丙醇脫水能耗模擬研究

張立明，馬 倩，秦麗珍

（1.新奧科技發展有限公司，河北廊坊 065001；2.煤基低碳能源國家重點實驗室，河北廊坊 065001；3.天津華賽爾傳熱設備有限公司，天津 301700）

1 工藝分析

丙醇與水共沸，常壓下共沸點78.1℃，共沸組成為丙醇95.5%wt、水4.5%wt。傳統普通精餾無法達到丙醇脫水的要求，本文模擬研究了以乙二醇為萃取劑的萃取精餾工藝流程和工藝參數，并將該方法應用于丙醇脫水。萃取精餾的操作參數變量較多，操作變量包含普通精餾的所有操作變量，包括：理論塔板數、進料位置、回流比、采出比、操作壓力。另外因與普通精餾相比，萃取精餾塔上端的操作溫度除與塔頂回流溫度有關，還與塔頂部進料的萃取劑的進料溫度和進料量有關，而塔內部的操作溫度對整體塔內部氣液平衡產生決定影響，進而影響精餾塔的產品純度和能耗。

2 流程設計及模擬建模

建立如圖1所示流程，模塊C01為精餾塔，物流EG為萃取劑乙二醇，物流FEED為丙醇水混合進料，物流C3為無水丙醇產品，物流EG+WATER為萃取劑乙二醇和水的混合物。模擬軟件采用Aspen Plus，物性方法選用NRTL，精餾塔模型選用RadFrac。物流FEED物流數據為：流量1000kg/h，溫度50℃，壓力1bar，組成為水50%wt、丙醇50%wt；物流EG物流數據為：乙二醇流量1000kg/h，水流量為1kg/h，溫度80℃，壓力0.1MPa。全塔共30塊理論板，物流FEED進料位置為第十五塊理論板，物流EG進料位置為第一塊理論板（再沸器及冷凝器不計入理論板數，規定最頂部理論板為第一塊理論板）

圖1 乙二醇萃取精餾脫水流程模型

同時軟件定義如下參數（考察兩個自變量和三個因變量）：

乙二醇流量1000～5000kg/h（自變量）；物流EG溫度10～100℃（自變量）；丙醇產品純度（因變量）；EG+WATER中丙醇流量（因變量）；精餾塔能耗（因變量）；模擬研究兩個自變量分別對三個因變量的影響，并根據模擬結果作圖分析。

3 模擬結果

從圖2看出，萃取劑乙二醇的進料溫度對丙醇產品純度影響很小，但乙二醇流量對丙醇產品純度影響很大，分析認為乙二醇的進料溫度降低相當于增加了塔頂冷凝器的功率，當然也同步增加了塔底再沸器的功率，因此乙二醇進料溫度對塔內溫度的分步影響不顯著，而塔內的溫度分步決定了精餾塔內的組分組成，所以萃取劑乙二醇的進料溫度對丙醇產品純度影響較小。乙二醇雖然萃取水分的能力與溫度壓力有關，但在精餾塔內壓力變化不大，溫度的變化范圍也不大，所以可以粗略認定在模擬工況中乙二醇萃取水分能力不變，則乙二醇流量變化將顯著影響萃取水量，這將打破塔內組分平衡，對塔頂產品的純度產生較大影響。

圖2 丙醇產品純度與乙二醇流量和物流EG溫度的關系

圖3 EG+WATER中丙醇含量與乙二醇流量和物流EG溫度的關系

從圖3看出，塔底產品物流EG+WATER中丙醇流量隨萃取劑EG溫度升高而升高，塔底產品物流EG+WATER中丙醇流量隨萃取劑EG流量增加而增加。需要特別指出此處研究的是塔底產品物流EG+WATER中丙醇流量，如研究EG+WATER中丙醇含量則可能造成計算結果規律不明顯。萃取劑EG溫度升高將導致塔內除冷凝器外整體溫度升高，這將導致進入冷凝器的水量變大，根據質量守恒則塔底產品物流中丙醇流量必將增加。萃取劑EG流量增大將增加萃取劑EG攜帶水的能力，但同時也增加了EG攜帶丙醇的量，終將導致塔底產品物流EG+WATER中丙醇的流量變大。

圖4 精餾塔能耗與乙二醇流量和物流EG溫度的關系

從圖4看出，精餾塔能耗隨著乙二醇流量增加而增加，精餾塔能耗隨著物流EG溫度升高而降低。物流EG溫度降低增加了精餾塔頂部冷量，為了維持塔內能量平衡必須增加塔釜再沸器的功率。物流EG流量的增加則萃取劑在塔內吸收的總熱量也將增加，這也將導致塔釜再沸器功率的增加。

4 結論與分析

通過分析模擬結果得出結論，萃取劑EG流量增加利于提高丙醇產品純度，萃取劑EG溫度對丙醇產品純度無明顯影響；萃取劑EG流量增加不利于減少EG+WATER中丙醇的殘余，萃取劑EG溫度也不利于減少EG+WATER中丙醇的殘余；萃取劑EG流量增加將增加精餾塔能耗，萃取劑EG溫度有利于減少精餾塔能耗；工業生產時可按照以上規律進行調整，已達到節能降耗的目的。