隔板塔精餾分離丙酮-乙酸乙酯-水-雜質體系的研究

劉啟東 天津市普萊特科技發展有限公司 天津 300384

王寶東 天津普萊化工技術有限公司 天津300384

王志英 李春利 河北工業大學 天津 300130

丙酮是一種低沸點、易揮發的極性溶劑，溶解能力強，與水混溶，是用途很廣的溶劑和化工原料［1］。乙酸乙酯是一種重要的有機溶劑，廣泛用于涂料、油漆、油墨、纖維素、人造香精、藥物和有機酸的生產中［2］。棒酸又叫克拉維酸，是由棒狀鏈霉菌發酵液中分離得到的新型β -內酰胺酶抑制劑，常與青霉素、頭孢等β-內酰胺類抗生素聯合應用，可提高這些抗生素的抗藥性［3］。棒酸生產過程產生的母液中含有丙酮、乙酸乙酯、少量的水和色素雜質，其質量組成通常是:丙酮約6% ～8%、乙酸乙酯約90% ～93%、水含量小于1%以及微量色素雜質。國內制藥廠對母液中溶媒的回收一般采用多塔串聯常規精餾的方法，但由于色素雜質的存在，要得到合格的丙酮和乙酸乙酯溶劑，精餾分離的能耗大。

隔板塔是一種完全熱耦合精餾塔，其特殊塔結構能夠使得多股物流同時在塔內進行傳質、傳熱，實現單塔多組分分離［4～7］，既可以提高分離過程的熱力學效率，降低能耗，又可以減少設備投資［8，9］。

對于丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質體系的分離，常規多塔串聯精餾工藝操作簡單，但分離的能耗高，尤其是脫色塔。由于進料中重組分色素含量很少，絕大部分溶劑需從塔頂蒸出，塔的操作能耗很高。針對常規工藝的缺點，本文提出了隔板塔精餾新工藝:丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質體系首先經過隔板塔初步分離，即從隔板塔塔釜脫除重組分色素雜質;側線采出大部分合格的乙酸乙酯產品;塔頂采出丙酮-乙酸乙酯-水的混合物，然后依次進丙酮塔和脫水塔進行丙酮和乙酸乙酯的分離。參照內蒙古某制藥廠棒酸實際生產工藝，采用Aspen Plus 軟件對新工藝進行模擬，考察隔板塔的分離特性及節能效果，為工業設計提供依據。

1 隔板塔精餾工藝流程簡介

內蒙古某制藥廠在處理丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質時，原采用四塔工藝流程，見圖1。脫色塔塔釜脫除重組分雜質，乙酯塔塔底采出大部分合格乙酸乙酯產品，丙酮塔塔頂得到合格丙酮產品，脫水塔脫除剩余乙酸乙酯中的水分后，從塔底采出合格的乙酸乙酯產品。

隔板塔精餾新工藝見圖2。以隔板塔代替原工藝中的脫色塔和乙酯塔，在隔板塔塔底脫除重組分色素雜質，同時側線采出大部分乙酸乙酯成品，從塔頂采出丙酮-乙酯-水混合物，再依次進入丙酮塔、脫水塔處理得到丙酮產品和剩余乙酸乙酯產品。

圖1 常規四塔工藝流程

圖2 隔板塔精餾工藝流程

2 隔板塔精餾工藝模擬

新工藝以隔板塔代替脫色塔和乙酯塔，而丙酮塔和脫水塔與原設計相同，因此，本文主要對隔板塔進行模擬研究，利用Aspen Plus 軟件Multi-Frac 模塊中的全熱耦合精餾塔等價隔板塔。

