LTTMS混合物在乙醇-水体系分离中的应用

李成帅 刘博文 刘香芝

摘      要：分别乙二醇和两种低共熔溶剂（氯化胆碱/乙二醇（摩尔比1∶2）、氯化胆碱/乙醇酸（摩尔比1∶3））为萃取剂，设计萃取精馏和隔壁塔萃取精馏流程，模拟分离乙醇和水形成的共沸体系。使用灵敏度分析對上述流程分别进行了参数优化。在优化的基础上，进行了年度费用（TAC）计算。结果表明：采用乙二醇和低共熔溶剂为萃取剂的萃取精馏和隔壁塔萃取精馏均能实现乙醇-水的分离;年度费用结果表明采用氯化胆碱/乙二醇（摩尔比1∶2）的隔壁塔萃取精馏费用最低，为最优工艺。

关  键  词：LTTMs;萃取精馏;乙醇;Aspen;模拟

中图分类号：TQ 028       文献标识码： A       文章编号：1671-0460（2020）05-0863-04

Abstract： The separation of ethanol-water azeotrope by choosing low transition temperature mixtures （LTTMs） （choline chloride∶glycol=1∶2 and choline chloride∶glycolic acid=1∶3） and glycol as entrainer was investigated through process simulation. Sensitivity analysis was used to simulate parameter optimization of the extraction and extractive dividing wall column distillation. Total annual cost （TAC） was calculated on the basis of the optimization. The results showed that ethanol-water could be separated by two technologies. TAC indicated that the extractive dividing wall column distillation with choline chloride/glycolic acid（1∶2）as the entrainer was the optimal technology.

Key words： Low transition temperature mixtures; Extraction; Ethanol; Aspen; Simulation

乙醇是一种应用广泛的有机溶剂和化工原料[1]，比如在汽车防冻剂、航天燃料、制药[2-4]等方面。近年来随着工艺的发展，乙醇在使用过程中对浓度的要求越来越高[5]。但是常压下乙醇和水容易形成共沸物，共沸点78.15 ℃，采用普通精馏难以分离[6]。目前针对乙醇和水的分离常采用的方式有普通萃取精馏[7]、加盐萃取精馏[8]、共沸萃取[9]、膜分离[10]等。其中萃取精馏因其操作简单、能耗低得到了广泛应用。

低共熔溶剂（LTTMs）最早是2003年由英国人Andrew[11]首次报道，后来得到较为广泛发展。其应用主要集中在低共熔溶剂制备[12]、气液相平衡数据的测定[13]、生物分离中应用[14，15]等，在化工萃取精馏中应用研究较为少见。本文以两种典型的低共熔溶剂氯化胆碱/乙二醇（命名为DES1）和氯化胆碱/乙醇酸（命名为DES2）以及乙二醇（EG）为萃取剂进行乙醇和水体系萃取精馏和隔壁塔萃取精馏，探讨LTTMs在化工萃取精馏中的应用价值，为其工业应用提供思路。

1  物系探讨

1.1  物系组成与物性方法

由于乙醇与水为高度非理想体系，乙醇-水分离选择NRTL-RK模型进行模拟，NRTL-RK主要是用来进行非理想性比较强的体系的热力学性能的计算，在乙醇-水模拟系统中采用NRTL-RK物性方法可以得到合适的结果。

使用乙二醇、氯化胆碱+乙二醇（摩尔比1∶2，DES1）、氯化胆碱+乙醇酸（摩尔比1∶3，DES2）分别作为萃取剂萃，分离乙醇-水共沸体系。

对于乙醇、水、低共熔溶剂体系的模拟，基于NRTL活度系数模型，采用Aspen plus得到二元交互参数见表1和表2。其中低共熔溶剂的临界物性参数来源于文献[16]。

1.2  普通萃取精馏流程设计

1.2.1  萃取精馏工艺

原料由塔中下部塔板进料，萃取剂乙二醇由中上部塔板进入T0101萃取精馏塔，通过萃取精馏于塔顶采出质量分数大于99.9%（wt）的乙醇，塔釜采出乙二醇及水进入T0102溶剂回收塔。在溶剂回收塔塔顶采出质量分数大于99.9%的水，塔釜采出乙二醇的纯度为99.9%，乙二醇经过冷却后可以直接返回T0101萃取精馏塔循环使用（图1）。

