環丁砜萃取精餾分離醋酸和水體系模擬和優化

王 明，陽 杰，朱仁發

（合肥學院 化學與材料工程系，安徽 合肥 230601）

工業生產中產生的低濃度醋酸水溶液較多，而醋酸又是重要的有機化工原料,那么從低濃度醋酸水溶液中分離提純出高濃度醋酸就具有較高的經濟價值.雖然醋酸和水不會形成恒沸物，但是由于二者的揮發度相近，采用普通精餾工藝時，能耗較高，故工業上較多地采用萃取精餾[1-3].本次萃取精餾是在Aspen Plus軟件中模擬進行的.Aspen Plus是大型化工流程模擬軟件，該軟件具有豐富的數據庫[4]，可以處理非理想、極性高的復雜物系.此外Aspen Plus還具有靈敏度分析、自動排序、多種收斂方法，以及報告功能[5-12].本文以環丁砜為萃取劑，在Aspen Plus軟件中模擬醋酸和水的萃取精餾分離.

1 萃取精餾模型建立

1.1 工藝流程

環丁砜萃取精餾分離醋酸和水的工藝流程如圖1所示.醋酸水溶液從萃取塔（T1，下同）的下部進入塔內，補充的新鮮萃取劑與循環的萃取劑混合后從T1的上部進入塔內.水由T1的頂部排出，醋酸和萃取劑由塔釜進入萃取劑回收塔（T2，下同）.然后在T2頂部得到高濃度醋酸，塔釜得到高濃度萃取劑.塔釜得到的萃取劑與新鮮補充的萃取劑混合后進入T1中循環使用.

圖1 萃取精餾工藝流程圖

1.2 熱力學模型

Aspen Plus在模擬計算時，熱力學模型是關鍵，它能直接影響計算結果的物理性能的準確程度.其中NRTL能夠模擬極性和非極性化合物的混合物，甚至很強的非理想的VLE和LLE[13-15]，因此本文中醋酸和水的活度系數模型選擇NRTL[16].另，軟件中的Hayden-O’connell方程能夠預測極性組分的溶和作用和汽相中的二聚現象，包括含有羧酸系統[17].故本文中的醋酸和水體系所發生的現象非常適用于該方程[18-19].因此在本設計時，Aspen Plus選擇既包含有活度系數NRTL方程，又包含有逸度系數Hayden-O’connell方程的熱力學模型NRTL-HOC.

1.3 進料組成

本設計條件為：原料為55%（質量分數，下同）的醋酸水溶液，進料流率為5000kg/h，萃取劑為環丁砜，原料液和萃取劑均為泡點進料，兩塔均在常壓下操作，產品為冰醋酸，要求純度大于99.5%.

2 設計與優化方法

本文設計的思路是先進行萃取精餾塔的模擬和優化，獲取T1的最優操作參數，再進行溶劑回收塔的模擬和優化，得到T2的最優操作參數，最后在兩塔最優的條件下加上循環物流進行全流程運算.由于萃取精餾塔有兩股進料，故不能用Aspen Plus中的DSTWU模塊來進行模擬，故選用RadFRac模塊進行嚴格設計計算.而RadFRac模塊運算時，需要塔板數，回流比，進料位置，溶劑比等參數.上述參數，根據經驗，賦予兩塔運算初值如下表1所示.

表1 萃取精餾初始參數

3 結果及討論

在表1的初始參數下,使用Aspen Plus中的RadFRac模塊對兩塔進行初始運算，所得結果如下表2所示.

表2 初始參數運算下的結果

由表2可知，雖然T1塔頂水含量為100%，但T2塔頂醋酸含量為93.5%，塔底環丁砜含量為88.4%，整個過程沒有達到分離要求.因此，為了提高萃取精餾的分離效率，就需要對兩塔進行優化.

3.1 萃取精餾塔的優化

萃取精餾塔的作用主要是在塔頂分出水，塔底分出萃取劑環丁砜和醋酸混合物.那么可以利用T1塔頂水含量，T2塔頂醋酸含量在Aspen Plus中進行靈敏度分析，分別考察理論板數，原料進料位置，萃取劑進料位置，回流比，溶劑比等對T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響.

3.1.1 理論板數的影響

理論板數對T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響如圖2所示.

圖2 理論板數對T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響

由圖2可知，隨著T1塔塔板數逐漸增大，T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量均逐漸增大，當塔板數大于29時，兩塔塔頂產品濃度幾乎保持不變，故綜合考慮塔制造成本，塔板數為29塊時為宜.

3.1.2 原料液進料位置的影響

T1塔理論板數為29，其他參數不變，考察原料液進料位置對分離效果的影響，其結果如下圖3所示.

