Aspen 模擬乙醇-水體系的共沸精餾

（江西贛鋒鋰業(yè)股份有限公司，江西 新余 338000）

無水乙醇是重要的化工原料之一，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、涂料、化妝品、食品、染料等方面。在能源領(lǐng)域，乙醇也占有一席之地，可以部分替代汽油用作清潔可再生燃料，受到了越來越多研究者的青睞[1]。國家發(fā)改委提出：2020 年我國全國范圍內(nèi)將推廣使用車用乙醇汽油，基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

乙醇汽油是由90%汽油和10%乙醇混合而成的，水含量是車用乙醇汽油的重要指標(biāo)。然而，乙醇能與水以任意比互溶，并能與水形成共沸物，造成組分分離提純困難，因此，乙醇的分離一直是無水乙醇生產(chǎn)過程中的一大難題[2]。

目前，制備無水乙醇的方法主要有萃取精餾法[3]、膜分離法[4]、吸附法[5]、共沸精餾[6]等。萃取精餾法是通過加入特殊的添加劑，改變乙醇水溶液的相對(duì)揮發(fā)度，使其易于分離，添加劑可以是乙二醇、氯酸鈣、氯化銅等。萃取精餾法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作費(fèi)用較低，然而鹽的回收仍有待攻克。膜分離技術(shù)是利用乙醇和水分子直徑的不同，讓乙醇水溶液通過特定孔徑的膜，從而達(dá)到分離的效果。膜分離具有設(shè)備體積小、操作方便等特點(diǎn)，但膜組件的壽命短，后期更換費(fèi)用較大。吸附法包括分子篩吸附法、生物質(zhì)吸附法等，主要是分子篩、谷物對(duì)水有一定的選擇性吸附。吸附法具有勞動(dòng)強(qiáng)度低、低污染等特點(diǎn)，但吸附劑的吸附容量有限，后期的再回收等問題仍有待改善。共沸精餾制備無水乙醇是目前規(guī)模最大、機(jī)械化程度最高的方法。在乙醇水溶液中加入共沸劑，使原體系形成沸點(diǎn)最低的三元共沸物，三元共沸物經(jīng)后期簡(jiǎn)單的處理，可將原共沸劑回收再利用。

本文運(yùn)用Aspen 軟件模擬乙醇水溶液的提純工藝過程。（1）對(duì)低濃度的乙醇水溶液(15 wt%)進(jìn)行普通蒸餾處理，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的乙醇-水共沸物；（2）以苯為共沸劑，優(yōu)化工藝參數(shù)，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.67%的無水乙醇；（3）得到的乙醇-苯-水三元共沸物，可經(jīng)過多次萃取處理，得到高純度的苯，苯經(jīng)回收后循環(huán)再利用[7]。

1 共沸精餾工藝模擬

1.1 工藝初步模擬

某工廠生產(chǎn)得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的乙醇水溶液，預(yù)制備高濃度的無水乙醇。通過查閱相應(yīng)的資料，得到乙醇-苯-水三元共沸物的特性表，見表1。

表1 乙醇-苯-水三元共沸物的特性表

從表1 中可以看出，乙醇-苯-水的三元共沸點(diǎn)為64.85 ℃，較乙醇的沸點(diǎn)78.3 ℃低，并且相對(duì)溫差較大，適合分離。因此，本文以苯為共沸劑，通過共沸精餾，制備高純度的無水乙醇。

從表1 還可以看出，乙醇-苯-水三元共沸物的組成分別為18.5 wt%、7.4 wt%、74.1 wt%。其中，水和苯的質(zhì)量比為1:10，因此，進(jìn)入共沸精餾塔的水濃度越高，需加入苯的量越多，不利于后期苯的回收利用；三元共沸物中乙醇和苯的質(zhì)量比為1:4，隨著苯加入量的增加，乙醇的量也越多。因此，首先對(duì)低濃度的乙醇水溶液進(jìn)行普通精餾處理，得到質(zhì)量濃度為95%的乙醇-水共沸物，再以苯為共沸劑進(jìn)行共沸精餾，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%的無水乙醇。其主要的工藝流程見圖1。

圖1 共沸精餾制備無水乙醇的Aspen 工藝流程模擬圖

從圖1 可以看出，原15 wt%乙醇水溶液經(jīng)過普通精餾塔T101 分離，在T101 塔的塔頂?shù)玫?579.1 kg/h 的95 wt%乙醇水溶液，根據(jù)表1 的理論數(shù)據(jù)，估算在共沸精餾過程中，苯的加入量為1579.1×0.05÷7.4×74.1=790.6 kg/h。經(jīng)過模擬、收斂，得到實(shí)際苯的加入量為792.3 kg/h，與理論估算值一致。經(jīng)共沸精餾塔T102 分離，T102 塔塔底得到純度大于99.5 wt%的無水乙醇。

1.2 工藝優(yōu)化

本文對(duì)共沸精餾塔的塔板數(shù)和進(jìn)料位置進(jìn)行了優(yōu)化，圖2 和圖3 分別是共沸精餾塔塔底乙醇濃度和塔板數(shù)(N)、進(jìn)料位置(F)的關(guān)系圖。

從圖2 可以看出，隨著塔板數(shù)的增加，共沸精餾塔塔底乙醇的濃度先增加后減??；在塔板數(shù)為11 塊時(shí)，塔底乙醇的濃度最大，為99.52 wt%。因此，確定共沸精餾塔的塔板數(shù)為11。

從圖3 可以看出，隨著進(jìn)料位置的變化，共沸精餾塔塔底乙醇的濃度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在進(jìn)料位置為第6 塊塔板時(shí)，塔底乙醇的濃度達(dá)到最大，為99.67 wt%。因此，選取第6 塊塔板為共沸精餾塔的進(jìn)料位置。

圖2 塔底乙醇濃度隨塔板數(shù)的變化圖

圖3 塔底乙醇濃度隨進(jìn)料位置的變化圖

1.3 物料衡算

通過對(duì)乙醇-苯-水體系共沸精餾工藝條件的優(yōu)化，得到乙醇-苯-水三元體系共沸精餾物料平衡表，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 乙醇-苯-水共沸精餾物料平衡表

從表2 可以看出，原15 wt%的乙醇水溶液，經(jīng)過Aspen 模擬，得到了純度為99.67 wt%的無水乙醇。

2 結(jié)論

利用Aspen 軟件模擬乙醇-苯-水體系的共沸精餾工藝流程，通過對(duì)共沸精餾塔的塔板數(shù)、進(jìn)料位置的優(yōu)化，得到共沸精餾塔塔板數(shù)為11 塊、進(jìn)料位置為第6 塊塔板時(shí)，共沸精餾塔塔底得到的乙醇純度最高，為99.76 wt%。