丙酮-氯仿混合物萃取精馏分离过程模拟

李　丽

(安徽理工大学学术出版中心，安徽　淮南　232001)



丙酮-氯仿混合物萃取精馏分离过程模拟

李丽

(安徽理工大学学术出版中心，安徽淮南232001)

摘要：为增大关键组分的相对挥发度以有利于分离，用苯作为溶剂对流量为78.788 88 kmol/h的丙酮-氯仿混合物进行萃取精馏过程的模拟计算。精馏流程采用两塔结构，即萃取精馏塔和溶剂回收塔，前者塔顶馏出产物为丙酮，塔底产物为氯仿、苯和微量丙酮的混合物；后者塔顶馏出产物为氯仿，塔底为溶剂苯和少量氯仿，此塔底产物作为回流与补充溶剂合并返回萃取精馏塔。萃取精馏塔总共65块理论板(包括塔顶全凝器和塔底再沸器)，补充溶剂(0.410 76 kmol/h)和新鲜进料合并从萃取塔第30块理论板加入(从上往下数)，回流比为10，塔顶产物42.84kmol/h；溶剂回收塔共有70块理论板(包括塔顶全凝器和塔底再沸器)，进料位置为第30块，回流比为15，塔顶产物与进料流量比设为0.11。模拟计算结果收敛，结果萃取精馏塔顶产物中丙酮纯度为99.95%，溶剂回收塔顶氯仿含量达到97.87%。

关键词：丙酮；氯仿；苯；萃取精馏；模拟

萃取精馏是采用相对高沸点的溶剂改变混合物的液相活度系数，从而增大关键组分的相对挥发度以有利于分离，若进料为具有最低恒沸点的恒沸物，则溶剂从进料板之上、塔顶之下某适当位置加入，这样流向塔底的液相中都存在溶剂，并且气提到塔顶的溶剂少；若进料为具有最高恒沸点的恒沸物，则溶剂和进料从同一块进料板入塔。溶剂不可与组分间形成恒沸物，从萃取精馏塔底部出料后还需进一步分离出溶剂，循环使用[1-2]。

本文采用萃取精馏法，对丙酮-氯仿混合物流股进行了分离过程的合成与模拟计算，合成的流程和模拟计算结构可以作为此物系实际分离过程设计和操作过程的指导或参考。

1物性方程的选择

丙酮和氯仿的正常沸点分别为56.16 ℃、61.10 ℃，在1atm下，丙酮和氯仿形成最高恒沸物，最高恒沸点为64. 43 ℃，恒沸物组成为37.8%mol丙酮。苯的正常沸点是80.24 ℃，而且在常压下，苯不与丙酮和/或氯仿形成二元或三元恒沸物，丙酮-氯仿-苯的蒸馏残留曲线图表明，丙酮-氯仿恒沸物与水混合蒸馏进程为从恒沸物组成点指向纯苯，形成的蒸馏界限将残留曲线图分成上下两个区域，萃取塔在下部区域操作，分离出丙酮；溶剂回收塔在上部区域操作，回收溶剂苯[3]。由于物系含有极性组分，操作压力为常压，本文选用基团贡献法物性方程UNIFAC计算液相组分的活度系数，气相物性方程为理想气体状态方程[4-6]。

2流程结构图及输入条件

整个流程为两塔结构，处理量为78.78 888 kmol/h的丙酮-氯仿(丙酮摩尔分率0.5483)混合物流股，萃取精馏塔65块理论板(包括塔顶全凝器和塔底再沸器)，丙酮-氯仿新鲜进料混合物与溶剂混合后，从第13块板进料，流量为，回流比为10，塔顶产物42.84 kmol/h，可以得到纯度为99.95%的塔顶丙酮产物；溶剂回收塔采用70块理论板，进料位置为第30块，回流比为15，塔顶产物与进料流量比为0.11，可以得到纯度为97.88%的塔顶氯仿产物，塔底产物含苯97.69%，回流循环使用。补充溶剂苯流量为0.410 764 kmol/h。

3模拟计算结果与分析

表1给出了萃取精馏塔和溶剂回收塔模拟计算的主要结果。其中精馏塔总效率计算采用O’Connell关联式：Eo=50.3(αμ)-0.226，相对挥发度α采用塔顶、塔底和进料板条件下的几何平均值，μ为进料粘度；塔板内径计算中采用Fair关联式计算液泛速率，接近液泛分率取0.8。需要特别指出的是，对萃取精馏塔进行效率估算时，进料粘度为总进料流股TOTAL-F的液相粘度，关键组分丙酮-氯仿的相对挥发度采用塔顶、进料以及塔底三个位置相对挥发度的几何平均值[7-8]。

