萃取精馏分离乙醇-水混合物模拟

王明 冯立品 朱仁发

摘要：在Aspen Plus软件中，利用甘油为萃取剂，对乙醇-水混合物的萃取精馏分离进行模拟计算，确定了萃取精馏塔和溶剂回收塔的馏出比，理论板数，进料位置，回流比以及溶剂比等最优工艺条件.结果表明，甘油可以较好地实现乙醇和水的分离.在最优操作条件下，萃取精馏塔顶乙醇的含量高达99.84%，整个萃取精馏过程中，乙醇的回收率高达99.71%.

关键词：Aspen Plus;萃取精馏;模拟

中图分类号：TQ028  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）06-0029-03

无水乙醇，一般指质量分数大于99%的乙醇，是许多化工产品的基本原料，它广泛应用于精细化工和制药领域[1-2].另外，无水乙醇与汽油还可以形成汽油醇这一稳定混合物，汽油醇可以被用作汽车的环保燃料.当前，我国无水乙醇的需求量在500万t/a，那么研究乙醇-水体系的分离就显得至关重要.常压下，乙醇与水为共沸体系，无法通过普通精馏来实现乙醇与水高纯度分离.目前文献报道生产无水乙醇的方法大致有以下几种：萃取精馏法、共沸精馏法、膜分离法、分子筛吸附脱水法、加盐萃取精馏法等[3-6].其中，萃取精馏法制取无水乙醇具有无污染、能耗低、设备简单、操作方便等优点[7]而备受关注.本文以甘油为萃取剂，在Aspen Plus软件中对乙醇-水溶液的分离过程进行模拟和优化.

1 萃取精馏模型建立

1.1 萃取剂

我们采用Aspen Plus软件中的Flash2模块，来考察甘油作为萃取剂对乙醇-水体系相对挥发度的影响如下表1所示.

由表1可以看出，无萃取剂时，乙醇-水体系的相对挥发度接近于1，表示该体系属于恒沸物系，不能通过常规精馏进行分离.而当加入甘油时，乙醇-水相对挥发度为2.8，其数值发生显著变化，说明甘油作为萃取剂能够较好地分离乙醇-水体系.

1.2 工艺流程

甘油萃取精馏分离乙醇-水混合物的工艺流程如下图1所示.乙醇水混合物从萃取精馏塔（T1，下同）的下部进入塔中，萃取剂甘油从T1塔的上部进入塔内.T1塔顶产品是无水乙醇，塔釜中的水和甘油进入萃取剂回收塔（T2，下同）中继续精馏分离.T2塔顶主要产出水，塔釜得到的高浓度甘油与新鲜补充的甘油混合后进入T1中循环使用.

1.3 物性方法選择

Aspen Plus在进行模拟计算时，选择一个准确的热力学方程至关重要.对于本文中乙醇-水体系，采用NRTL方程计算活度系数，RK方程计算逸度系数.因此，物性方法选择热力学模型NRTL-RK.

1.4 模拟条件

本文的模拟条件为：原料液为乙醇含量95%（质量分数，下同）的水溶液，进料流量为5000kg/h，甘油作为萃取剂，原料和萃取剂都在饱和液体条件下进料，整个萃取精馏过程在常压下进行，要求产品为纯度大于99.5%的无水乙醇，并且要求乙醇的回收率不低于99%.赋予两塔运算初值如下表2所示.

2 结果及讨论

2.1 萃取精馏塔的优化

2.1.1 塔顶馏出比的影响

塔顶馏出比对T1塔顶、塔底乙醇含量和T2塔顶水含量的影响如下图2所示.

从图2可以看出，馏出比对萃取精馏塔的分离效果有着重要影响，馏出比越大，塔顶产品采出量越大，但要综合考虑塔顶产品纯度.当馏出比小于0.6时，随着馏出比的增加，T1塔顶乙醇含量和T2塔顶水含量缓慢增加，T1塔底乙醇含量逐渐降低.当馏出比大于0.6时，两塔塔顶产品含量显著下降.因此，综合考虑塔顶产品纯度以及塔顶采出量，T1塔较适宜的馏出比选择0.6.

2.1.2 理论板数的影响

在其他模拟条件不变，T1塔顶馏出比0.6时，改变理论板数，其模拟结果如下图3所示.

由图3可知，在理论板数2～30时，两塔塔顶产品含量随着理论板数的增大均逐渐增大，T1塔底乙醇含量逐渐减小，这是由于理论板数越多越有利于分离.但设备制造费也会随之增加.因此T1塔较适宜的理论板数选择为30块.

2.1.3 原料液进料位置的影响

在相同条件下，进料位置不同，对分离效果产生不同影响.其他条件不变，T1塔馏出比0.6，理论板数为30，改变原料液进料位置，其模拟结果如下图4所示.

