變壓精餾分離2-丁酮和水的工藝研究

何睿鳴，張 睿，陳國平，左 姣，聶 爽

1. 新中天環保股份有限公司，重慶 401147；2. 國家環境保護危險廢物處置工程技術(重慶)中心，重慶401147

2-丁酮(簡稱MEK,分子式C4H8O)，又名甲乙酮，是一種重要的有機溶劑，具有優異的溶解性和干燥性，是一種重要的化工原料和有機合成中間體，廣泛應用于油漆、涂料、煉油、染料、醫藥、潤滑油脫蠟、黏合劑、磁帶和印刷油墨等領域[1]。目前，2-丁酮的生產方法主要有正丁烯法、丁烷液相氧化法和異丁苯法3種，其中，正丁烯法應用最為普遍，水是主要的雜質[2]。2-丁酮和水在采用精餾進行分離時會形成共沸，難以使用常規精餾進行分離。2-丁酮-水共沸物系的分離方法主要有滲透蒸發、萃取精餾、加鹽萃取精餾和液液萃取。當前滲透蒸發設備投資較大；因要對萃取劑進行回收，萃取精餾和加鹽萃取精餾能耗相對較大。如以乙二醇為萃取劑進行萃取精餾分離2-丁酮-水共沸物系，由于物料中2-丁酮含量較高時，2-丁酮-水的相對揮發度小，要得到高純度的2-丁酮，所需萃取劑乙二醇量較大，乙二醇回收能耗高。加鹽萃取精餾還存在鹽水蒸發濃縮、鹽的回收與結晶及鹽水腐蝕設備等問題。因2-丁醇-水共沸物系在不同壓力下的共沸組成會發生相應的改變，才能滿足采用變壓精餾工藝進行分離提純2-丁酮的要求。目前變壓精餾方法分離2-丁酮與水的工藝研究報道很少，采用變壓精餾分離提純2-丁酮有著其本身的優勢，如不會在產品中引入第3種萃取劑雜質等，更易得到高品質的2-丁酮產品[3-7]。因此，采用變壓精餾分離2-丁酮-水的研究價值較高，本文將對變壓精餾分離2-丁酮與水的共沸物系工藝進行研究。

變壓精餾是指在一定壓力范圍內，共沸組成隨壓力的變化幅度大于等于5%或者出現共沸物消失的現象時，可以采用兩個操作壓力、不同的精餾塔來實現物系分離。在變壓精餾的基礎上，將高壓塔塔頂蒸汽作為低壓塔塔釜再沸器熱源，實現熱量的集成利用，可有效降低能耗和節約成本。本文采用Aspen Plus流程模擬軟件及NRTL模型模擬壓力對2-丁酮與水物系共沸組成的影響，選取適當的壓力后對2-丁酮與水進行變壓精餾分離模擬優化，得到相關的工藝參數，為2-丁酮與水共沸物的分離提供依據[8-10]。

1 分離方案

1.1 分離物料和分離要求

擬分離物料為2-丁酮與水的混合組成，其中2-丁酮質量分數為88.70%，水含量為11.30%，進料溫度為常溫，進料流量1 000 kg/h，分離后要求2-丁酮產品質量分數≥99.90%，廢水中2-丁酮質量分數≤0.01%。

1.2 物性方法的選擇

在模擬計算中，熱力學模型的選擇十分關鍵，決定著氣液平衡計算結果的可靠性和準確性。NRTL模型是一種活度系數模型，它是基于局部濃度概念的半經驗方程，適用體系廣且擬合精度高，可同時用于液相互溶和不互溶的情況[10]。采用Aspen Plus軟件，計算2-丁酮與水在NRTL模型下常壓共沸組成，其中2-丁酮質量分數88.40%，共沸溫度73.3 ℃，與實際共沸組成2-丁酮質量分數88.70%、共沸溫度73.4 ℃能較好地吻合。說明NRTL方程適用于2-丁酮與水體系的模擬分離計算。