表1　丙酮-甲醇混合物萃取精馏模拟计算结果

注：φID塔内径，α为相对挥发度，μ为进料液相粘度，Eo为总效率，QC为冷凝器热负荷，QR为再沸器热负荷。

图2、图3分别为萃取精馏塔各组分液相和汽相浓度分布。萃取精馏塔顶丙酮浓度达到99.95%，从塔顶往下直到20块板，气相和液相中丙酮都处于高浓区，20~30块之间，丙酮浓度急剧下降，从30块塔板到塔底，丙酮浓度平缓下降，溶剂苯的浓度变化趋势与丙酮相反，这是因为苯是最难挥发的组分，丙酮是最容挥发的组分；氯仿的浓度分布由丙酮和水的浓度分布差减法确定，在第55块板附近出现最大值，高浓区在塔的中下部。

图2与图3中各组分的组成分布类似，因为精馏塔理论板基于气液平衡进行计算，气相浓度和液相浓度受到相平衡关系式y=kx的约束。由于液相进料，在进料位置液相中溶剂苯的组成明显高于其在气相中的组成，而丙酮在液相的组成明显低于在相应气相组成。

图4与图5分别为溶剂回收塔中液相和汽相各组分浓度分布，同样由于收到汽液平衡关系式的约束，相同组分在汽液相中的变化趋势相同。溶剂回收塔顶氯仿含量达到97.87%，气液相中氯仿浓度从塔顶到15块板急剧下降，从15块板到塔底平缓下降；溶剂苯浓度变化趋势与氯仿的相反，塔底溶剂苯浓度达到97.69%。

3结论

以苯作为溶剂，对流量为78.788 88 kmol/h的丙酮-氯仿(丙酮摩尔分率0.548 3)混合物萃取精馏分离流程进行了模拟计算，得到如下结论：

1) 萃取精馏塔65块理论板，补充新鲜溶剂和循环溶剂混合后第30块板加入，回流比取10(摩尔比)，塔顶产物流量取42.84 kmol/h，塔顶丙酮浓度达到99.95%，塔顶冷凝器和塔底再沸器热负荷分别为；

2) 溶剂回收塔70块理论板，进料板为第30块，回流比15(摩尔比)，塔顶氯仿浓度达到97.87%，塔底产物苯含量达到97.69%；

3) 补充新鲜溶剂流量为0.410 76 kmol/h，此流量可根据操作情况适当调整，保证萃取分离效果。

参考文献：

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[8]都健.化工过程分析与综合. [M].大连：大连理工大学出版社，2009：124-125.

(责任编辑：李丽，范君)

Simulation of Extractive Distillation Separation Process for

Acetone-chloroform Mixture

LI Li

(Academic Publishing Center, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract:In order to increase the relative volatility of the key components and be in favor of their separation, the simulation calculation was conducted for extractive process of acetone-chloroform mixture stream with flow rate of 78.788 88 kmol/h using benzene as solvent. The entire separation process is composed of two columns, i.e, an extractive column and a solvent recovery column. The distillates in the top and bottom product of the former are acetone and a mixture of chloroform, benzene and trace of acetone, respectively. The distillates in the top and bottom product of the latter are chloroform and a mixture of benzene with trace of chloroform, respectively. The bottom product of the latter column is recycled to the former column with the makeup solvent. The extractive column contains 65 theoretical stages. The makeup solvent(0.410 76 kmol/h)and the fresh feed mixture enters the extractive column at the 30th theoretical tray. The reflux ratio of the extractive column is set at 10 the distillate flow rate is set at 42.84kmol/h. The solvent recovery tower is simple distillation tower containing 70 theoretical stages. The feed location is also the 30th theoretical tray, while the reflux ratio is set at 15and the distillate to feed ratio is set at 0.11.The simulation converged and the purity of acetone product from the top of extractive column is 99.95% and the purity of chloroform from the solvent recovery column reaches 97.87%。

Key words:acetone；chloroform；benzene；extractive distillation；simulation

作者简介：李丽(1973-)，女，吉林吉林人，副编审，硕士，研究方向：化工工艺和科技期刊编校。

收稿日期：2015-06-30

中图分类号：TQ028

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2015)04-0077-04