連續萃取精餾分離異丙醇-水的靜態模擬分析*

閆君芝，黃 棟，馬向榮

(榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000)

異丙醇(IPA)在被第一次合成之后，由于其優越的性能被廣泛應用于各個行業。作為化工原料可生產丙酮、二異丁基酮、異丙胺以及脂肪酸乙丙酯等，在精細化工方面可以制造藥品、化妝品、涂料等[1-5]，在設備上還可以用作激光頭、清潔劑和除冰劑，同時，異丙醇還是實驗室用于稀釋和萃取時的一種重要溶劑[6-8]，正因為異丙醇的用途廣泛，使其在世界范圍顯現出了供不應求的局面，尤其是高純度的異丙醇價格越來越貴，因此制備、分離高純度的異丙醇非常重要。

1 建立模型

工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

萃取劑和乙二醇進入混合器后經加熱器H1加熱到指定溫度進入到萃取精餾塔T1接近塔頂部的位置，同時物料進入加熱器H2加熱到指定溫度后進入萃取精餾塔T1塔中下部的位置。在萃取精餾塔T1進行連續萃取精餾。從T1塔上部得到異丙醇產品P1，底部得到萃取劑乙二醇、水的混合物P2，該混合物進入萃取劑回收塔T2，從而在塔頂部得到水，塔底得到萃取劑乙二醇循環至混合器后循環使用。

2 初始模擬

采用Aspen Plus軟件，運用General With Metric Units模版，以UNIFAC物性方法，選用乙二醇為萃取劑，進料為n(異丙醇)∶n(水)=3∶2的混合物，溫度擬定60 ℃，壓力擬定為101.325 kPa，最小回流比擬定為1.4，進料流率擬定為4 800 kmol/h。塔板數為26塊，萃取精餾塔進料板為第16塊，萃取劑進料板為第4塊，其他條件默認，模擬結果見表1。

表1 萃取精餾塔模擬計算結果 w/%

由表1可知，P1出口產品w(異丙醇)=99.5%，滿足最初設計時所要求的純度。

3 優化設計

3.1 理論塔板數與熱負荷對分離效果的影響

應用model analysis板塊中的靈敏度分析繪制理論塔板數對分離效果的影響，展示了產品異丙醇和理論塔板數、熱負荷的關系，靈敏度分析輸入的理論塔板數變化值為15～50，變化值為1，結果見圖2。

塔板/塊

由圖2可知，當理論塔板數從20增加到30，w(異丙醇)快速增長，當理論塔板數為28，w(異丙醇)達到最高值且之后幾乎沒有變化，考慮制造成本，理論塔板數選擇28塊最為合適，再繼續優化其他條件，分離出的w(異丙醇)將會更高。

3.2 進料位置與熱負荷對分離效果的影響

進料位置對分離效果的影響見圖3。

塔板/塊

由圖3可知，影響曲線可近似看作拋物線，進料位置偏高時則由于溫度低，分離效果不明顯，進料位置低時，由于溫度過高，致使物料和萃取劑接觸程度變低，導致所要分離出w(異丙醇)變低，所以進料位置尤為關鍵。在進料位置從第8塊到第17塊塔板，分離出的w(異丙醇)一直在增加，而從第18塊塔板開始，所分離出的w(異丙醇)開始下降，所以第17塊塔板就是分離出w(異丙醇)的最高點，也就是最合適的進料位置。

3.3 回流比與熱負荷對分離效果的影響

回流比直接影響萃取精餾塔的理論塔板數和塔徑，而影響了這2個參數就會影響塔設計時的成本以及成型后的體積，并且回流比還影響著塔底加熱蒸汽的消耗程度和塔頂冷卻水的消耗量，這也會影響操作性和經濟性[9-11]。所以回流比的設計以及優化是非常重要的一個環節，回流比不能太大，因為回流比太大沒有設計的價值，所以選擇一個合適的回流比是至關重要的[12-15]。如果設計得當，那么就會得到最佳的效果，既可以得到高純度的產品還可以降低設計和生產時的人工耗時和經濟指標。回流比對分離效果的影響見圖4。

回流比

由圖4可知，回流比的變化量為0.8～2，變化值為0.1。當回流比從1.0增加到1.5，w(異丙醇)增加明顯，繼續增大回流比，w(異丙醇)不再增加。因此，最佳的回流比就是1.5。

3.4 塔內溫度曲線圖

萃取精餾塔塔內各個塔板溫度的分布情況見圖5。

塔板/塊

由圖5可知，從塔頂的第1塊到第4塊塔板，也就是中上部時，溫度持續升高，從第4塊到第15塊塔板，在塔的中部，溫度升高變慢，是因為萃取劑進料位置為第4塊塔板，萃取劑的溫度低，所以溫度升高開始變得緩慢，直到緩慢升高到塔的中下部，也就是從第16塊塔板開始溫度降低，是因為物料的進料位置在第16塊塔板，所以當低溫度的物料進入塔內，塔內的溫度發生變化，溫度持續降低，從第17塊塔板開始，塔內溫度停止降低，塔內溫度保持一種平衡狀態，到第21塊塔板時，塔內溫度開始快速增高，直到塔底溫度達到了最高值。由塔內溫度曲線圖可以看到設計是合理可行的。

3.5 塔內液相曲線圖

塔內液相圖表示了塔內的物料在各個塔板時所處的狀態和含量，見圖6。

由圖6可知，在塔頂時，因為塔頂溫度低，沿著塔往下溫度越來越高，w(異丙醇)越來越低，因為塔頂是產品的出口，而萃取劑則相反，塔底出的萃取劑w(乙二醇)最高，塔頂w(異丙醇)隨著塔板數越來越高。因為第4塊塔板是萃取劑進料的位置，所以液相的萃取劑開始緩慢增加，因為萃取劑的進入，溫度的降低，導致w(異丙醇)開始緩慢降低，而這樣近似的穩態直到第16塊塔板時又發生了變化，這是因為在16塊塔板時有物料異丙醇-水進入，當物料進入時，溫度發生變化，相對的塔內液相也相應發生變化，w(異丙醇)發生了局部的增高，w(萃取劑)發生了局部的降低，但是這都是暫時的，在第22塊塔板時，由于溫度高，水變為氣態，所以w(異丙醇)隨之升高，而w(萃取劑)則會繼續降低，這就是萃取精餾塔中的液相分布，符合工藝原理。

塔板/塊

4 結 論

經過運用Model Analysis板塊對T1模擬進行優化，優化得到的結果為理論塔板數28塊，進料位置第17塊塔板，最小回流比1.5，萃取劑進料位置第4塊塔板。以優化后的結果運行Aspen Plus再一次進行模擬實驗，進料條件不變，T1塔分離出的w(異丙醇)達到99.8%，乙二醇的回收率達到99.98%，滿足工業要求。驗證了用乙二醇萃取精餾分離異丙醇和水的可行性，能對分離異丙醇和水提供參考。