萃取精馏分离二异丙醚-异丙醇共沸物的流程模拟

杨 磊， 张志刚， 黄动昊， 贾 鹏， 李文秀

(沈阳化工大学 化学工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

异丙醇(IPA)在生产过程中普遍采用固体酸或者液体酸作为催化剂，在此生产过程中会有副反应发生，从而产生二异丙醚(DIPE)[1].DIPE是应用广泛的化工溶剂，并且是汽油中重要的添加剂[2].由于异丙醇和二异丙醚在66.2 ℃时会形成共沸物，用常规的精馏方法很难分离.为了增加该副产物的附加值，分离提纯二异丙醚具有十分重要的意义[3].在前期的实验研究中[4]作者发现并找到了能够准确描述分离过程的适宜相平衡模型和萃取剂DMAC，其对于提高二异丙醚-异丙醇混合物的相对挥发度效果明显.因此，本文在前期研究的基础上，应用Aspen plus模拟软件考察采用DMAC作为萃取剂时精制二异丙醚的工艺条件.

1 工艺流程

1.1 工艺流程的建立

选择ASPEN PLUS的RadFrac模块[5]对二异丙醚的提纯工艺过程进行稳态模拟研究，工艺流程模拟如图1所示.

图1 工艺流程模拟Fig.1 Process flow diagram of extractive distillation

从图1可以看出：原料(组成如表1所示)以连续方式加入到精馏塔中，并经再沸器加热形成上升蒸汽.同时，在萃取精馏塔的上部连续加入萃取剂DMAC，这样物料中的二异丙醚与DMAC在精馏塔内就能够充分作用，并以氢键结合的方式打破共沸现象，从而提高二异丙醚-异丙醇的相对挥发度，使其更容易分离.经过上述萃取精馏分离过程，二异丙醚产品从萃取精馏塔的塔顶得到，塔釜的异丙醇和溶剂一起进入溶剂回收塔进行二次分离，异丙醇从溶剂回收塔的塔顶馏出，DMAC从塔底馏出.

表1 二异丙醚和异丙醇的组成Table 1 The composition of 2-Isopropoxypropane and 2-propanol

1.2 物性方法选择

所有的单元操作模型都需要性质计算而生成结果.性质计算对模拟结果的影响很大.这是由于平衡计算和性质计算的准确程度及对它的选择将影响模拟结果[7].选择正确的物性方法对于流程的模拟十分关键.Aspen plus自带多种物性方法，考虑二异丙醚和异丙醇是强极性非理想性溶液，因此，选择UNIFAC模型[8]作为流程模拟的物性估算方法.

2 全流程模拟初始条件

原料进料为二异丙醚和异丙醇混合物，选择DMAC为萃取剂.模拟的设定值如表2所示，全流程模拟计算结果列于表3.

表2 模拟数据Table 2 Simulation data

表3 全流程模拟计算结果Table 3 The results of process simulation

3 结果讨论

从表3可以看出:初始条件下的模拟结果较差，塔顶产品二异丙醚的纯度为95 %，并且溶剂回收塔中溶剂的纯度仅为80 %，产品的纯度和溶剂的回收利用都不能满足工业化的要求.因此，通过ASPEN PLUS软件Model Analysis Tool中的Sensitivity[9]，分析原料进料位置、溶剂进料位置、溶剂比、回流比对二异丙醚纯度的影响，寻找最优化的操作条件.

3.1 原料进料位置NF对精馏塔操作的影响

原料进料位置对精馏塔的分离效果影响较大.利用 ASPEN 灵敏度分析工具，固定塔板数(30块)、溶剂进料位置(第2块)、回流比(0.5)、溶剂比(0.25)等因素，考察不同进料位置对二异丙醚纯度的影响.计算结果如图2所示.从图2中可以看出：从第 18 块板后进料，二异丙醚的纯度几乎不再有变化.因此，选择第18块板进料较为合适.

图2 原料进料位置NF对二异丙醚纯度的影响Fig.2 Effect of feed stages on extractive distillation

3.2 溶剂进料位置NS对精馏塔操作的影响

溶剂进料位置对精馏塔的分离效果也有较大影响.固定塔板数(30块)、原料进料位置(第18块板)、溶剂比(0.25)、回流比(0.5)等因素，考察不同溶剂进料位置对二异丙醚纯度的影响.计算结果如图3所示.从图3中可以看出：随着NS的不断增大，二异丙醚质量分数是先增大后逐渐减小，在NS为5时达到最大值.塔板数一定时，增大NS一方面增大了溶剂回收段，使得产品中溶剂的含量减少，另一方面又会使得萃取段减小，使下降溶剂不能较好地与上升蒸汽进料质交换，使得产品中异丙醇的含量增多.因此，选择进料位置为第5块板比较合适.

