丙醇脱水能耗模拟研究

张立明，马 倩，秦丽珍

（1.新奥科技发展有限公司，河北廊坊 065001；2.煤基低碳能源国家重点实验室，河北廊坊 065001；3.天津华赛尔传热设备有限公司，天津 301700）

1 工艺分析

丙醇与水共沸，常压下共沸点78.1℃，共沸组成为丙醇95.5%wt、水4.5%wt。传统普通精馏无法达到丙醇脱水的要求，本文模拟研究了以乙二醇为萃取剂的萃取精馏工艺流程和工艺参数，并将该方法应用于丙醇脱水。萃取精馏的操作参数变量较多，操作变量包含普通精馏的所有操作变量，包括：理论塔板数、进料位置、回流比、采出比、操作压力。另外因与普通精馏相比，萃取精馏塔上端的操作温度除与塔顶回流温度有关，还与塔顶部进料的萃取剂的进料温度和进料量有关，而塔内部的操作温度对整体塔内部气液平衡产生决定影响，进而影响精馏塔的产品纯度和能耗。

2 流程设计及模拟建模

建立如图1所示流程，模块C01为精馏塔，物流EG为萃取剂乙二醇，物流FEED为丙醇水混合进料，物流C3为无水丙醇产品，物流EG+WATER为萃取剂乙二醇和水的混合物。模拟软件采用Aspen Plus，物性方法选用NRTL，精馏塔模型选用RadFrac。物流FEED物流数据为：流量1000kg/h，温度50℃，压力1bar，组成为水50%wt、丙醇50%wt；物流EG物流数据为：乙二醇流量1000kg/h，水流量为1kg/h，温度80℃，压力0.1MPa。全塔共30块理论板，物流FEED进料位置为第十五块理论板，物流EG进料位置为第一块理论板（再沸器及冷凝器不计入理论板数，规定最顶部理论板为第一块理论板）

图1 乙二醇萃取精馏脱水流程模型

同时软件定义如下参数（考察两个自变量和三个因变量）：

乙二醇流量1000～5000kg/h（自变量）；物流EG温度10～100℃（自变量）；丙醇产品纯度（因变量）；EG+WATER中丙醇流量（因变量）；精馏塔能耗（因变量）；模拟研究两个自变量分别对三个因变量的影响，并根据模拟结果作图分析。

3 模拟结果

从图2看出，萃取剂乙二醇的进料温度对丙醇产品纯度影响很小，但乙二醇流量对丙醇产品纯度影响很大，分析认为乙二醇的进料温度降低相当于增加了塔顶冷凝器的功率，当然也同步增加了塔底再沸器的功率，因此乙二醇进料温度对塔内温度的分步影响不显著，而塔内的温度分步决定了精馏塔内的组分组成，所以萃取剂乙二醇的进料温度对丙醇产品纯度影响较小。乙二醇虽然萃取水分的能力与温度压力有关，但在精馏塔内压力变化不大，温度的变化范围也不大，所以可以粗略认定在模拟工况中乙二醇萃取水分能力不变，则乙二醇流量变化将显著影响萃取水量，这将打破塔内组分平衡，对塔顶产品的纯度产生较大影响。

图2 丙醇产品纯度与乙二醇流量和物流EG温度的关系

图3 EG+WATER中丙醇含量与乙二醇流量和物流EG温度的关系

从图3看出，塔底产品物流EG+WATER中丙醇流量随萃取剂EG温度升高而升高，塔底产品物流EG+WATER中丙醇流量随萃取剂EG流量增加而增加。需要特别指出此处研究的是塔底产品物流EG+WATER中丙醇流量，如研究EG+WATER中丙醇含量则可能造成计算结果规律不明显。萃取剂EG温度升高将导致塔内除冷凝器外整体温度升高，这将导致进入冷凝器的水量变大，根据质量守恒则塔底产品物流中丙醇流量必将增加。萃取剂EG流量增大将增加萃取剂EG携带水的能力，但同时也增加了EG携带丙醇的量，终将导致塔底产品物流EG+WATER中丙醇的流量变大。

图4 精馏塔能耗与乙二醇流量和物流EG温度的关系

从图4看出，精馏塔能耗随着乙二醇流量增加而增加，精馏塔能耗随着物流EG温度升高而降低。物流EG温度降低增加了精馏塔顶部冷量，为了维持塔内能量平衡必须增加塔釜再沸器的功率。物流EG流量的增加则萃取剂在塔内吸收的总热量也将增加，这也将导致塔釜再沸器功率的增加。

4 结论与分析

通过分析模拟结果得出结论，萃取剂EG流量增加利于提高丙醇产品纯度，萃取剂EG温度对丙醇产品纯度无明显影响；萃取剂EG流量增加不利于减少EG+WATER中丙醇的残余，萃取剂EG温度也不利于减少EG+WATER中丙醇的残余；萃取剂EG流量增加将增加精馏塔能耗，萃取剂EG温度有利于减少精馏塔能耗；工业生产时可按照以上规律进行调整，已达到节能降耗的目的。