乙醇—水萃取精馏实验教学的改进及Aspen Plus软件的应用

王俊+冷一欣+韶晖

摘要：萃取精馏是化工原理实验教学中重要的综合性实验。目前萃取精馏实验存在一些问题，针对这些问题提出了改进建议。通过改进，在教学过程中可以加强学生对萃取精馏这一复杂工程问题的理解，提高学生的工程实践能力。

关键词：萃取精馏；实验改进；工程实践

一、前言

精馏是化工原理中重要的传质单元操作之一，其基本原理是根据被分离混合物中各组分相对挥发度的差异，通过多次冷凝和汽化将其分离[1]。但在实际生产过程中常遇到各组分沸点相差很小或者具有恒沸点的混合物，用普通精馏的方法难以完全分离，此时需要采用特殊精馏，如恒沸精馏、萃取精馏、加盐精馏等[2]。虽然萃取精馏原理与普通精馏一致，但其复杂程度、操作难度、计算难度又远高于普通精馏，且萃取精馏已经被广泛的应用于化工分离，因此开展萃取精馏实验对本科生利用所学知识分析和处理复杂工程问题能力的培养有重要意义。

萃取精馏实验教学中常用乙醇—水体系为实验对象，并以乙二醇为萃取精馏剂。然而在实际教学过程中，发现此实验存在一些问题：实验数据记录简单，相对挥发度是影响萃取精馏塔分离效果最为关键的因素，而塔内液相溶剂相对含量又是影响相对挥发度的关键，因此实验过程中监测溶剂在塔内的浓度变化显得尤为重要。但在实验中并没有考虑这一点，仅测量塔顶和塔釜处乙醇的含量；理论板数计算也不够严谨，教材中一般以芬斯克方程计算理论板数，但由于体系复杂，为了计算方便，相对挥发度通过经验估算得到，这可能使得计算结果与实际相差很大，导致学生对萃取精馏过程的计算产生误解，即没有有效的手段计算待分离体系的相对挥发度。另外，萃取精馏实验平衡时间较长：对于实验装置少、实验人数较多的大班而言，如果考察不同参数对萃取精馏效果的影响，实验时间会显得不足，降低了实验效果。

为了提高实验的目的性和效果，使实验能够让学生真正懂得如何运用现有知识去处理萃取精馏，并可举一反三应用到这一类复杂的工程问题上，就有必要对实验过程和数据处理方式进行改进，同时提出将实验与现代仿真模拟手段相结合，通过软件对不同实验因素的萃取精馏进行模拟分析比较，加深学生对萃取精馏的理解，引导学生以合理的方法来解决实际工程问题，最终提高学生的工程实践能力。

二、萃取精馏实验改进建议

萃取精馏不同于一般的常规精馏。由于在原体系中引入了第三组，使得原本就复杂的体系更加复杂。由于萃取精馏本身的特点，使得待分离体系的相对挥发度在塔板上可能变化很大，因此合理估算萃取精馏塔内体系的相对挥发度是得到可靠实验结果并对实验现象合理解释的基础。

为了估算塔内的相对挥发度，需要知道各塔板上的液相组成和气相组成，然后根据组成计算得到每块塔板上的相对挥发度。全塔平均相对挥发度即为各块塔板上相对挥发度的几何平均。然而如果对每块塔板上的汽—液组成进行分析，工作量较大；其次，塔板上气相产品很难采集，这加大了实验难度。为此，本文建议通过对萃取精馏装置的取样位置进行改进以得到溶剂和组分的浓度分布，并利用Aspen Plus软件计算得到相对挥发度。

1.连续萃取精馏装置。除了塔顶和塔釜设有取样口外，分别在萃取精馏装置萃取剂进料板上以及精馏段最后一块板和原料进料板上增设液相取样口。通过这种手段得到进料热状态对精馏段和提馏段中溶剂组成影响的情况，使计算结果与实际相符。

2.全回流萃取精馏装置。除了塔顶和塔釜设有取样口外，需在溶剂进料板上增设液相取样口。通过增设取样口，对溶剂在塔内精馏段和提馏段的分布情况进行检测，从而可根据实际测量得到的组成，再通过软件估算出相对挥发度，见下文介绍。

三、Aspen Plus流程模拟软件的应用

（一）萃取精馏体系相对挥发度计算的方法

对于相对挥发度接近于1或存在共沸的二元体系，在引入第三种组分作为萃取剂后，变得高度非理想，因此整个计算过程也变得复杂繁冗。然而相对挥发度又是计算理论板数最为关键的参数，显得非常重要。考虑到非理想体系的计算在化工中比较常见，以此实验为契机，通过理论与实践的结合帮助学生掌握此类问题的计算方法，对学生能力的拓展意义重大。

对于这类计算常借助于相关软件，如Aspen Plus、ProII、Hysys等，由于Aspen Plus具備完整的数据库、物性模型和数据，且包含完整的化工单元模块，易于组建化工流程，因此这里选择使用Aspen Plus软件对此体系的相对挥发度进行预测。对乙醇—水—乙二醇体系可选择UNIFAC活度系数模型作为描述体系的物性方程[3]。