模擬時，原料性質以實際生產數據為基礎，為簡化計算，丙酮-乙酯-水及雜質的進料質量分數分別設定為0.08、0.91、0.01，進料溫度為25℃。此外，物料中還含有少量的色素雜質，其沸點很高，且不與其它組分共沸，實際生產中很容易脫除，模擬研究時采用硅醚代替色素雜質。由于進料中丙酮含量很少，隔板塔塔頂很難得到合格的丙酮產品，因此，將丙酮-乙酯-水混合物作為輕組分從塔頂采出，再依次送入丙酮塔、脫水塔分離;大部分乙酯作為中間組分從側線采出;色素雜質從塔釜采出。

模擬研究中，定義液相分配比RL為隔板上方的下降液體分配到預分餾段(隔板左側)的比例，氣相分配比RV為隔板下方的上升氣體分配到預分餾段的比例，預分餾段內乙酯的分割比β 為預分餾段頂部乙酯餾出凈流量與乙酯進料量之比［10］。模擬中假設隔板安裝在塔的中心，兩側堆放的填料條件相同，故近似取氣相分配比RV為0.5。

3 結果與討論

3.1 回流比R 對隔板塔分離效果的影響

圖3 反映了當RL為0.01、RV為0.5 時，回流比R 對隔板塔分離效果的影響。可以看出，隨著R的增大，塔頂采出液中丙酮的含量與側線采出乙酸乙酯的純度均逐漸增大，當R ＞4 后，其變化趨于平緩。由于回流比的增大會使再沸器熱負荷增加，故綜合考慮，回流比選擇4 即可。

圖3 回流比對產品純度的影響

3.2 液相分配比RL對隔板塔分離效果的影響

在隔板塔實際操作中，氣相分配比RV和液相分配比RL是兩個非常重要的優化調節參數，但氣相分配比在線調節比較困難，所以，模擬中將液相分配比作為隔板塔的主要調優參數。

在隔板塔內，丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質混合物首先在預分餾段內分離成丙酮-乙酯-水和乙酯-色級雜質兩部分，丙酮-水-乙酯混合物從隔板上段餾出，在公共精餾段及側線采出段上部進行丙酮-水與乙酯的分離;乙酯- 色素雜質混合物從隔板下段餾出，在公共提餾段進行乙酯與色素雜質的分離。當塔頂回流量一定時，進入隔板兩側的液體量多少對隔板塔的分離效果會產生很大影響。

圖4 是在R=4，RV=0.5 時，液相分配比RL對塔頂采出液中丙酮含量和側線采出產品乙酯的純度的影響。可以看出，隨著RL的增大，塔頂采出液中丙酮含量與側線采出產品乙酯的純度均減小，也就是說液相分配比RL越小，隔板塔的分離效果越好，當RL在0.1 以下時，乙酸乙酯的純度可達99.8%以上。雖然重組分色素雜質沸點較高，很容易分離，但為保證其不從隔板上部蒸出，液相分配比在0.05 ～0.1 范圍內為宜。

圖4 液相分配比對產品純度的影響

3.3 液相分配比RL 對隔板兩側液相濃度分布的影響

乙酸乙酯作為側線采出的產品及塔頂丙酮-水混合液和塔釜硅醚產品的主要雜質，其在主塔液相中的濃度分布也直接反映隔板塔的分離效果。當氣相分配比RV一定時，液相分配比RL的變化改變了預分餾段內乙酸乙酯的分割比β，從而影響主塔液相中乙酸乙酯的濃度分布。為深入研究液相分配比對隔板塔分離效果的影響，在R =4、RV=0.5 條件下，模擬了液相分配比RL對隔板兩側乙酸乙酯濃度分布和預分餾段內乙酸乙酯分割比β的影響，結果見圖5、圖6 和圖7。

圖5 側線采出段乙酯液相質量分率隨塔板數變化

由圖5 可以看出，RV=0.5 時，隨著RL的增大，側線采出段上部的乙酯濃度逐漸升高，側線采出段下部的乙酯濃度逐漸降低。公共精餾段與側線采出段上部主要完成丙酮與乙酯、水與乙酯的部分分離，R 與RV一定，RL較大時，從隔板上部進入側線采出段的液相量較少，側線采出段上部的液氣比減小，故乙酯濃度升高;當RL增大，預分餾段液相中丙酮量增加，乙酯含量降低，故從預分餾段下部餾出進入側線采出段的乙酯濃度亦隨之減少。