同理设计乙醇水-DES2萃取精馏工艺流程（图2）。

1.2.2  流程优化

以乙二醇萃取剂为例进行参数优化分析：

（1）T0101理论板数对乙醇纯度/采出量的影响，见图3所示。

（2）结果显示，当塔板数达到第17块时，乙醇的纯度及采出率达到工艺要求，确定塔板数为第17块。

（3）T0101原料进料板对乙醇纯度/采出量的影响，见图4所示。

结果显示，进料板为第12块时水的纯度最高，采出量达最高。

同理得到萃取剂乙二醇的进料位置为第5块板。

（4）萃取剂乙二醇流量对乙醇纯度/采出量的影响，见图5。

结果显示在乙二醇流量为1 600 kg/h时，乙醇的纯度大于99.99%（wt），采出量为699.8 kg/h，确定乙二醇流量为1 600 kg/h。

1.2.3  不同萃取剂时，常规萃取精馏工艺参数一览（表3）

1.3  隔壁塔萃取精餾工艺

1.3.1  流程建立

根据常规萃取精馏工艺，建立隔壁塔萃取精馏。本文不考虑氯化胆碱+乙醇酸这种萃取剂的隔壁塔精馏工艺（能耗高，对隔壁塔要求特别高）。乙二醇及DES1的流程图如图6。

1.3.2  流程优化

本文以氯化胆碱+乙二醇为例进行参数优化分析T0701A侧线采出位置优化，见图7。

通过优化结果分析，当侧线采出位置为12块板时，T0701A与T0701B采出的乙醇及水的纯度均大于99.9%（wt），并且在12块板时全塔的总负荷最低。

（2）T0701A侧线采出量优化，见图8所示。

分析结果可以看出当侧线采出流量380 kg/h时，乙醇及水的纯度明显增高，且符合工艺要求，继续增大侧线采出量全塔负荷显著增加，确定侧线采出流量为380 kg/h。

1.3.3  隔壁塔萃取精馏工艺参数一览（表4）

1.4  萃取精馏工艺经济分析

为了确定分离乙醇-水共沸物的最优工艺，分析各工艺的经济效益，本文以年度总费用（Total Annual Cost， TAC）[17，18]为最小为目标，引入了Turtonde[19，20]的费用模型计算方法。回收期假定为3年，操作费用主要为蒸汽费用，电力成本低忽略。

依据以上费用模型对比乙二醇、DES1、DES2常规萃取精馏及隔壁塔萃取精馏工艺的年度总费用高低。此表格中以DES1代表萃取精馏工艺，以DES1DWC代表隔壁塔萃取精馏工艺，其他物质同理，结果见表5。

分析表可知，与乙二醇萃取精馏流程相比，使用低共熔溶剂DES1并不能有效降低能耗和费用，低共熔溶剂DES2总操作费用降低28.8%，年度总费用（TAC）降低了9.73%;采用隔壁塔萃取精馏与各自普通萃取精馏工艺相比，乙二醇为萃取剂时操作费用不能降低，TAC降低3.0%;低共熔溶剂DES1，操作费用降低5.76%，TAC降低10.7%。采用隔壁塔后在一定程度上能节能，采用DES1为萃取剂的萃取隔壁塔精馏优势最为明显。

2  结论

（1）乙二醇作为萃取剂，能够实现乙醇和水共沸体系的分离。以氯化胆碱/乙二醇（1∶2）作为萃取剂模拟乙醇和水的分离过程。结果表明：萃取剂用量明显减少，节能减耗效果不明显。以氯化胆碱/乙醇酸（1∶3）低共熔溶剂模拟乙腈和水的分离过程，结果表明：萃取剂用量减少明显，节能优势明显。

（2）采用隔壁塔萃取精馏工艺对乙醇/水体系进行了模拟。同普通萃取精馏相比，采用乙二醇萃取隔壁塔精馏能在一定程度上节能减耗，采用氯化胆碱/乙二醇萃取隔壁塔精馏节能优势明显。

（3）比较几种工艺，可以看出氯化胆碱/乙二醇（摩尔比1∶2）低共熔溶剂作为萃取剂的隔壁塔萃取精馏是最优工艺，可以为低共熔溶剂的工业使用提供一定的理论支持。

参考文献：

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