

表1 溶劑回收塔的模擬結果Table 1 Simulation result for the solvent recovery column

3 驗證實驗

驗證實驗在實驗室玻璃精餾塔中進行，塔徑40 mm，塔身有多個進料口，內裝φ6 mm×6 mm的θ絲網填料(天津大學填料研究所)，填料高1.5 m。用苯－四氯化碳物系對精餾塔進行標定，測得精餾塔的理論板數為24塊。

萃取精餾實驗條件為：萃取劑的進料量2.154 mol/min，MC和MB摩爾比為1∶1.5的混合物(原料)的進料量0.702 mol/min，進料溫度25℃，塔頂為全凝器，回流比5，原料進料口距填料頂部約100 cm，萃取劑進料口距填料頂部約30 cm，冷凝器壓力81.06 kPa，塔釜壓力111.46 kPa，再沸器功率2 kW。

溶劑回收實驗條件為：塔頂為全凝器，回流比8，萃取精餾塔塔釜液為原料，原料進料口位置距填料頂部約80 cm，冷凝器壓力81.06 kPa，再沸器功率2 kW。

實驗結果見表2。由表2可見，實驗值與模擬值相差不大，說明基于 UNIFAC模型和 Aspen RadFrac塔模型的模擬方法適用于MC和MB混合物萃取精餾過程的模擬計算，并說明模擬結果可靠。

表2 模擬數據與實驗數據的比較Table 2 Comparison between the simulation result and the experiment data

4 結論

(1)對MC和MB的混合物進行了萃取精餾模擬及實驗驗證，以苯酚為萃取劑能有效提高兩者的相對揮發度，可用于MC和MB混合物的萃取精餾。

(2)對MC和MB混合物進行萃取精餾的優化條件為：萃取精餾塔為24塊理論塔板，原料在第17塊板進料，萃取劑在第5塊板進料，溶劑比3.08，回流比 5。在此條件下可使 xMC和 YMC分別達到99.01%和99.00%。

(3)萃取精餾的驗證實驗結果與模擬結果相近，表明基于UNIFAC模型和Aspen RadFrac塔模型的模擬方法適用于MC和MB混合物萃取精餾過程的模擬計算。

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Process Simulation of Extractive Distillation for Methylcyclohexane and Toluene System

Zhang Chunyong，Zheng Chunzhi，Tang Jianghong，Zhang Guohua，Shan Wanjian

(Jiangsu Key Laboratory of Precious Metal Chemistry and Technology，Jiangsu Teachers University of Technology，Changzhou Jiangsu 213001，China)

Extractive distillation process for methylcyclohexane(MC)and toluene(MB)system was simulated by using Aspen Plus software.Phenol was chosen as the extractant.A process with two columns，namely extractive distillation column and solvent recovery column，was designed for separating the mixture.Effects of the extractant feed position and the mixture feed position on the extractive distillation column，the mole ratio of extractant to feedstock(solvent ratio)，and the reflux ratio on the extractive distillation were investigated.Aimed at the MC mole fraction of 99%in the products and the MC recovery of 99%，the extractive distillation process was simulated to obtain the optimal conditions for the extractive distillation column as follows，number of theoretical plates24，the mixture feed at17th plate，the extractant feed at 5th plate，the solvent ratio 3.08 and reflux ratio 5.The extractive distillation simulation result was verified by the experiment data.

Aspen Plus;simulation;extractive distillation;methylcyclohexane;toluene

1000－8144(2011)05－0532－04

TQ 028.1

A

2010－12－13;［修改稿日期］2011－01－24。

張春勇(1978—)，男，江蘇省東臺市人，碩士，講師，電話0519－86953273，電郵zhangchunyong@126.com。

江蘇省教育廳高校高新技術產業發展指導性計劃項目(JHZD05－036);江蘇技術師范學院基金項目(KYX10025)。

(編輯 李治泉)