环丁砜萃取精馏分离醋酸和水体系模拟和优化

王 明，阳 杰，朱仁发

（合肥学院 化学与材料工程系，安徽 合肥 230601）

工业生产中产生的低浓度醋酸水溶液较多，而醋酸又是重要的有机化工原料,那么从低浓度醋酸水溶液中分离提纯出高浓度醋酸就具有较高的经济价值.虽然醋酸和水不会形成恒沸物，但是由于二者的挥发度相近，采用普通精馏工艺时，能耗较高，故工业上较多地采用萃取精馏[1-3].本次萃取精馏是在Aspen Plus软件中模拟进行的.Aspen Plus是大型化工流程模拟软件，该软件具有丰富的数据库[4]，可以处理非理想、极性高的复杂物系.此外Aspen Plus还具有灵敏度分析、自动排序、多种收敛方法，以及报告功能[5-12].本文以环丁砜为萃取剂，在Aspen Plus软件中模拟醋酸和水的萃取精馏分离.

1 萃取精馏模型建立

1.1 工艺流程

环丁砜萃取精馏分离醋酸和水的工艺流程如图1所示.醋酸水溶液从萃取塔（T1，下同）的下部进入塔内，补充的新鲜萃取剂与循环的萃取剂混合后从T1的上部进入塔内.水由T1的顶部排出，醋酸和萃取剂由塔釜进入萃取剂回收塔（T2，下同）.然后在T2顶部得到高浓度醋酸，塔釜得到高浓度萃取剂.塔釜得到的萃取剂与新鲜补充的萃取剂混合后进入T1中循环使用.

图1 萃取精馏工艺流程图

1.2 热力学模型

Aspen Plus在模拟计算时，热力学模型是关键，它能直接影响计算结果的物理性能的准确程度.其中NRTL能够模拟极性和非极性化合物的混合物，甚至很强的非理想的VLE和LLE[13-15]，因此本文中醋酸和水的活度系数模型选择NRTL[16].另，软件中的Hayden-O’connell方程能够预测极性组分的溶和作用和汽相中的二聚现象，包括含有羧酸系统[17].故本文中的醋酸和水体系所发生的现象非常适用于该方程[18-19].因此在本设计时，Aspen Plus选择既包含有活度系数NRTL方程，又包含有逸度系数Hayden-O’connell方程的热力学模型NRTL-HOC.

1.3 进料组成

本设计条件为：原料为55%（质量分数，下同）的醋酸水溶液，进料流率为5000kg/h，萃取剂为环丁砜，原料液和萃取剂均为泡点进料，两塔均在常压下操作，产品为冰醋酸，要求纯度大于99.5%.

2 设计与优化方法

本文设计的思路是先进行萃取精馏塔的模拟和优化，获取T1的最优操作参数，再进行溶剂回收塔的模拟和优化，得到T2的最优操作参数，最后在两塔最优的条件下加上循环物流进行全流程运算.由于萃取精馏塔有两股进料，故不能用Aspen Plus中的DSTWU模块来进行模拟，故选用RadFRac模块进行严格设计计算.而RadFRac模块运算时，需要塔板数，回流比，进料位置，溶剂比等参数.上述参数，根据经验，赋予两塔运算初值如下表1所示.

表1 萃取精馏初始参数

3 结果及讨论

在表1的初始参数下,使用Aspen Plus中的RadFRac模块对两塔进行初始运算，所得结果如下表2所示.

表2 初始参数运算下的结果

由表2可知，虽然T1塔顶水含量为100%，但T2塔顶醋酸含量为93.5%，塔底环丁砜含量为88.4%，整个过程没有达到分离要求.因此，为了提高萃取精馏的分离效率，就需要对两塔进行优化.

3.1 萃取精馏塔的优化

萃取精馏塔的作用主要是在塔顶分出水，塔底分出萃取剂环丁砜和醋酸混合物.那么可以利用T1塔顶水含量，T2塔顶醋酸含量在Aspen Plus中进行灵敏度分析，分别考察理论板数，原料进料位置，萃取剂进料位置，回流比，溶剂比等对T1塔顶水含量和T2塔顶醋酸含量的影响.

3.1.1 理论板数的影响

理论板数对T1塔顶水含量和T2塔顶醋酸含量的影响如图2所示.

图2 理论板数对T1塔顶水含量和T2塔顶醋酸含量的影响

由图2可知，随着T1塔塔板数逐渐增大，T1塔顶水含量和T2塔顶醋酸含量均逐渐增大，当塔板数大于29时，两塔塔顶产品浓度几乎保持不变，故综合考虑塔制造成本，塔板数为29块时为宜.

3.1.2 原料液进料位置的影响

T1塔理论板数为29，其他参数不变，考察原料液进料位置对分离效果的影响，其结果如下图3所示.