圖3 原料進料位置對T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響

由圖3可知，隨著進料板的下移，兩塔塔頂產品含量逐漸增大，當原料液的進料位置大于17時，T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量有微小增大趨勢，總體變化不大，因此，原料液采用第17塊板進料.

3.1.3 萃取劑進料位置的影響

T1塔理論板數為29，原料液進料位置為第17塊板,其他參數不變，考察萃取劑環丁砜進料位置對分離效果的影響，其結果如下圖4所示.

圖4 萃取劑進料位置對T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響

由圖4可知,隨著萃取劑進料位置的下移，兩塔塔頂產品質量分數先增大后減小，并在第4塊板時，取得最大值.因此萃取劑較適宜的進料位置為第4塊板.

3.1.4 回流比的影響

T1塔理論板數為29，原料液進料位置為第17塊板，萃取劑進料位置為第4塊板，其他參數不變，考察T1塔回流比對分離效果的影響，其結果如下圖5所示.

圖5 回流比對T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響

由圖5可知，隨著回流比的增大，兩塔塔頂產品質量分數逐漸增大，當回流比大于2.7時，T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量有減小趨勢.因此，萃取精餾塔適宜的回流比為2.7.

3.1.5 溶劑比的影響

T1塔理論板數為29，原料液進料位置為第17塊板，萃取劑進料位置為第4塊板，回流比為2.7，其他參數不變，考察溶劑比（萃取劑與原料液的質量流率之比）對塔頂、塔底水含量的影響，其結果如下圖6所示.

圖6 溶劑比對T1塔頂水含量和T2塔頂醋酸含量的影響

由圖6可知，隨著溶劑比的增大，T1塔底的水含量逐漸降低，T2塔頂醋酸含量先增大，當溶劑比大于1.3時，醋酸含量逐漸降低,這是由于萃取劑流量增大到一定程度之后，進入了T2塔的塔頂，影響了T2塔的分離效率.因此，綜合考慮，較適宜的溶劑比為1.3.

3.2 溶劑回收塔的優化

溶劑塔的優化主要以T2塔頂醋酸含量為指標分別對理論板數，進料位置，回流比等作靈敏度分析.

3.2.1 理論板數的影響

在T1塔最優操作參數下，考察T2塔理論板數對T2塔頂醋酸含量的影響，其結果如下圖7所示.

由圖7可知，隨著T2塔理論塔板數的逐漸增大，T2塔頂醋酸含量逐漸增大，當塔板數為8塊時，醋酸含量保持穩定不變，理論塔板數越多，塔的制造成本越高，綜合考慮，T2塔最佳的理論塔板數為8塊板.

圖7 理論板數對T2塔頂醋酸含量的影響

3.2.2 進料位置的影響

在理論塔板數8，其他操作參數不變的情況下，考察T2塔進料位置對塔頂醋酸含量的影響，其結果如下圖8所示.

圖8 進料位置對T2塔頂醋酸含量的影響

由圖8可知，在第一塊板進料時候，塔頂醋酸含量最低，當進料位置大于4時，醋酸含量隨著進料位置增大有增大趨勢，但變化不大.因此，T2塔的適宜的進料位置選擇第4塊塔板.

3.2.3 回流比的影響

在理論塔板數8，進料位置第4塊板，其他操作參數不變的情況下，考察回流比為對塔頂醋酸含量的影響，其結果如下圖9所示.

圖9 進料位置對T2塔頂醋酸含量的影響

由圖9可知，當回流比在0.1～2時，隨著回流比的增大，塔頂醋酸含量先增大后減小，當回流比為0.5時，醋酸含量達到最大值.因此T2塔適宜的回流比為0.5.

3.3 全流程運算

通過上述設計與優化，兩塔的最優操作參數如下表3所示.在最優操作參數下運行全流程，結果如表4所示，萃取精餾冰醋酸產品的質量分數高達99.8%，滿足分離要求.萃取精餾塔和溶劑回收塔兩塔再沸器總的熱負荷為5706.95kW，那么生產1t冰醋酸耗費1MPa的蒸汽量為2.7t，這比普通精餾過程1MPa蒸汽耗量8.9t[20]節約能耗69.66%.

表3 萃取精餾最優操作參數

表4 最優參數運算下的結果

4 結論

在Aspen Plus中，以環丁砜為萃取劑，對醋酸和水混合物進行萃取精餾設計與優化，得到兩塔較優的操作參數如下：萃取精餾塔的理論板數29塊，原料液從第17塊板進料，萃取劑從第4塊板進料，回流比為2.7，溶劑比為1.3；溶劑回收塔的理論板數為8塊，進料位置為第4塊板進料，操作回流比為0.5.在此最佳操作參數下，萃取精餾冰醋酸的質量分數高達99.8%，兩塔再沸器總熱負荷僅為5706.95kW，比普通精餾過程節能69.66%.