醋酸甲酯－甲醇萃取精馏分离的模拟与优化

吕英杰李艳娟 中石化宁波工程有限公司上海分公司 上海200030

在维尼纶生产中，聚醋酸乙烯醇解产生的废液中含有大量的醋酸甲酯(MEAC)、甲醇(MEOH)。如何有效地分离醋酸甲酯和甲醇，使之充分回收利用，对降低聚乙烯醇装置的生产成本、提高经济效益有着重要的现实意义。

甲醇与醋酸甲酯形成共沸物，采用普通精馏难以达到分离效果，根据物料特性，选择加入常用的萃取剂进行萃取精馏。

本文应用ASPEN PLUS软件对醋酸甲酯－甲醇体系萃取精馏过程模拟计算，通过对理论板数、进料位置、萃取剂用量、萃取剂温度、回流比等因素对分离过程的影响进行研究，旨在优化出最佳分离参数。

1 萃取精馏原理［1］

萃取精馏是在原溶液中加入一种新组份后使原液中不同组份分离的一种特殊精馏过程。加入的新组份称萃取剂，它不和原溶液中任一组份形成恒沸物;但萃取剂改变了原溶液中关键组份之间的相对挥发度，即改变了原溶液组份之间的相互作用力，构成一个新的非理想溶液。当被分离物系相对挥发度接近1(如醋酸甲酯－甲醇)，普通精馏难以达到分离要求，萃取精馏就成为可采取的工艺方案之一。萃取剂的沸点比原溶液中任一组份的沸点都高，将随塔釜液排出，经处理后萃取剂可循环使用。

2 热力学模型选取［2，3］

萃取分离醋酸甲酯－甲醇过程中，水是一种强极性物质，分子之间存在氢键、二分子缔合、三分子缔合、甲醇O－H基团等都具有极性。由于氢键、缔合等分子之间的作用，其液相的非理想性较大，热力学性质的相互依赖关系很强，所以选用了ASPEN PLUS中NRTL热力学模型进行模拟研究。

3 萃取精馏过程的模拟与优化

以某聚乙烯醇装置产生的物料为例进行计算，进料组成见表1。

表1 进料组成

分离要求:塔顶馏出液醋酸甲酯的质量分数≥93.5%，塔釜液醋酸甲酯的质量分数≤0.005%。

3.1 操作压力的设定及初步模拟

操作压力设定:综合考虑被分离物料物性、加热、冷却介质特性。设备费用等，塔顶压力设为常压操作(0.005 MPa(G))，全塔压力降要求30 KPa。

精馏塔模拟参数初步设定为理论板数28块，进料位置为第17块塔盘，溶剂比为3.86;萃取剂温度10℃，回流比设为0.15。

3.2 进料位置对萃取精馏过程的影响

塔的进料位置对于精馏过程有着重要的影响，一旦进料位置选取不合适，形成蒸馏夹点，不仅浪费塔板，增加投资，也将导致操作不稳定、能耗过大等弊端。所以进料位置的优化至关重要。

在初步设计的基础上，分离要求、进料状况不变，改变气相进料位置，进料位置所引起的能耗变化关系见图1。

图1 进料板位置对能耗的影响

由图1可知，当主进料(气相)位置大于17块时，能耗增加较快，小于等于17块时，能耗基本不变。故选择第17块理论板作为气相进料位置。

进料二流量较小，经模拟计算表明，进料位置对结果影响不大，模拟过程在此不做特别说明。

3.3 理论板数的确定

塔板数是精馏塔设计考虑的重要因素。在进料状况不变、进料位置优化前提下，精馏塔理论板数N分别取16，18，20，22，24，28，30，32，34几种方案进行模拟计算。计算结果中各种理论板数N与所对应的回流比R关系见图2。

图2 塔板数对回流比的影响

由图2可知，在进料状况和溶剂比不变的情况下，当理论板数大于28块时，单纯增加理论板数对回流比的降低已不明显;当塔板数小于28块时，随塔板数减少回流比迅速增大。

塔板数过多会造成一次性投资的浪费;而回流比的增大对分离效果会造成直接影响，同时，回流比的增大，热负荷也会显著增大，造成后期运行资源浪费。因此，选择适宜的塔板数、达到一个最佳的、经济的平衡点是精馏分离系统设计的重要环节。

综上所述，建议采用理论塔板数N=28(包括冷凝器和再沸器)为宜。

3.4 溶剂比对分离效果的影响

萃取精馏与普通精馏的最大区别就在于萃取精馏是通过萃取剂的加入达到分离要求的，所以最优萃取剂量的选取至关重要。

进料状况不变，理论板数N=28，气相进料位置F=17，液相进料F=8，回流比R=0.15，萃取剂水温t=10℃，改变溶剂用量，进料位置对分离效果的影响见图3和图4。

