乙二醇萃取精馏制取无水乙醇的模拟和优化

王 明，赵兴科，冯立品，阳 杰

（合肥学院 化学与材料工程系，安徽 合肥 230601）

无水乙醇是工业生产中一种重要的有机化工原料，它广泛应用于医药、农药、食品、电子、汽油醇和取代抗爆剂四乙基铅等行业中[1].另外，随着新型汽车环保燃料的发展，乙醇汽油的需求越来越大，这就更加大了对无水乙醇的市场需求[2-3].但是，由于常压下，乙醇与水存在共沸组成，工业上乙醇的含量（质量分数，下同）多为95%，继续进行常规精馏分离时，无法得到无水乙醇.当前，工业上生产无水乙醇的方法主要有共沸精馏法、膜分离法、分子筛吸附脱水法、加盐萃取精馏法，以及萃取精馏法[4-7].其中，由于萃取精馏法具有能耗低，无污染、设备简单等优点[8]而备受关注.本次萃取精馏在是在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，可以处理非理想、极性高的复杂物系.本文以乙二醇为萃取剂，在Aspen Plus软件中模拟萃取精馏法制取无水乙醇的过程优化.

1 萃取精馏模型建立

1.1 工艺流程

乙二醇萃取精馏分离乙醇和水的工艺流程如图1所示.工业乙醇从萃取塔（T1，下同）的下部进入塔内，萃取剂乙二醇从T1的上部进入塔内.在T1的顶部获得无水乙醇，水和乙二醇由塔釜进入萃取剂回收塔（T2，下同）.然后在T2顶部得到废水，塔釜得到高浓度乙二醇.塔釜得到的萃取剂乙二醇与新鲜补充的乙二醇混合后进入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在进行模拟计算时，最重要的是选取合适的热力学模型，它直接决定着计算结果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[9-11]，另，软件中的RK方程能够计算汽相中的逸度系数.因此在本文中，Aspen Plus选择既包含有活度系数NRTL方程，又包含有逸度系数RK方程的热力学模型NRTL-RK.

1.3 进料组成

本设计条件为：原料为乙醇含量95%（质量分数，下同），水含量为5%的混合溶液，进料流率为5000kg/h，萃取剂为乙二醇，原料和萃取剂均为泡点进料，两塔均在常压下操作，产品为无水乙醇，要求纯度大于99.5%.

表1 萃取精馏初始参数

2 设计与优化方法

本文设计的思路是依次对萃取精馏塔T1和溶剂回收塔T2进行模拟和优化，分别获取两塔最佳操作参数，最后在两塔最优的条件下加上循环物流进行全流程运算.本文使用Aspen Plus中的RadFRac模块对两塔进行严格设计计算.而RadFRac模块运算时，需要塔顶馏出比，理论塔板数，回流比，进料位置，以及溶剂比等参数.对于初始运算，可以根据经验，赋予两塔运算初值如下表1所示.

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

从表2可以看出，T1塔顶乙醇的含量仅为99.4%，并且T2塔顶也夹带着大量的乙醇和少量的乙二醇馏出，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T1和T2依次进行优化.

3.1 萃取精馏塔的优化

萃取精馏塔的作用主要是在塔顶蒸出乙醇，塔底分出萃取剂乙二醇和水的混合物.因此，可以在Aspen Plus中对T1塔顶乙醇含量，T2塔顶水含量做灵敏度分析，依次考察塔顶馏出比，理论板数，原料进料位置，萃取剂进料位置，回流比，溶剂比等参数对T1塔顶乙醇含量和T2塔顶水含量的影响.

3.1.1 T1塔顶馏出比的影响

T1塔顶馏出比对T1塔顶乙醇含量和T2塔顶水含量的影响如图2所示.

图2 馏出比对T1塔顶乙醇含量和T2塔顶水含量的影响

由图2可知，当T1塔顶馏出比在0.1～0.52时，随着馏出比的增大，T1塔顶乙醇含量有增大趋势，但是变化不大；T2塔顶水含量逐渐增大.当馏出比大于0.52时，两塔塔顶产品含量均显著下降.因此，T1塔适宜的馏出比是0.52.

3.1.2 理论板数的影响

在T1塔顶馏出比0.52，其他条件不变，理论板数对两塔塔顶产品含量的影响如图3所示.

从图3可以看出，两塔塔顶产品含量均随着T1塔塔板数的增大而逐渐增大，当塔板数大于27时，T1塔顶乙醇含量和T2塔顶水含量均几乎保持不变，因此T1塔较适宜的理论板数为27块.

3.1.3 原料液进料位置的影响

T1塔馏出比0.52，理论板数为27，其他参数不变，原料液进料位置对两塔塔顶产品含量的影响如下图4所示.

图3 理论板数对T1塔顶乙醇含量和T2塔顶水含量的影响

图4 原料进料位置对T1塔顶乙醇含量和T2塔顶水含量的影响

由图4可知，在进料板数1～26块板时，随着进料板的下移，T1塔顶乙醇含量和T2塔顶水含量均逐渐增大，并当进料位置大于23块板时，两塔塔顶产品含量几乎不变.因此，原料液较适宜的进料位置为第23块板.