圖6 預分餾段乙酯液相質量分率隨塔板數變化

由圖6 可以看出，RV=0.5 時，隨著RL的增大，預分餾段液相中乙酯濃度逐漸降低。RL越小，預分餾段液相中乙酯濃度越高，從預分餾段下部餾出進入側線采出段的乙酯濃度越高，隔板塔分離效果越好。

圖7 乙酯分割比隨液相分配比的變化

由圖7 可以看出，RV=0.5 時，隨著RL的增大，預分餾段內乙酯的分割比β 逐漸減小。當RL較大時，乙酯分割比β 較小，較多的乙酯從預分餾段下部餾出，由于預分餾段內的液相負荷較大，氣相負荷相對不足，會有一部分丙酮隨乙酯從預分餾段下部餾出，繞過隔板下端進入側線采出段，影響側線乙酯產品的純度。當RL較小時，β 較大，較多的乙酯從預分餾段上部餾出，由于預分餾段內的液相負荷較小，氣相負荷相對充足，絕大部分丙酮隨乙酯從預分餾段上部餾出，再經過公共精餾段及側線采出段的傳質、傳熱，可使大量的丙酮從塔頂餾出，而側線采出段下部則可采出高純度的乙酯產品。可見，RL的確定對于隔板塔精餾工藝的分離效果是至關重要的。

3.4 隔板塔精餾工藝的經濟性分析

內蒙古某制藥廠在處理丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質混合物時，原采用傳統四塔工藝流程，后采用本文提出的隔板塔精餾工藝進行改造，分離任務與產品指標可全部實現。表1 比較了在完成相同分離任務的條件下，隔板塔精餾流程與四塔流程的能耗情況。可以看出，隔板塔精餾工藝與原四塔工藝相比，再沸器熱負荷減少28.09%，冷凝器熱負荷減少27.01%;同時，節省了一個精餾塔，一個冷凝器、一個再沸器及相關管路，大幅降低了設備投資。

表1 隔板塔精餾流程與常規四塔流程比較

4 結語

(1)對丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質混合物體系，可采用隔板塔精餾工藝進行分離，當回流比為4，氣相分配比RV為0.5 時，液相分配比RL在0.05 ～0.1 范圍內，隔板塔的分離效果較好，隔板塔塔釜可將色素雜質徹底脫除，側線可采出純度達99.8%的乙酸乙酯。

(2)在回流比和氣相分配比確定的條件下，液相分配比RL減小，預分餾段液相中乙酯濃度增大，側線采出段上部的乙酯濃度減小，側線采出段下部的乙酯濃度增大，預分餾段內乙酯的分割比增大，隔板塔的分離效果變好。

(3)改造結果表明，對于丙酮-乙酸乙酯-水-色素雜質混合物體系的分離，隔板塔精餾工藝節能效果顯著，與原四塔工藝流程相比，再沸器可節能28.09%，冷凝器可節能27.01%，且降低了設備投資。

1 程能林，胡聲聞. 溶劑手冊(上)［M］. 北京:化學工業出版社，1986:443 -446.

2 《實用精細化學品手冊》編寫組. 實用精細化學品手冊［M］. 北京:化學工業出版社，1996:1268 -1270.

3 Eric W Luster. Apparatus for Practionating Cracked Products［P］:US，1915681. 1933 -06 -27 .

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9 Suphanit B，Bischert A，Narataruksa P. Energy loss analysis of heat transfer across the wall of the dividing-wall distillation column ［J］. Energy，2007.

10 Ivar JHalvorsen，Sigurd Skogestad，Optional operation of Petlyuk distillation:steady-state behavior ［J］. Journal of process Control，1999，9 (5):407 -424.