醋酸甲酯－甲醇萃取精餾分離的模擬與優化

呂英杰李艷娟 中石化寧波工程有限公司上海分公司 上海200030

在維尼綸生產中，聚醋酸乙烯醇解產生的廢液中含有大量的醋酸甲酯(MEAC)、甲醇(MEOH)。如何有效地分離醋酸甲酯和甲醇，使之充分回收利用，對降低聚乙烯醇裝置的生產成本、提高經濟效益有著重要的現實意義。

甲醇與醋酸甲酯形成共沸物，采用普通精餾難以達到分離效果，根據物料特性，選擇加入常用的萃取劑進行萃取精餾。

本文應用ASPEN PLUS軟件對醋酸甲酯－甲醇體系萃取精餾過程模擬計算，通過對理論板數、進料位置、萃取劑用量、萃取劑溫度、回流比等因素對分離過程的影響進行研究，旨在優化出最佳分離參數。

1 萃取精餾原理［1］

萃取精餾是在原溶液中加入一種新組份后使原液中不同組份分離的一種特殊精餾過程。加入的新組份稱萃取劑，它不和原溶液中任一組份形成恒沸物;但萃取劑改變了原溶液中關鍵組份之間的相對揮發度，即改變了原溶液組份之間的相互作用力，構成一個新的非理想溶液。當被分離物系相對揮發度接近1(如醋酸甲酯－甲醇)，普通精餾難以達到分離要求，萃取精餾就成為可采取的工藝方案之一。萃取劑的沸點比原溶液中任一組份的沸點都高，將隨塔釜液排出，經處理后萃取劑可循環使用。

2 熱力學模型選取［2，3］

萃取分離醋酸甲酯－甲醇過程中，水是一種強極性物質，分子之間存在氫鍵、二分子締合、三分子締合、甲醇O－H基團等都具有極性。由于氫鍵、締合等分子之間的作用，其液相的非理想性較大，熱力學性質的相互依賴關系很強，所以選用了ASPEN PLUS中NRTL熱力學模型進行模擬研究。

3 萃取精餾過程的模擬與優化

以某聚乙烯醇裝置產生的物料為例進行計算，進料組成見表1。

表1 進料組成

分離要求:塔頂餾出液醋酸甲酯的質量分數≥93.5%，塔釜液醋酸甲酯的質量分數≤0.005%。

3.1 操作壓力的設定及初步模擬

操作壓力設定:綜合考慮被分離物料物性、加熱、冷卻介質特性。設備費用等，塔頂壓力設為常壓操作(0.005 MPa(G))，全塔壓力降要求30 KPa。

精餾塔模擬參數初步設定為理論板數28塊，進料位置為第17塊塔盤，溶劑比為3.86;萃取劑溫度10℃，回流比設為0.15。

3.2 進料位置對萃取精餾過程的影響

塔的進料位置對于精餾過程有著重要的影響，一旦進料位置選取不合適，形成蒸餾夾點，不僅浪費塔板，增加投資，也將導致操作不穩定、能耗過大等弊端。所以進料位置的優化至關重要。

在初步設計的基礎上，分離要求、進料狀況不變，改變氣相進料位置，進料位置所引起的能耗變化關系見圖1。

圖1 進料板位置對能耗的影響

由圖1可知，當主進料(氣相)位置大于17塊時，能耗增加較快，小于等于17塊時，能耗基本不變。故選擇第17塊理論板作為氣相進料位置。

進料二流量較小，經模擬計算表明，進料位置對結果影響不大，模擬過程在此不做特別說明。

3.3 理論板數的確定

塔板數是精餾塔設計考慮的重要因素。在進料狀況不變、進料位置優化前提下，精餾塔理論板數N分別取16，18，20，22，24，28，30，32，34幾種方案進行模擬計算。計算結果中各種理論板數N與所對應的回流比R關系見圖2。

圖2 塔板數對回流比的影響

由圖2可知，在進料狀況和溶劑比不變的情況下，當理論板數大于28塊時，單純增加理論板數對回流比的降低已不明顯;當塔板數小于28塊時，隨塔板數減少回流比迅速增大。

塔板數過多會造成一次性投資的浪費;而回流比的增大對分離效果會造成直接影響，同時，回流比的增大，熱負荷也會顯著增大，造成后期運行資源浪費。因此，選擇適宜的塔板數、達到一個最佳的、經濟的平衡點是精餾分離系統設計的重要環節。

綜上所述，建議采用理論塔板數N=28(包括冷凝器和再沸器)為宜。

3.4 溶劑比對分離效果的影響

萃取精餾與普通精餾的最大區別就在于萃取精餾是通過萃取劑的加入達到分離要求的，所以最優萃取劑量的選取至關重要。

進料狀況不變，理論板數N=28，氣相進料位置F=17，液相進料F=8，回流比R=0.15，萃取劑水溫t=10℃，改變溶劑用量，進料位置對分離效果的影響見圖3和圖4。

