Aspen 模拟乙醇-水体系的共沸精馏

2021-05-10

浙江化工 2021年4期

（江西赣锋锂业股份有限公司，江西新余 338000）

无水乙醇是重要的化工原料之一，广泛应用于医药、涂料、化妆品、食品、染料等方面。在能源领域，乙醇也占有一席之地，可以部分替代汽油用作清洁可再生燃料，受到了越来越多研究者的青睐[1]。国家发改委提出：2020 年我国全国范围内将推广使用车用乙醇汽油，基本实现全覆盖。

乙醇汽油是由90%汽油和10%乙醇混合而成的，水含量是车用乙醇汽油的重要指标。然而，乙醇能与水以任意比互溶，并能与水形成共沸物，造成组分分离提纯困难，因此，乙醇的分离一直是无水乙醇生产过程中的一大难题[2]。

目前，制备无水乙醇的方法主要有萃取精馏法[3]、膜分离法[4]、吸附法[5]、共沸精馏[6]等。萃取精馏法是通过加入特殊的添加剂，改变乙醇水溶液的相对挥发度，使其易于分离，添加剂可以是乙二醇、氯酸钙、氯化铜等。萃取精馏法设备简单、操作费用较低，然而盐的回收仍有待攻克。膜分离技术是利用乙醇和水分子直径的不同，让乙醇水溶液通过特定孔径的膜，从而达到分离的效果。膜分离具有设备体积小、操作方便等特点，但膜组件的寿命短，后期更换费用较大。吸附法包括分子筛吸附法、生物质吸附法等，主要是分子筛、谷物对水有一定的选择性吸附。吸附法具有劳动强度低、低污染等特点，但吸附剂的吸附容量有限，后期的再回收等问题仍有待改善。共沸精馏制备无水乙醇是目前规模最大、机械化程度最高的方法。在乙醇水溶液中加入共沸剂，使原体系形成沸点最低的三元共沸物，三元共沸物经后期简单的处理，可将原共沸剂回收再利用。

本文运用Aspen 软件模拟乙醇水溶液的提纯工艺过程。（1）对低浓度的乙醇水溶液(15 wt%)进行普通蒸馏处理，得到质量分数为95%的乙醇-水共沸物；（2）以苯为共沸剂，优化工艺参数，得到质量分数为99.67%的无水乙醇；（3）得到的乙醇-苯-水三元共沸物，可经过多次萃取处理，得到高纯度的苯，苯经回收后循环再利用[7]。

1 共沸精馏工艺模拟

1.1 工艺初步模拟

某工厂生产得到质量分数为15%的乙醇水溶液，预制备高浓度的无水乙醇。通过查阅相应的资料，得到乙醇-苯-水三元共沸物的特性表，见表1。

表1 乙醇-苯-水三元共沸物的特性表

从表1 中可以看出，乙醇-苯-水的三元共沸点为64.85 ℃，较乙醇的沸点78.3 ℃低，并且相对温差较大，适合分离。因此，本文以苯为共沸剂，通过共沸精馏，制备高纯度的无水乙醇。

从表1 还可以看出，乙醇-苯-水三元共沸物的组成分别为18.5 wt%、7.4 wt%、74.1 wt%。其中，水和苯的质量比为1:10，因此，进入共沸精馏塔的水浓度越高，需加入苯的量越多，不利于后期苯的回收利用；三元共沸物中乙醇和苯的质量比为1:4，随着苯加入量的增加，乙醇的量也越多。因此，首先对低浓度的乙醇水溶液进行普通精馏处理，得到质量浓度为95%的乙醇-水共沸物，再以苯为共沸剂进行共沸精馏，得到质量分数为99.5%的无水乙醇。其主要的工艺流程见图1。

图1 共沸精馏制备无水乙醇的Aspen 工艺流程模拟图

从图1 可以看出，原15 wt%乙醇水溶液经过普通精馏塔T101 分离，在T101 塔的塔顶得到1579.1 kg/h 的95 wt%乙醇水溶液，根据表1 的理论数据，估算在共沸精馏过程中，苯的加入量为1579.1×0.05÷7.4×74.1=790.6 kg/h。经过模拟、收敛，得到实际苯的加入量为792.3 kg/h，与理论估算值一致。经共沸精馏塔T102 分离，T102 塔塔底得到纯度大于99.5 wt%的无水乙醇。