图3 溶剂进料位置NS对二异丙醚纯度的影响Fig.3 Effect of solvent stages on extractive distillation

3.3 溶剂比对二异丙醚纯度的影响

溶剂比是影响分离效果的重要因素.固定塔板数(30块)、原料进料位置(第18块)、溶剂进料位置(第5块)、回流比(0.5)等操作参数，考察溶剂比对二异丙醚纯度的影响.计算结果如图4所示.从图4中可以看出：随着溶剂比的增加二异丙醚的纯度明显增加，当溶剂比为0.65时，二异丙醚的纯度达到99.80 %，此后溶剂比继续增大，二异丙醚的纯度不再变化.因此，溶剂比为0.65比较合适.

图4 溶剂比对二异丙醚纯度的影响Fig.4 Effect of solvent ratio on extractive distillation

3.4 不同回流比对二异丙醚纯度的影响

固定塔板数(30块)、原料进料位置(第18块)、溶剂进料位置(第5块)、溶剂比(0.65)，考察不同回流比R对二异丙醚纯度的影响.计算结果如图5所示.从图5中可以看出：R小于1.2时，二异丙醚质量分数几乎呈上升趋势，在1.2到1.3之间时，二异丙醚质量分数的变化不明显，而当R大于1.3时，二异丙醚质量分数反而下降.这是因为R增大时回流到塔的液体量增多，这在一定程度上相当于降低了溶剂比，使得溶剂的作用效果变差，所以，回流比并不是越大越好.因此，选择回流比为1.2比较合适.

图5 不同回流比对二异丙醚纯度的影响Fig.5 Effect of reflux ratio on extractive distillation

3.5 适宜的分离条件

通过灵敏度分析的优化操作，得到了分离二异丙醚和异丙醇二元共沸物的最佳操作条件.在此优化参数条件下进行模拟，结果如表4所示.

表4 最优化条件下的模拟结果Table 4 Simulation result

从表4的数据可以看出：当塔板数为30，回流比为1.2，原料进料位置为第18块板，溶剂进料位置为第5块板，溶剂比为0.65时，二异丙醚的纯度达到了99.94 %，分离效果很好.

4 结 论

(1) 由ASPEN PLUS 软件模拟结果分析可知：以DMAC作为萃取剂分离二异丙醚和异丙醇共沸物的工艺是可行的，对工业化的生产有一定的指导意义.应用ASPEN PLUS 软件的灵敏度分析工具对萃取精馏塔的操作参数进行优化，得到了该工艺的最佳操作条件.

(2) 工业化分离二异丙醚和异丙醇共沸物可参考的分离条件：塔板数为30，原料进料位置为第18块板，溶剂进料位置为第5块板，回流比为1.2，溶剂比为0.65，在该条件下二异丙醚的纯度为99.94 %.

参考文献：

[1] 郑珍辉.异丙醇生产技术进展[J].化工科技,2000,8(1):65-70.

[2] 张春兰,杨智.高辛烷值汽油添加剂的研究现状及进展[J].内蒙古石油化工,2011(14):13-16.

[3] 刘杰,刘岗,王洪志.从异丙醇装置副产中分离精制异丙醚的工艺研究[J].化学工业与工程技术,2004,25( 5):8-10.

[4] Zhang Zhigang,Yang Lei,Xing Yuan,et al.Vapor-Liquid Equilibrium for Ternary and Binary Mixtures of 2-Isopropoxypropane,2-Propanol,and N,N-Dimethylacetamide at 101.3 kPa[J].J.Chem.Eng.Data,2013,58 (2):357-363.

[5] 谢扬,沈庆扬.ASPEN PLUS化工模拟系统在精馏过程中的应用[J].化工生产与技术,1999 (3):17-22.

[6] 程能林.溶剂手册[M].北京:化学工业出版社,1994:301．

[7] 董新法,方立国,陈砺.物性估算原理及计算机计算[M].北京:化学工业出版社,2006:239.

[8] Fredenslund A,Gmehling J,Rasmussen P.Vapor-liquid Equilibria Using UNIFAC:A Group Contribution Method[M].Amsterdam:Elsevier Science Ltd,1977:337.

[9] 朱登磊,任根宽,谭超.萃取精馏分离异丙醇-水共沸体系的模拟与优化[J].化学工程师,2009(10):13-16.