1.3 采用變壓精餾分離的可行性

對于2-丁酮與水的體系，利用Aspen Plus 軟件預測不同壓力下的共沸組成和共沸溫度，如圖1所示。由圖1可知：當壓力由0.1 MPa變為0.6 MPa后，2-丁酮與水的質量分數均降低，其中2-丁酮的質量分數從88.40%降低為82.50%，共沸溫度升高到132.5 ℃，說明物系的共沸組成隨壓力變化比較敏感，且變化幅度大于5%，滿足進行變壓精餾的條件，可采用變壓精餾的方法對2-丁酮和水進行分離。當壓力繼續增大到1.0 MPa時，共沸組成變化為2-丁酮的質量分數繼續降低為80.3%，共沸溫度升高到158.9 ℃。隨著高壓塔操作壓力的增大，達到同樣的分離要求，兩塔能耗會逐漸降低，有利于分離系統的節能降耗，但操作壓力過大，加壓塔設備耐壓要求增大，使設備的投資費用增大，從設備投資和安全角度考慮，選取高壓塔為0.6～1.0 MPa，低壓塔為常壓塔。在高壓與常壓下，2-丁酮與水共沸組成變化超過5%，同時溫差較大，超過50 ℃以上，保證了傳熱推動力，可以采用熱集成方式進行能量耦合。

圖1 不同壓力下2-丁酮與水的共沸組成和共沸溫度

1.4 變壓精餾工藝流程

2-丁酮與水分離的變壓精餾工藝流程如圖2所示，包含高壓塔T1(1.0 MPa)和常壓塔T2(0.1 MPa)。原料為2-丁酮與水共沸組成混合物進料。高壓塔T1塔頂為接近高壓條件下的共沸物，與2-丁酮原料換熱后一部分回流，一部分進入常壓塔T2，高壓塔T1底部得到高純度的2-丁酮產品。常壓塔T2塔頂為接近常壓條件下的共沸物，冷凝后返回與原料混合后進入高壓塔T1，常壓塔T2底部得到分離出的廢水，從而實現2-丁酮與水的有效分離。

圖2 2-丁酮與水分離的變壓精餾工藝流程

2 變壓精餾過程模擬及優化

采用Aspen Plus軟件，建立2-丁酮與水變壓精餾分離流程，以2-丁酮產品質量為目標，優化兩塔理論塔板數、進料位置和回流比，以此確定最佳的工藝參數；以2-丁酮產品單次收率為優化目標，確定較優的高壓塔T1操作壓力。初始模擬條件：高壓塔T1理論塔板數為15，進料位置為第7塊塔板上、回流比(以下均為質量比)1.0，原料進料量為1 000 kg/h，塔內壓力為1.0 MPa；常壓塔T2理論塔板數18，進料位置為第9塊塔板上、回流比1.0，塔內壓力為0.1 MPa(常壓)。

2.1 理論塔板數優化

優化理論塔板數時，T1進料位置第7塊塔板上、回流比為0.5，壓力為1.0 MPa；T2理論塔板數為18，T2進料位置第9塊塔板上、回流比為1.0，壓力為0.1 MPa(常壓)。優化結果如圖3～4所示。

圖3 T1塔板數對2-丁酮質量分數的影響

由圖3可知：2-丁酮產品質量分數隨著高壓塔T1的理論塔板數的增加而增大，當理論塔板數從9塊增大到15塊時，2-丁酮質量分數由98.75%增加到99.90%，當理論板數增加到21塊時，2-丁酮產品質量分數為100%。從設備投資角度，此處15塊理論板數為最佳。

圖4 T2塔板數對廢水中2-丁酮質量分數的影響

由圖4可知：采出廢水中2-丁酮含量隨著塔板數的增加而逐漸減小，當常壓塔T2的理論板數從12增加到18塊時，廢水中2-丁酮質量分數從0.05%降到了0.005%。后面隨著理論塔板數的增加，廢水中2-丁酮的含量降低不明顯。從設備投資角度，T2塔理論板數取18塊為最佳。

2.2 原料進料位置的優化

優化高壓塔T1的原料進料位置和常壓塔T2的進料位置時，T1的理論塔板數為15塊、回流比為0.5，壓力為1.0 MPa；T2理論塔板數為18，回流比為1.0，壓力為0.1 MPa(常壓)，優化結果如圖5～6所示。

圖5 T1進料位置對2-丁酮質量分數的影響

由圖5可知：2-丁酮產品質量分數隨著高壓塔T1的進料塔板位置的下移而出現第4到第10塊塔板位置進料時緩慢降低，第10～13塊塔板進料位置出現2-丁酮產品質量分數的快速下降。主要是由于隨著高壓塔T1進料位置的下移，提純2-丁酮部分的塔板數減小，而不能滿足分離要求。為了保證采出2-丁酮產品的品質，建議進料位置在第4到第8塊塔板之間，此進料塔板位置滿足設定的2-丁醇質量分數99.90%的要求。