对于气体满足理想状态时的体系相对挥发度可通过此式计算：α=y■x■y■x■=■，显然通过实验分析我们可以知道液相中的各组分含量，但气相中组分未知。为了可以使用上式进行计算，这里使用泡点原理进行求解，如图1所示。

假设某汽—液混合物组成在A点，在达到平衡时，其汽—液两相组成为B和C点。显然对于塔板上B点和C指离开某块塔板的液相组成和气相组成。但在实际测量过程中，只采集了液相，与之平衡的气相并未采集。但我们发现，B点和C点是成相平衡的关系，也就意味着B点的泡点气相组成与C点是一样的。换言之，可通过计算采集得到的液相组成的泡点得到气相组成，再利用两相组成计算相对挥发度。而泡点的计算可利用模拟软件计算得到，具体计算步骤如下。

1.从Aspen操作单元库中选取闪蒸罐，并连接好物流，输入采集/分析得到的液相组成数据。为了便于说明，以此组成为例：x水=0.3，x乙醇=0.3，x乙二醇=0.4。

2.进入闪蒸罐参数输入窗口见图2a。在参数输入窗口中输入操作压力为1atm，另外规定Vapor Fraction为10-5，通过这个设置运行软件，计算的结果即为该液相组成下的泡点。

3.点击Results查看闪蒸罐计算结果，进入计算结果显示窗口图2b，再点击Phase Equilibrium，得到汽—液相平衡计算结果，窗口显示K（水）=1.049、K（乙醇）=2.262，将此数据带入到上式中计算得到相对挥发度为：α=■=2.156。

按照上述方法可以计算得到不同采集点的相对挥发度，则全塔实际相对挥发度即为各测量点计算值的几何平均。此时，可用此值并结合芬斯克方程计算全回流条件下的全塔理论板数。通过此方法计算得到的理论板数比较准确，同时计算得到的理论板数可作为后续仿真模拟中的模型参数。应该说利用软件计算挥发度可以加强学生对所学知识和流程模拟软件的灵活运用能力，同时也拓展了学生思维。

（二）萃取精馏的模拟仿真

当实验条件或实验时间不足时，通過实验详细考察不同因素对萃取精馏效果的影响显得不太现实，这时可通过模拟仿真结合实验的方式进行教学。为了与实验进行匹配，所使用的模拟参数应与实验条件一致。为了便于说明，这里列举一组实验模拟参数，总结见表1。

这里分别以溶剂温度和回流比作为影响因素，考察了这两个因素对产品乙醇含量的影响，最终结果见图3a、图3b。

从图3a中可以看出，加入溶剂后塔顶乙醇产品的质量分率为98.1%—98.6%，高于乙醇—水共沸组成的95.6%，这表明萃取精馏确实可以打破共沸点。另外，随着溶剂温度的增加，通过模拟结果可清晰地发现塔顶产品乙醇浓度降低，塔釜乙醇浓度升高；从图3b可以看出，随着回流比的增加，塔顶产品乙醇浓度先升高后降低，塔釜乙醇浓度先降低后升高。

四、结论

通过在萃取精馏塔合适的位置增设液相采样口和Aspen Plus中的闪蒸罐模型以及泡点原理可计算得到萃取精馏各取样点的相对挥发度，进一步可得到全塔相对挥发度。实验过程中包含了样本采集、分析、软件建模、模拟计算等过程，这对学生灵活运用所学知识解决复杂工程问题的能力有重要意义。

此外，利用流程模拟软件建立萃取精馏塔的仿真模型以考察不同因素对萃取精馏效果的影响是可行的。通过模拟可快速反映出精馏结果随着变量变化的规律，这大大节约了实验时间和实验成本。此外，将实验与模拟相结合的方式进行萃取精馏实验的教学，可加深学生对这一过程的理解，同时也提高了学生的工程实践能力。

参考文献：

[1]陈敏恒，从德滋，方图南，齐鸣斋，潘鹤林.化工原理（下）[M].北京：化学工业出版社，2015.

[2]尹芳华，钟璟，叶青，王龙耀，马江权.现代分离技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]夏姗姗，裘兆蓉，叶青.隔离壁精馏塔萃取精馏制无水乙醇[J].江苏工业学院学报，2009，21（1）：34-37.

Improvement of Ethanol-Water Extractive Distillation Experiment and Application of Aspen Plus Software

WANG Jun，LENG Yi-xin，SHAO Hui

（School of Petrochemical Engineering，Changzhou University，Changzhou，Jiangsu 213100，China）

Abstract：Extractive distillation is an important comprehensive experiment in the teaching of chemical engineering principles. At present，there are some problems in the experiment of extractive distillation，and the improvement suggestions are put forward for these problems. Through the improvement，students can strengthen the understanding of the complex engineering problem of extractive distillation，which can improve the students' ability of engineering practice.

Key words：extractive distillation；experimental improvement；engineering practice ability