图3 原料进料位置对T1塔顶水含量和T2塔顶醋酸含量的影响

由图3可知，随着进料板的下移，两塔塔顶产品含量逐渐增大，当原料液的进料位置大于17时，T1塔顶水含量和T2塔顶醋酸含量有微小增大趋势，总体变化不大，因此，原料液采用第17块板进料.

3.1.3 萃取剂进料位置的影响

T1塔理论板数为29，原料液进料位置为第17块板,其他参数不变，考察萃取剂环丁砜进料位置对分离效果的影响，其结果如下图4所示.

图4 萃取剂进料位置对T1塔顶水含量和T2塔顶醋酸含量的影响

由图4可知,随着萃取剂进料位置的下移，两塔塔顶产品质量分数先增大后减小，并在第4块板时，取得最大值.因此萃取剂较适宜的进料位置为第4块板.

3.1.4 回流比的影响

T1塔理论板数为29，原料液进料位置为第17块板，萃取剂进料位置为第4块板，其他参数不变，考察T1塔回流比对分离效果的影响，其结果如下图5所示.

图5 回流比对T1塔顶水含量和T2塔顶醋酸含量的影响

由图5可知，随着回流比的增大，两塔塔顶产品质量分数逐渐增大，当回流比大于2.7时，T1塔顶水含量和T2塔顶醋酸含量有减小趋势.因此，萃取精馏塔适宜的回流比为2.7.

3.1.5 溶剂比的影响

T1塔理论板数为29，原料液进料位置为第17块板，萃取剂进料位置为第4块板，回流比为2.7，其他参数不变，考察溶剂比（萃取剂与原料液的质量流率之比）对塔顶、塔底水含量的影响，其结果如下图6所示.

图6 溶剂比对T1塔顶水含量和T2塔顶醋酸含量的影响

由图6可知，随着溶剂比的增大，T1塔底的水含量逐渐降低，T2塔顶醋酸含量先增大，当溶剂比大于1.3时，醋酸含量逐渐降低,这是由于萃取剂流量增大到一定程度之后，进入了T2塔的塔顶，影响了T2塔的分离效率.因此，综合考虑，较适宜的溶剂比为1.3.

3.2 溶剂回收塔的优化

溶剂塔的优化主要以T2塔顶醋酸含量为指标分别对理论板数，进料位置，回流比等作灵敏度分析.

3.2.1 理论板数的影响

在T1塔最优操作参数下，考察T2塔理论板数对T2塔顶醋酸含量的影响，其结果如下图7所示.

由图7可知，随着T2塔理论塔板数的逐渐增大，T2塔顶醋酸含量逐渐增大，当塔板数为8块时，醋酸含量保持稳定不变，理论塔板数越多，塔的制造成本越高，综合考虑，T2塔最佳的理论塔板数为8块板.

图7 理论板数对T2塔顶醋酸含量的影响

3.2.2 进料位置的影响

在理论塔板数8，其他操作参数不变的情况下，考察T2塔进料位置对塔顶醋酸含量的影响，其结果如下图8所示.

图8 进料位置对T2塔顶醋酸含量的影响

由图8可知，在第一块板进料时候，塔顶醋酸含量最低，当进料位置大于4时，醋酸含量随着进料位置增大有增大趋势，但变化不大.因此，T2塔的适宜的进料位置选择第4块塔板.

3.2.3 回流比的影响

在理论塔板数8，进料位置第4块板，其他操作参数不变的情况下，考察回流比为对塔顶醋酸含量的影响，其结果如下图9所示.

图9 进料位置对T2塔顶醋酸含量的影响

由图9可知，当回流比在0.1～2时，随着回流比的增大，塔顶醋酸含量先增大后减小，当回流比为0.5时，醋酸含量达到最大值.因此T2塔适宜的回流比为0.5.

3.3 全流程运算

通过上述设计与优化，两塔的最优操作参数如下表3所示.在最优操作参数下运行全流程，结果如表4所示，萃取精馏冰醋酸产品的质量分数高达99.8%，满足分离要求.萃取精馏塔和溶剂回收塔两塔再沸器总的热负荷为5706.95kW，那么生产1t冰醋酸耗费1MPa的蒸汽量为2.7t，这比普通精馏过程1MPa蒸汽耗量8.9t[20]节约能耗69.66%.

表3 萃取精馏最优操作参数

表4 最优参数运算下的结果

4 结论

在Aspen Plus中，以环丁砜为萃取剂，对醋酸和水混合物进行萃取精馏设计与优化，得到两塔较优的操作参数如下：萃取精馏塔的理论板数29块，原料液从第17块板进料，萃取剂从第4块板进料，回流比为2.7，溶剂比为1.3；溶剂回收塔的理论板数为8块，进料位置为第4块板进料，操作回流比为0.5.在此最佳操作参数下，萃取精馏冰醋酸的质量分数高达99.8%，两塔再沸器总热负荷仅为5706.95kW，比普通精馏过程节能69.66%.