图3 溶剂比对馏出液MEAC的影响

图4 溶剂比对釜液MEAC的影响

从图3和图4可知，随着溶剂量的增大，馏出液中MEAC含量增加，塔釜液MEAC含量降低，即分离效果变好。这是因为随着溶剂比的增大，塔板上萃取剂的浓度增大，轻、重组份的相对挥发度增大。所以，增加萃取剂用量有利于醋酸甲酯与甲醇更有效的分离。但是当溶剂量增大到一定程度时，随着溶剂量的继续增大，曲线的变化趋于平缓，即分离效果增加的幅度减小。而且溶剂比过大，会造成塔釜热负荷过大;同时，后续处理量都相应加大，造成能耗过高，对生产不利，故按图3溶剂比(摩尔比)取3.86，合理的萃取剂用量为65518.2kg/h。

3.5 萃取剂温度对分离效果的影响

同其它参数一样，萃取剂的温度对于萃取精馏工艺的影响也非常大。

在进料状况、分离要求、理论板数等不变前提下，仅仅改变萃取剂温度，对回流比的影响见图5。

图5 萃取剂温度对回流比的影响

由图5可知，萃取剂温度降低，回流比减小，这是由于加入萃取剂后，塔顶温度欲维持在60℃，塔顶必须有一部分气相物料被冷凝，放出潜热，使萃取剂温升至60℃;冷凝的这一部分液体，叫做内回流。内回流形成过程中，沸点较高的甲醇较沸点较低的醋酸甲酯更易被冷凝。随着萃取剂温度的降低，将萃取剂加热至沸点所需的热量越多，水蒸汽和甲醇蒸气就会更多的被冷凝，醋酸甲酯则相对更多的从塔顶馏出，这样分离效果在不需要太高回流比的情况下就能达到。

从图中曲线还可看到，当温度低于10℃时，萃取剂温度变化对回流比影响不再明显，而在工业生产中，萃取剂温度越低，在预冷萃取剂过程中需要提供更多的冷量，不利于生产。所以，萃取剂温度宜采用10℃。

3.6 回流比对分离效果的影响

回流比不仅关系到塔的正常运行，而且关系到初期投资和后期运行的费用。普通精馏中，回流比R越大，分离效果越好，所需理论塔板数越少;但萃取精馏不同，以下将通过计算寻求最佳回流比。

其他参数不变，仅仅改变回流比，对分离效果的影响见图6。

图6 回流比对馏出液MEOH的影响

由图6可知，随着回流比的增大，馏出液中MEOH的含量增大，分离效果变差。这主要是因为萃取精馏中回流比R的大小直接影响到塔内各板上萃取剂的浓度，萃取剂进料量不变情况下，随着回流比的增大，塔板上萃取剂的浓度降低，使轻、重组分间的相对挥发度减小，不利于二者有效地分离。另一方面，当回流比过小时就达不到分离要求，回流比过小时，塔内不能实现正常工作。因此，回流比取 0.1～0.2为宜，本文取0.15。

3.7 萃取精馏模拟计算结果

通过上述各项参数模拟计算，优化操件条件为:理论板数N=28(包括冷凝器和再沸器)，气相(露点进料)进料位置F=17，溶剂比S=3.86(溶剂量65518.2 kg/h)，萃取剂温度t=10℃，操作回流比R控制在0.10～0.20之间(本文取0.15)。此时，塔顶馏出液温度57.9℃，塔釜液温度94.6℃，塔顶馏出液和塔釜液均能达工艺分离要求。

在上述条件下，萃取精馏塔内各板液相、气相组分组成分布及塔板温度分布分别见图7，图8和图9。

图7 萃取精馏塔内各塔板上液相组成

图8 萃取精馏塔内各塔板上气相组成

图9 萃取精馏塔内温度沿塔板分布

4 结语

采用ASPEN PLUS流程模拟软件，对醋酸甲酯－甲醇体系萃取精馏过程进行模拟研究。模拟优化结果:理论板数N=28，气相进料位置F=17，溶剂比S=3.86，萃取剂温度t=10℃，操作回流比R控制在0.10～0.20之间(本文取0.15)。此时，塔顶馏出液温度57.9℃，塔釜液温度94.6℃，塔顶馏出液和塔釜液均能达工艺分离要求。模拟结果对实验研究、工业设计与生产均具有参考意义。

1 赵德明.分离工程［M］.杭州:浙江大学出版社，2011:107－109.

2 陆恩锡等.化工过程模拟原理与应用［M］.北京:化学工业出版社，2011:32－64.

3 朱自强等.化工热力学 ［M］.北京:化学工业出版社，1991:198－202.

4 马振叶等.连续精馏分离乙酸乙酯与丙酮体系的模拟研究［J］.化学工程，2011，39(04):34－37.

5 朱登磊等.萃取精馏分离异丙醇－水共沸体系的模拟与优［J］.化学工程师，2009，10:13－16.

6 Yang Xiaojian et al.Simulation of 1，3－butadiene production process by dimethylfomadide extractive distillation［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2009，17(1):27－35.