3.1.4 萃取剂进料位置的影响

T1塔馏出比0.52，理论板数为27，原料液进料位置为第23块板,其他参数不变，萃取剂乙二醇的进料位置对两塔塔顶产品含量的影响如图5所示.

图5 萃取剂进料位置对T1塔顶乙醇含量和T2塔顶水含量的影响

由图5可知,两塔塔顶产品含量随着萃取剂进料位置的下移，先增大而后减小，并在第4块板时，T1塔顶乙醇含量取得最大值.因此，萃取剂较适宜的进料位置为第4块板.

3.1.5 回流比的影响

T1塔馏出比0.52，理论板数为27，原料液进料位置为第23块板，萃取剂进料位置为第4块板，其他参数不变，T1塔回流比对两塔塔顶产品含量的影响如图6所示.

图6 回流比对T1塔顶乙醇含量和T2塔顶水含量的影响

由图6可知，随着回流比的增大，T1塔顶乙醇含量和T2塔顶水含量均逐渐增大，当回流比大于1.3时，两塔塔顶产品含量均几乎没有变化.因此，萃取精馏塔较适宜的回流比为1.3.

3.1.6 溶剂比的影响

T1塔馏出比0.52，理论板数为27，原料液进料位置为第23块板，萃取剂进料位置为第4块板，回流比为1.3，其他参数不变，溶剂比（萃取剂与原料液的质量流率之比）对两塔塔顶产品含量的影响如图7所示.

图7 溶剂比对T1塔顶乙醇含量和T2塔顶水含量的影响

由图7可知，在溶剂比0.1～1.0时，随着溶剂比的增大，两塔塔顶产品含量均增大，但当溶剂比大于1时，两塔塔顶产品含量均降低，这是由于萃取剂流量增大到一定程度之后，进入到了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1.0.

3.2 溶剂回收塔的优化

溶剂塔的优化主要对T2塔顶水含量作灵敏度分析.分别对T2塔顶馏出比，理论板数，进料位置，操作回流比等参数对T2塔顶水含量的影响，从而获取最优的操作参数.

3.2.1 馏出比的影响

在T1塔最优操作参数下，考察T2塔顶馏出比对T2塔顶水含量的影响，其结果如下图8所示.

当馏出比在0.1～0.15时，塔顶水含量随着馏出比的增大而逐渐增大，但当馏出比大于0.15时，塔顶水含量显著降低，因此，T2塔较适宜的馏出比为0.15.

图8 馏出比对T2塔顶水含量的影响

3.2.2 理论板数的影响

在T1塔最优操作参数下，T2塔馏出比0.15，考察T2塔理论板数对T2塔顶水含量的影响，其结果如下图9所示.

图9 理论板数对T2塔顶水含量的影响

从图9可以看出，T2塔顶水含量随着T2塔理论塔板数增大而逐渐增大，当塔板数为13块时，塔顶水浓度几乎没有变化.因此，T2塔较适宜的理论塔板数为13.

3.2.3 进料位置的影响

在T1塔最优操作参数下，T2塔馏出比0.15，理论塔板数13，其他操作参数不变的情况下，考察T2塔进料位置对塔顶水含量的影响，其结果如下图10所示.

图10 进料位置对T2塔顶水含量的影响

从图10可以看出，在第一块板进料时候，塔顶水含量最低，当进料位置在2～13时，塔顶水含量先增大而后减小，并在第10块板取得最大值.因此，T2塔选择第10块板进料.

3.2.4 回流比的影响

图11 进料位置对T2塔顶水含量的影响

在T1塔最优操作参数下，T2塔馏出比0.15，理论塔板数13，进料位置为第10块板，其他操作参数不变的情况下，回流比为对塔顶水含量的影响如图11所示.

由图11可知，当回流比在1～1.6时，随着回流比的增大，塔顶水含量逐渐增大，当回流比大于1.6时，塔顶水含量几乎没有变化.因此T2塔适宜的回流比为1.6.

3.3 全流程运算

通过上述设计与优化，两塔最优的操作参数如下表3所示.在最优操作参数下进行全流程运算，所得结果如表4所示，T1塔顶乙醇的的质量分数高达99.97%，T2塔顶水的的质量分数达92.7%，满足分离要求.整个萃取精馏过程中，萃取精馏塔再沸器的热负荷为2392.26kW，溶剂回收塔再沸器的热负荷为591.67kW.

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

以乙二醇为萃取剂，用Aspen Plus在NRTL-RK物性条件下，对含量95%的乙醇水溶液的萃取精馏分离进行模拟和优化，得到两塔最优的操作条件如下：萃取精馏塔最佳的馏出比为0.52，最佳的理论板数27块，原料液进料位置为第23块板，乙二醇进料位置为第4块板，操作回流比为1.3，溶剂比为1.0；溶剂回收塔最佳的馏出比为0.15，最佳的理论板数为13块，进料位置为第10块板，操作回流比为1.6.在最佳操作条件下，萃取精馏塔顶无水乙醇的含量高达99.97%，萃取精馏塔再沸器的热负荷为2392.26kW，溶剂回收塔再沸器的热负荷为591.67kW.