环己烷-叔丁醇-水共沸精馏模拟研究

范永梅

（天津市晟远环境有限公司，天津300384）

FAN Y ong-m ei

(Tianjin SY.EnvironmentCo.Ltd，Tianjin 300384，China)

环己烷-叔丁醇-水共沸精馏模拟研究

范永梅

（天津市晟远环境有限公司，天津300384）

本文运用ASPEN流程模拟软件对环己烷作为挟带剂共沸精馏分离叔丁醇和水的过程进行模拟，确定了共沸塔的最佳的理论板数以及合理的挟带剂流量，同时研究了进料位置对共沸精馏的影响，计算出了各个塔板的温度和塔内气液相流量及组成。

共沸精馏；挟带剂；ASPEN

FAN Y ong-m ei

(Tianjin SY.EnvironmentCo.Ltd，Tianjin 300384，China)

1 引言

无水叔丁醇作为一种重要的有机化学品，广泛运用在化工和医药等领域，但由于生产的叔丁醇中都含有水并且形成均相最低共沸物，使得普通精馏难以精制叔丁醇[1]。常用的分离方法主要有盐析分离[2]、共沸精馏、萃取精馏[3]、吸附精馏[4，5]、渗透汽化[6]、吸附法[7]等。目前，对共沸精馏分离叔丁醇和水的研究报道较少，本文通过采用环己烷作为挟带剂分离叔丁醇和水,研究其共沸精馏的最佳的操作条件和一些因素对分离效果有影响。

2 物性模型

NRTL模型是描述气液液平衡最常见的活度系数模型，也是描述低压下高度非理想液体混合物的最好方法之一[8，9]，由于共沸精馏塔中环己烷-叔丁醇-水体系非理想性很强，采用NRTL模型较为合理。环己烷-叔丁醇-水形成的共沸物的沸点和共沸类型见表1。

表1 环己烷-叔丁醇-水系统的共沸点和共沸类型

3 流程及工艺参数

图1 环己烷-叔丁醇-水共沸精馏流程示意图

共沸精馏的流程图如1所示，流程中主要设备：共沸塔、冷凝器、分相器，共沸塔底部得到无水叔丁醇，顶部是气相的环己烷-叔丁醇-水的三元共沸物，通过冷凝器冷凝后进入分相器分相，油相作为挟带剂回流，水相采出。

采用叔丁醇和水接近共沸点进料，其中叔丁醇-水溶液中叔丁醇和水物质的量比为：0.63∶0.37，总流量为130kmol/hr，塔内压力采用常压操作，脱水后的叔丁醇质量分数要求99%以上，顶部馏出的三元共沸物冷凝到40℃，进入分相器。

4 结果与讨论

4.1 理论板数和进料位置的确定

图2 共沸精馏塔的理论板数对塔底叔丁醇质量含量的影响

图2是塔底馏出物叔丁醇的质量含量随塔的理论板数的变化，从图中可以得出，开始随着塔板数增加，叔丁醇的质量含量迅速增加，塔板数增加到20时，叔丁醇质量含率增加缓慢，当板数达到25时，叔丁醇纯度达到要求，在增加板数，纯度变化不大，确定理论板数为25。

图3 共沸塔底叔丁醇质量分数随进料位置变化

图3考察了不同进料板位置对共沸塔底部馏出物叔丁醇纯度的影响，从图中可以看出，进料板位置从第2块板到第20块板，随着进料板数增加，塔底叔丁醇的纯度降低，而减小加料板，增加提馏段，提高叔丁醇和水分离效果，将进料位置定为第二块塔板进料。

4.2 挟带剂流量的研究

共沸塔顶部的三元共沸馏出物经分相器分相后油相中环己烷：叔丁醇：水物质的量比为0.687∶0.264∶0.049，该油相作为挟带剂，回流到共沸塔第一块塔板。图4是精馏塔底部叔丁醇纯度随挟带剂流量的变化趋势图，从图中可以看出，开始挟带剂流量越大精馏塔底部叔丁醇的纯度增加，但超过一定量后，随着挟带剂流量增加而降低，所以并非挟带剂越多分离效果越好，而存在最佳值挟带剂流量，低于或者高于该流量纯度都会降低，模拟得出最佳的挟带剂量为156kg/h。

4.3 全塔物料和能量衡算

根据上述确定的理论板数、进料板位置以及挟带剂流量等条件，模拟全塔流程，计算出全塔物料和能量衡算。

图5 各塔板上的气相组成摩尔分率模拟结果

图6 各塔板上的液相组成摩尔分率模拟结果

图5各塔板上的气相组成的摩尔分率可以看出，共沸塔第一块板上气相的环己烷-叔丁醇-水的摩尔分率（Y）0.557∶0.218：0.225，非常接近表1中环己烷-叔丁醇-水0.555∶0.2142∶0.2308的组成，说明共沸塔塔顶馏出物为三元共沸物，共沸塔塔为三元共沸精馏塔。

从与塔板上气相组成摩尔分率相平衡的液相组成图6可以看出，第一块塔板液相组（X）成环己烷-叔丁醇-水0.677∶0.274∶0.049，与回流到第一块塔板油相组成：0.687∶0.264∶0.049很接近，第二块板进料后，叔丁醇和水组成迅速升高，环己烷组成相对降低，第二块塔板至第八块塔板环己烷发挥挟带作用，水的组成迅速降低至0左右，第九块塔至第十八塔板三组分几乎恒定不变，为衡挟带剂区，第十八塔板至塔釜，环己烷和叔丁醇发生分离，顶部得到几乎纯净的叔丁醇。

图7 各塔板上的温度分布图

从图7中可以看出，从塔底到塔顶温度逐渐降低，其中塔顶温度63.9℃，接近三元共沸点温度，这与图5也是符合的，第二至八块塔板，由于叔丁醇含量增加，温度也在升高，第九至十八的恒挟带剂区，温度保持恒定，第十八之后随着叔丁醇纯度越来越高，温度也迅速升高，最后达到叔丁醇的沸点82℃左右。

5 结论

通过对环己烷-叔丁醇-水体系共沸精馏模拟研究，得出以下结论：

5.1 确定了该过程的最佳理论板数，同时得出提馏段越长越有利于分离；

5.2 挟带剂并非越多越好，而是存在最佳值，工业生产中挟带剂的确定可以先通过模拟计算确定；

5.3 通过分析塔内各塔板上液相组成变化和塔内温度变化，对该体系的共沸精馏过程更全面的了解。对以后的工业化具有指导意义。

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Sim ulation of the azeotropic distillation of tertbutanol-watercyclohexane system

In this paper,the water is separated from tert-butyl alcohol solution by the azeotropic distillation with cyclohexane as entrainment agent by process simulation software ASPEN,The optimum number of theoretical plates and themost reasonable entrainmentagent flow is discoveried in the simulation process,simultaneously the influence of feed stage for azeotropic distillation is studied,and each tray and temperature and gas-liquid flow rate and composition in column isobtained.

azeotropic distillation;entrainmentagent;ASPEN

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.04.007

TQ19

A

1008-1267（2015）04-0020-04

2015-03-21