環己烷-叔丁醇-水共沸精餾模擬研究

范永梅

（天津市晟遠環境有限公司，天津300384）

FAN Y ong-m ei

(Tianjin SY.EnvironmentCo.Ltd，Tianjin 300384，China)

環己烷-叔丁醇-水共沸精餾模擬研究

范永梅

（天津市晟遠環境有限公司，天津300384）

本文運用ASPEN流程模擬軟件對環己烷作為挾帶劑共沸精餾分離叔丁醇和水的過程進行模擬，確定了共沸塔的最佳的理論板數以及合理的挾帶劑流量，同時研究了進料位置對共沸精餾的影響，計算出了各個塔板的溫度和塔內氣液相流量及組成。

共沸精餾；挾帶劑；ASPEN

FAN Y ong-m ei

(Tianjin SY.EnvironmentCo.Ltd，Tianjin 300384，China)

1 引言

無水叔丁醇作為一種重要的有機化學品，廣泛運用在化工和醫藥等領域，但由于生產的叔丁醇中都含有水并且形成均相最低共沸物，使得普通精餾難以精制叔丁醇[1]。常用的分離方法主要有鹽析分離[2]、共沸精餾、萃取精餾[3]、吸附精餾[4，5]、滲透汽化[6]、吸附法[7]等。目前，對共沸精餾分離叔丁醇和水的研究報道較少，本文通過采用環己烷作為挾帶劑分離叔丁醇和水,研究其共沸精餾的最佳的操作條件和一些因素對分離效果有影響。

2 物性模型

NRTL模型是描述氣液液平衡最常見的活度系數模型，也是描述低壓下高度非理想液體混合物的最好方法之一[8，9]，由于共沸精餾塔中環己烷-叔丁醇-水體系非理想性很強，采用NRTL模型較為合理。環己烷-叔丁醇-水形成的共沸物的沸點和共沸類型見表1。

表1 環己烷-叔丁醇-水系統的共沸點和共沸類型

3 流程及工藝參數

圖1 環己烷-叔丁醇-水共沸精餾流程示意圖

共沸精餾的流程圖如1所示，流程中主要設備：共沸塔、冷凝器、分相器，共沸塔底部得到無水叔丁醇，頂部是氣相的環己烷-叔丁醇-水的三元共沸物，通過冷凝器冷凝后進入分相器分相，油相作為挾帶劑回流，水相采出。

采用叔丁醇和水接近共沸點進料，其中叔丁醇-水溶液中叔丁醇和水物質的量比為：0.63∶0.37，總流量為130kmol/hr，塔內壓力采用常壓操作，脫水后的叔丁醇質量分數要求99%以上，頂部餾出的三元共沸物冷凝到40℃，進入分相器。

4 結果與討論

4.1 理論板數和進料位置的確定

圖2 共沸精餾塔的理論板數對塔底叔丁醇質量含量的影響

圖2是塔底餾出物叔丁醇的質量含量隨塔的理論板數的變化，從圖中可以得出，開始隨著塔板數增加，叔丁醇的質量含量迅速增加，塔板數增加到20時，叔丁醇質量含率增加緩慢，當板數達到25時，叔丁醇純度達到要求，在增加板數，純度變化不大，確定理論板數為25。

圖3 共沸塔底叔丁醇質量分數隨進料位置變化

圖3考察了不同進料板位置對共沸塔底部餾出物叔丁醇純度的影響，從圖中可以看出，進料板位置從第2塊板到第20塊板，隨著進料板數增加，塔底叔丁醇的純度降低，而減小加料板，增加提餾段，提高叔丁醇和水分離效果，將進料位置定為第二塊塔板進料。

4.2 挾帶劑流量的研究

共沸塔頂部的三元共沸餾出物經分相器分相后油相中環己烷：叔丁醇：水物質的量比為0.687∶0.264∶0.049，該油相作為挾帶劑，回流到共沸塔第一塊塔板。圖4是精餾塔底部叔丁醇純度隨挾帶劑流量的變化趨勢圖，從圖中可以看出，開始挾帶劑流量越大精餾塔底部叔丁醇的純度增加，但超過一定量后，隨著挾帶劑流量增加而降低，所以并非挾帶劑越多分離效果越好，而存在最佳值挾帶劑流量，低于或者高于該流量純度都會降低，模擬得出最佳的挾帶劑量為156kg/h。

4.3 全塔物料和能量衡算

根據上述確定的理論板數、進料板位置以及挾帶劑流量等條件，模擬全塔流程，計算出全塔物料和能量衡算。

圖5 各塔板上的氣相組成摩爾分率模擬結果

圖6 各塔板上的液相組成摩爾分率模擬結果

圖5各塔板上的氣相組成的摩爾分率可以看出，共沸塔第一塊板上氣相的環己烷-叔丁醇-水的摩爾分率（Y）0.557∶0.218：0.225，非常接近表1中環己烷-叔丁醇-水0.555∶0.2142∶0.2308的組成，說明共沸塔塔頂餾出物為三元共沸物，共沸塔塔為三元共沸精餾塔。

從與塔板上氣相組成摩爾分率相平衡的液相組成圖6可以看出，第一塊塔板液相組（X）成環己烷-叔丁醇-水0.677∶0.274∶0.049，與回流到第一塊塔板油相組成：0.687∶0.264∶0.049很接近，第二塊板進料后，叔丁醇和水組成迅速升高，環己烷組成相對降低，第二塊塔板至第八塊塔板環己烷發揮挾帶作用，水的組成迅速降低至0左右，第九塊塔至第十八塔板三組分幾乎恒定不變，為衡挾帶劑區，第十八塔板至塔釜，環己烷和叔丁醇發生分離，頂部得到幾乎純凈的叔丁醇。

圖7 各塔板上的溫度分布圖

從圖7中可以看出，從塔底到塔頂溫度逐漸降低，其中塔頂溫度63.9℃，接近三元共沸點溫度，這與圖5也是符合的，第二至八塊塔板，由于叔丁醇含量增加，溫度也在升高，第九至十八的恒挾帶劑區，溫度保持恒定，第十八之后隨著叔丁醇純度越來越高，溫度也迅速升高，最后達到叔丁醇的沸點82℃左右。

5 結論

通過對環己烷-叔丁醇-水體系共沸精餾模擬研究，得出以下結論：

5.1 確定了該過程的最佳理論板數，同時得出提餾段越長越有利于分離；

5.2 挾帶劑并非越多越好，而是存在最佳值，工業生產中挾帶劑的確定可以先通過模擬計算確定；

5.3 通過分析塔內各塔板上液相組成變化和塔內溫度變化，對該體系的共沸精餾過程更全面的了解。對以后的工業化具有指導意義。

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Sim ulation of the azeotropic distillation of tertbutanol-watercyclohexane system

In this paper,the water is separated from tert-butyl alcohol solution by the azeotropic distillation with cyclohexane as entrainment agent by process simulation software ASPEN,The optimum number of theoretical plates and themost reasonable entrainmentagent flow is discoveried in the simulation process,simultaneously the influence of feed stage for azeotropic distillation is studied,and each tray and temperature and gas-liquid flow rate and composition in column isobtained.

azeotropic distillation;entrainmentagent;ASPEN

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.04.007

TQ19

A

1008-1267（2015）04-0020-04

2015-03-21