萃取精馏分离甲醇-乙腈共沸体系的过程模拟

丁亚松，李武勇，秦应红，王克良，连明磊，杜廷召

(1.六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004；2. 中国石油工程建设有限公司华北分公司，河北 任丘 062552)

1 引言

甲醇-乙腈混合物常压下形成共沸物，所述共沸组成为81%的甲醇和19%乙腈(质量分数)[1]。由于甲醇-乙腈混合物的共沸现象，一般精馏不能将两者完全分开，应考虑特殊的蒸馏方法。现有文献报道从变压精馏[2]和萃取精馏[3]中分离甲醇-乙腈共沸物。然而，变压精馏采用的双塔压力是通过极低压和常压的组合方式进行的。我们应该减少压力设备，这样的工艺也存在操作更复杂，设备投资更大的问题[4]。相比之下，萃取精馏[5-8]可以避免上述问题的同时还能高效的分离甲醇-乙腈体系。因此，在本文中采用萃取精馏分离甲醇-乙腈共沸物，应用ASPEN PLUS 软件对其过程进行模拟计算，通过分析相对挥发度和分离效果，筛选出最佳的萃取剂，并对此过程的工艺参数进行模拟优化。

2 萃取剂的选择

2.1 相对挥发度数据

本文利用Aspen Plus软件中的Analysis模块进行相对挥发度和选择性数据的分析，物性方法选wilson模型，分别对环丁砜、苯胺、三甘醇、糠醛和丁酸丙酯进行比选，结果如表-1所示，其中甲醇为摩尔分数。

表1 环丁砜、苯胺、三甘醇、糠醛和丁酸丙酯相对挥发度数据

萃取剂的引入导致相对挥发度与1的偏离越大说明此萃取剂越好，从表1得出，环丁砜的相对挥发度数据明显优于其它萃取剂，其中这5种萃取剂在甲醇的全浓度范围内的相对挥发度均大于1，说明了甲醇和乙腈共沸物共沸点的消除，这五种溶剂均可做本体系的萃取剂，其中环丁砜最佳。

2.2 不同萃取剂分离效果比选

本文在表2的模拟条件下，考察了环丁砜、苯胺、三甘醇、糠醛和丁酸丙酯5种萃取剂对甲醇-乙腈体系的分离效果，模拟结果见表3。

表2 萃取精馏塔的模拟条件参数

表3 4种不同萃取剂的模拟结果

由模拟结果可知5种萃取剂的分离效果顺序为：环丁砜>苯胺>三甘醇>糠醛>丁酸丙酯。

2.3 萃取剂选择结果

从相对挥发度数据和分离效果分析可知，环丁砜为最佳萃取剂选择。

3 工艺流程优化

3.1 工艺流程

甲醇-乙腈共沸物萃取精馏工艺流程如图1所示。原料和萃取剂分别从萃取精馏塔中间和上半部分进入，原料为甲醇和乙腈的混合液，萃取剂为环丁砜，两塔的塔顶分别得到高纯度的甲醇和乙腈产品，萃取剂环丁砜经回收后循环利用，此工艺在模拟过程中用到的设备模块和分析工具见表4。

表4 工艺模拟中用到的模块和分析工具

图1 甲醇-乙腈体系萃取精馏工艺流程

3.2 全塔理论板数的分析

本文分析了不同全塔理论板数的分离效果，计算结果列于表5中，其中XD表示塔顶甲醇的质量纯度(%)，XW表示塔底甲醇的质量纯度(%)。

表5 全塔理论板数的影响

表5(续)

由表5得出：甲醇的纯度随塔板数的增加而提高，当塔板数大于30时，甲醇的纯度不再变化。由于塔板数的增加会增加设备的制造成本，因此，全塔理论板数选30块较为合理。

3.3 溶剂比的分析

本文分析了不同溶剂比(萃取剂与原料进料的物质的量比)的分离效果，计算结果列于表6中。

表6 溶剂比的影响

由表6得出：环丁砜对甲醇-乙腈共沸体系的分离表现出很好的效果，当溶剂比仅为0.8时，甲醇的纯度就已达99.9%但过高的溶剂比会增加能耗和生产成本，因此，溶剂比选为0.9较合理。

3.4 回流比(物质的量)的分析

本文分析了不同物质的量回流比的分离效果，计算结果列于表7中。

表7 回流比的影响

由表7得出：塔顶甲醇质量分数随回流比的增加表现出先升后降的趋势，回流比在0.8～1.2区间时，甲醇的纯度不再变化，保持在99.95%。因此，回流比选0.8较为合理。

3.5 原料进料位置的分析

本文分析了不同原料进料板数的分离效果，计算结果列于表8中。

表8 原料进料位置的影响

由表8得出：原料在第22块塔板进料时，甲醇的质量分数到达最高点，为99.95%，由此可知，本塔的精馏段塔板大于提馏段，因此，原料进料位置选第22块较为合理。

3.6 萃取剂进料位置的分析

本文分析了不同萃取剂进料板数的分离效果，计算结果列于表9中。

表9 萃取剂进料位置的影响

由表9得出：萃取剂在第3块塔板进料时，甲醇的质量分数最高，达到99.95%，大于或小于第3块塔板，甲醇的纯度均有所下降，因此，萃取剂进料位置选第3块较为合理。

3.7 萃取剂再生塔的模拟条件与结果

本文运用Sensitivity工具对萃取剂再生塔的工艺参数和操作参数进行了考察，确定了最佳工艺参数，详见表10。

表10 萃取剂再生塔的最佳工艺参数

3.8 全流程的模拟结果

在以上优化的工艺与操作条件下，全流程的模拟结果如表11所示。

表11 全流程的模拟结果

4 结论

(1)运用化工模拟软件Aspen Plus中的Analysis功能和Radfrac模块，对不同萃取剂进行相对挥发度数据和分离效果进行分析，选用环丁砜为最佳萃取剂。

(2)采用双塔萃取精馏工艺分离甲醇-乙腈共沸物，运用aspen plus软件进行全流程的模拟与优化，得到甲醇的分离效果达99.95%，乙腈的质量分数达到99.99%，萃取剂的补充量为0.008 kg//h。

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