圖3 溶劑比對餾出液MEAC的影響

圖4 溶劑比對釜液MEAC的影響

從圖3和圖4可知，隨著溶劑量的增大，餾出液中MEAC含量增加，塔釜液MEAC含量降低，即分離效果變好。這是因為隨著溶劑比的增大，塔板上萃取劑的濃度增大，輕、重組份的相對揮發度增大。所以，增加萃取劑用量有利于醋酸甲酯與甲醇更有效的分離。但是當溶劑量增大到一定程度時，隨著溶劑量的繼續增大，曲線的變化趨于平緩，即分離效果增加的幅度減小。而且溶劑比過大，會造成塔釜熱負荷過大;同時，后續處理量都相應加大，造成能耗過高，對生產不利，故按圖3溶劑比(摩爾比)取3.86，合理的萃取劑用量為65518.2kg/h。

3.5 萃取劑溫度對分離效果的影響

同其它參數一樣，萃取劑的溫度對于萃取精餾工藝的影響也非常大。

在進料狀況、分離要求、理論板數等不變前提下，僅僅改變萃取劑溫度，對回流比的影響見圖5。

圖5 萃取劑溫度對回流比的影響

由圖5可知，萃取劑溫度降低，回流比減小，這是由于加入萃取劑后，塔頂溫度欲維持在60℃，塔頂必須有一部分氣相物料被冷凝，放出潛熱，使萃取劑溫升至60℃;冷凝的這一部分液體，叫做內回流。內回流形成過程中，沸點較高的甲醇較沸點較低的醋酸甲酯更易被冷凝。隨著萃取劑溫度的降低，將萃取劑加熱至沸點所需的熱量越多，水蒸汽和甲醇蒸氣就會更多的被冷凝，醋酸甲酯則相對更多的從塔頂餾出，這樣分離效果在不需要太高回流比的情況下就能達到。

從圖中曲線還可看到，當溫度低于10℃時，萃取劑溫度變化對回流比影響不再明顯，而在工業生產中，萃取劑溫度越低，在預冷萃取劑過程中需要提供更多的冷量，不利于生產。所以，萃取劑溫度宜采用10℃。

3.6 回流比對分離效果的影響

回流比不僅關系到塔的正常運行，而且關系到初期投資和后期運行的費用。普通精餾中，回流比R越大，分離效果越好，所需理論塔板數越少;但萃取精餾不同，以下將通過計算尋求最佳回流比。

其他參數不變，僅僅改變回流比，對分離效果的影響見圖6。

圖6 回流比對餾出液MEOH的影響

由圖6可知，隨著回流比的增大，餾出液中MEOH的含量增大，分離效果變差。這主要是因為萃取精餾中回流比R的大小直接影響到塔內各板上萃取劑的濃度，萃取劑進料量不變情況下，隨著回流比的增大，塔板上萃取劑的濃度降低，使輕、重組分間的相對揮發度減小，不利于二者有效地分離。另一方面，當回流比過小時就達不到分離要求，回流比過小時，塔內不能實現正常工作。因此，回流比取 0.1～0.2為宜，本文取0.15。

3.7 萃取精餾模擬計算結果

通過上述各項參數模擬計算，優化操件條件為:理論板數N=28(包括冷凝器和再沸器)，氣相(露點進料)進料位置F=17，溶劑比S=3.86(溶劑量65518.2 kg/h)，萃取劑溫度t=10℃，操作回流比R控制在0.10～0.20之間(本文取0.15)。此時，塔頂餾出液溫度57.9℃，塔釜液溫度94.6℃，塔頂餾出液和塔釜液均能達工藝分離要求。

在上述條件下，萃取精餾塔內各板液相、氣相組分組成分布及塔板溫度分布分別見圖7，圖8和圖9。

圖7 萃取精餾塔內各塔板上液相組成

圖8 萃取精餾塔內各塔板上氣相組成

圖9 萃取精餾塔內溫度沿塔板分布

4 結語

采用ASPEN PLUS流程模擬軟件，對醋酸甲酯－甲醇體系萃取精餾過程進行模擬研究。模擬優化結果:理論板數N=28，氣相進料位置F=17，溶劑比S=3.86，萃取劑溫度t=10℃，操作回流比R控制在0.10～0.20之間(本文取0.15)。此時，塔頂餾出液溫度57.9℃，塔釜液溫度94.6℃，塔頂餾出液和塔釜液均能達工藝分離要求。模擬結果對實驗研究、工業設計與生產均具有參考意義。

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