图4结果表明，两塔塔顶产品含量随着进料位置的下移均先逐渐增大而后降低，T1塔底乙醇含量先逐渐减小而后缓慢增大.当进料位置为第26块板时，两塔塔顶产品含量取得最大值，T1塔底乙醇含量取得最小值.所以，原料液选择从第26块板进料.

2.1.4 萃取剂进料位置的影响

萃取剂的进料位置也是影响精馏分离效果的重要因素之一.一般情况下，萃取剂从塔的上部加入，与原料液进行逆流接触.其他模拟条件不变，T1塔馏出比0.6，30块理论板，原料液从第26块板进料，改变萃取剂甘油的进料位置，其模拟结果如下图5所示.

从图5可以看出，萃取剂进料位置为第2块板时，分离效果最好，T1塔顶乙醇含量与T2塔顶水含量均最高，T1塔底乙醇含量最低.因此，综合考虑，萃取剂选择从第2块板进料.

2.1.5 回流比的影响

回流比是影响精馏分离效果的重要因素之一，塔顶产品的纯度可以通过调节回流比来进行调节.其他模拟条件不变，T1塔馏出比0.6，30块理论板，原料液从第26块板进料，萃取剂从第2块板进料，其模拟结果如下图6所示.

由图6可知，当回流比小于1.5时，回流比对三者含量影响较大，当回流比大于1.5时，三者含量都几乎没有变化.一般情况下回流比越大，分离效果越好，但是回流比越大，能耗也会随之增大，因此综合考虑经济效益，回流比选择为1.5.

2.1.6 溶剂比的影响

萃取剂与原料液的进料质量流量之比叫作溶剂比.其他模拟条件不变，T1塔馏出比0.6，30块理论板，原料液从第26块板进料，萃取剂从第2块板进料，回流比为1.5，其模拟结果如下图7所示.

从图7可以看出，两塔塔顶产品含量均随着溶剂比的增大先增大而后降低.当溶剂比为0.8时，T2塔顶水含量达到最大值，但T1塔底乙醇含量仍然较大，塔底的乙醇会进入T2塔，这会降低乙醇的回收率.当溶剂比为1.0时，T1塔底乙醇含量最低，两塔塔顶产品含量较高，因此，综合考虑塔顶乙醇含量与乙醇回收率，溶剂比选择1.0.

2.2 溶剂回收塔的优化

溶剂回收塔的优化同萃取精馏塔一样，以T2塔顶水含量为目标值，在T1塔的最优操作条件下，依次对T2塔顶馏出比，理论板数，进料位置，回流比作灵敏度分析，得到T2塔最佳的工艺参数：T2塔顶馏出比0.2，理论板数为9，进料位置为第8块板，回流比1.0.

2.3 全流程运算

在全流程运行下，萃取剂大部分通过T2塔底循环至T1塔中使用，仅有少量萃取剂随着T1塔顶以及T2塔顶产品蒸出，为了保证萃取精馏的分离效率，必须补充少量新鲜的萃取剂.在最优操作参数下，通过Aspen Plus中计算器模块计算得出新鲜补充萃取剂量仅为0.4397kg/h.加上补充新鲜萃取剂进行全流程运算，运算结果如表4所示.T1塔顶乙醇纯度高达99.84%，T2塔顶水的纯度高达94.71%，整个萃取精馏过程中，乙醇回收率高达99.71%，满足分离要求.

3 结论

在Aspen Plus软件中，以甘油为萃取剂，基于NRTL-RK热力学模型，对萃取精馏过程进行模擬计算，模拟结果表明甘油可以较好地实现乙醇与水的分离，无水乙醇的纯度高达99.84%，整个萃取精馏过程中，乙醇回收率高达99.71%，满足分离要求.

参考文献：

〔1〕Liu X，Lei Z，Tao Wang T，et al. Isobaric Vapor-liquid equilibrium for the ethanol +water + 2-aminoethanol tetrafluoroborate system at 101.3 kPa[J].J chem Eng Data，2012，57（ 12） ： 35323537.

〔2〕席晓敏.萃取精馏法分离乙醇水体系的实验研究及流程模拟[D].北京化工大学，2014.

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〔4〕LI Qunsheng ，ZHU Wei ，WANG Haichuan， et al. Isobaric vapor-liquid equilibrium for the ethanol+water+1，3-dimethylimidazolium dimethyl-phosphate system at 101.3 kPa[J]. Journal of Chemical Engineering Data，2012，57：696-700.

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〔6〕夏珊珊，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.

〔7〕王洪海，李春利，方静，等.加盐萃取精馏制取无水乙醇过程的模拟[J].石油化工，2008，37（1）：258-261.