圖6 T2進料位置對廢水中2-丁酮質量分數的影響

由圖6可知：采出廢水中2-丁酮含量隨著T2進料塔板位置的下移而逐漸增加，當常壓塔T2進料塔板位置從第4塊塔板下移到第9塊塔板時，廢水中2-丁酮質量分數從0緩慢增加到了0.008%；后面隨著T2進料塔板位置從第10塊塔板下移到第14塊塔板時，廢水中2-丁酮質量分數從0.008%快速上升到0.082%。主要是由于隨著常壓塔T2進料位置的下移，提純分離廢水中的2-丁酮部分的塔板數減小，而不能滿足分離要求。為了保證塔底采出廢水中2-丁酮含量滿足要求，進料塔板位置的選定應充分考慮塔板的分離效果。由上可知當進料位置在第4到第9塊塔板時滿足設定的水中2-丁酮含量小于0.01%的要求。

2.3 回流比優化

優化兩塔回流比時，T1理論塔板數為15，進料位置為第7塊塔板上，壓力為1.0 MPa；T2理論塔板數為18，進料位置第9塊塔板上，壓力為0.1 MPa(常壓)。優化結果如圖7～8所示。

圖7 T1塔回流比對2-丁酮質量分數的影響

圖8 T2塔回流比對廢水中2-丁酮質量分數的影響

由圖7可知：2-丁酮產品質量分數隨著高壓塔T1的回流比從0.1增加到0.9時，2-丁酮產品質量分數從98.45%增加到99.93%，回流比大于0.4時，2-丁酮產品質量分數大于99.90%，此處取回流比0.5為最佳。

由圖8可知：采出廢水中2-丁酮含量隨著T2回流比的增大而逐漸減小，當回流比大于0.9時，滿足廢水中2-丁酮含量小于0.01%的要求，所以此處回流比取值為1.0。

2.4 高壓塔T1操作壓力優化

優化高壓塔T1操作壓力時，T1進料位置為第7塊塔板上、理論塔板數為15塊、回流比0.5，以2-丁醇產品單次收率(單次產品收率=采出丁醇產品質量/原料中的丁醇含量)為優化目標，2-丁醇質量分數為99.90%，優化結果如圖9所示。

圖9 T1塔操作壓力對2-丁酮單次收率的影響

由圖9可知：2-丁酮單次收率隨著T1操作壓力的增加呈上升趨勢，當操作壓力從0.2 MPa升到1.4 MPa時，2-丁酮產品單次收率從24.59%上升到51.85%。其中0.2～1.0 MPa的操作壓力區間為產品收率的快速上升區間，當操作壓力為1.0 MPa，2-丁酮單次收率為50.06%；當超過1.0 MPa的操作壓力時，收率提升相對比較緩慢。操作壓力過低，雖然可以降低一次性設備投入，但是產品單次收率低會使產出效率大大降低，從而影響產能、增加T2操作費用及增加T1塔的負荷；操作壓力高于1.0 MPa時，設備投入會增加，且產品單次收率上升不明顯。綜合考慮，此處建議操作壓力控制在0.8～1.0 MPa較好。

3 結論

本文采用化工模擬計算軟件，對流量為1 000 kg/h的2-丁酮與水的共沸組成物料進行計算和模擬，采用變壓精餾高壓塔-常壓塔兩塔連用的方式，有效分離2-丁酮與水的共沸組成，得到高品質的2-丁酮產品，2-丁酮產品質量分數可達99.90%以上，廢水中2-丁酮含量低于0.01%。

考察高壓塔T1的理論塔板數、回流比和原料進料位置對2-丁酮產品質量的影響，并得出較優參數，最后得到理論塔板數為15塊，進料位置為第7塊塔板上，回流比控制在0.5為最佳。

高壓塔T1操作壓力控制在0.8～1.0 MPa為佳，操作壓力為1.0 MPa時，2-丁酮產品單次收率為50.06%。

考察了常壓塔T2的理論塔板數、回流比、原料進料位置對廢水中2-丁酮的含量的影響，并得出較優參數，最后得到理論塔板數為18塊，進料位置為第9塊塔板上，回流比控制在1.0為最佳。