萃取精餾分離甲醇-乙腈共沸體系的過程模擬

丁亞松，李武勇，秦應紅，王克良，連明磊，杜廷召

(1.六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004；2. 中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北 任丘 062552)

1 引言

甲醇-乙腈混合物常壓下形成共沸物，所述共沸組成為81%的甲醇和19%乙腈(質量分數)[1]。由于甲醇-乙腈混合物的共沸現象，一般精餾不能將兩者完全分開，應考慮特殊的蒸餾方法。現有文獻報道從變壓精餾[2]和萃取精餾[3]中分離甲醇-乙腈共沸物。然而，變壓精餾采用的雙塔壓力是通過極低壓和常壓的組合方式進行的。我們應該減少壓力設備，這樣的工藝也存在操作更復雜，設備投資更大的問題[4]。相比之下，萃取精餾[5-8]可以避免上述問題的同時還能高效的分離甲醇-乙腈體系。因此，在本文中采用萃取精餾分離甲醇-乙腈共沸物，應用ASPEN PLUS 軟件對其過程進行模擬計算，通過分析相對揮發度和分離效果，篩選出最佳的萃取劑，并對此過程的工藝參數進行模擬優化。

2 萃取劑的選擇

2.1 相對揮發度數據

本文利用Aspen Plus軟件中的Analysis模塊進行相對揮發度和選擇性數據的分析，物性方法選wilson模型，分別對環丁砜、苯胺、三甘醇、糠醛和丁酸丙酯進行比選，結果如表-1所示，其中甲醇為摩爾分數。

表1 環丁砜、苯胺、三甘醇、糠醛和丁酸丙酯相對揮發度數據

萃取劑的引入導致相對揮發度與1的偏離越大說明此萃取劑越好，從表1得出，環丁砜的相對揮發度數據明顯優于其它萃取劑，其中這5種萃取劑在甲醇的全濃度范圍內的相對揮發度均大于1，說明了甲醇和乙腈共沸物共沸點的消除，這五種溶劑均可做本體系的萃取劑，其中環丁砜最佳。

2.2 不同萃取劑分離效果比選

本文在表2的模擬條件下，考察了環丁砜、苯胺、三甘醇、糠醛和丁酸丙酯5種萃取劑對甲醇-乙腈體系的分離效果，模擬結果見表3。

表2 萃取精餾塔的模擬條件參數

表3 4種不同萃取劑的模擬結果

由模擬結果可知5種萃取劑的分離效果順序為：環丁砜>苯胺>三甘醇>糠醛>丁酸丙酯。

2.3 萃取劑選擇結果

從相對揮發度數據和分離效果分析可知，環丁砜為最佳萃取劑選擇。

3 工藝流程優化

3.1 工藝流程

甲醇-乙腈共沸物萃取精餾工藝流程如圖1所示。原料和萃取劑分別從萃取精餾塔中間和上半部分進入，原料為甲醇和乙腈的混合液，萃取劑為環丁砜，兩塔的塔頂分別得到高純度的甲醇和乙腈產品，萃取劑環丁砜經回收后循環利用，此工藝在模擬過程中用到的設備模塊和分析工具見表4。

表4 工藝模擬中用到的模塊和分析工具

圖1 甲醇-乙腈體系萃取精餾工藝流程

3.2 全塔理論板數的分析

本文分析了不同全塔理論板數的分離效果，計算結果列于表5中，其中XD表示塔頂甲醇的質量純度(%)，XW表示塔底甲醇的質量純度(%)。

表5 全塔理論板數的影響

表5(續)

由表5得出：甲醇的純度隨塔板數的增加而提高，當塔板數大于30時，甲醇的純度不再變化。由于塔板數的增加會增加設備的制造成本，因此，全塔理論板數選30塊較為合理。

3.3 溶劑比的分析

本文分析了不同溶劑比(萃取劑與原料進料的物質的量比)的分離效果，計算結果列于表6中。

表6 溶劑比的影響

由表6得出：環丁砜對甲醇-乙腈共沸體系的分離表現出很好的效果，當溶劑比僅為0.8時，甲醇的純度就已達99.9%但過高的溶劑比會增加能耗和生產成本，因此，溶劑比選為0.9較合理。

3.4 回流比(物質的量)的分析

本文分析了不同物質的量回流比的分離效果，計算結果列于表7中。

表7 回流比的影響

由表7得出：塔頂甲醇質量分數隨回流比的增加表現出先升后降的趨勢，回流比在0.8～1.2區間時，甲醇的純度不再變化，保持在99.95%。因此，回流比選0.8較為合理。

3.5 原料進料位置的分析

本文分析了不同原料進料板數的分離效果，計算結果列于表8中。

表8 原料進料位置的影響

由表8得出：原料在第22塊塔板進料時，甲醇的質量分數到達最高點，為99.95%，由此可知，本塔的精餾段塔板大于提餾段，因此，原料進料位置選第22塊較為合理。

3.6 萃取劑進料位置的分析

本文分析了不同萃取劑進料板數的分離效果，計算結果列于表9中。

表9 萃取劑進料位置的影響

由表9得出：萃取劑在第3塊塔板進料時，甲醇的質量分數最高，達到99.95%，大于或小于第3塊塔板，甲醇的純度均有所下降，因此，萃取劑進料位置選第3塊較為合理。

3.7 萃取劑再生塔的模擬條件與結果

本文運用Sensitivity工具對萃取劑再生塔的工藝參數和操作參數進行了考察，確定了最佳工藝參數，詳見表10。

表10 萃取劑再生塔的最佳工藝參數

3.8 全流程的模擬結果

在以上優化的工藝與操作條件下，全流程的模擬結果如表11所示。

表11 全流程的模擬結果

4 結論

(1)運用化工模擬軟件Aspen Plus中的Analysis功能和Radfrac模塊，對不同萃取劑進行相對揮發度數據和分離效果進行分析，選用環丁砜為最佳萃取劑。

(2)采用雙塔萃取精餾工藝分離甲醇-乙腈共沸物，運用aspen plus軟件進行全流程的模擬與優化，得到甲醇的分離效果達99.95%，乙腈的質量分數達到99.99%，萃取劑的補充量為0.008 kg//h。

[1] 于 洋,白 鵬,莊瓊紅.萃取精餾分離甲醇-乙腈的研究[J].化學工程,2011,39(6)：36-39.

[2] 白 鵬,莊瓊紅.一種分離甲醇乙腈共沸物的方法：中國,101134736[P].2008-3-5.

[3] 崔現寶,李 楊,馮天揚,等.加鹽萃取精餾分離乙腈-水物系[J].石油化工,2007,36(12)：1229-1233.

[4] Braam van D Izak N. Design of solvents for extractive distillation[J].Ind Eng Chem Res,2000,39(5)：1423-1429.

[5] 雷志剛,王洪有,許 崢,等.萃取精餾的研究進展[J].化工進展,2001,20(9)：6-9.

[6] 王克良,李 靜,連明磊,等.離子液體萃取精餾分離乙酸甲酯/甲醇共沸物[J].煤炭技術,2017,36(11):317-319.

[7] 李 靜,王克良,吳 紅,等.[DMIM]DMP萃取精餾分離丙酮和甲醇共沸體系的研究[J].天然氣化工(C1化學與化工),2017,42(04):46-50,61.

[8] 王克良,李 靜,黃 禹,等.離子液體萃取精餾分離乙醇和2-丁酮共沸體系的過程模擬[J].現代化工,2017,37(05):185-188.