侯 濤， 高曉新

（1.常州大學化工設計研究院，江蘇常州213164；2.常州大學石油化工學院，江蘇常州213164）

在化工、醫(yī)藥等生產(chǎn)過程中，甲苯與低級脂肪醇常被用作良好的助劑，如在阿維菌素精制工藝［1］，乙醇和甲苯被共用作溶劑及浸泡劑。但是，甲苯－乙醇物系形成共沸物，要同時得到高純度的甲苯和乙醇產(chǎn)品，用常規(guī)精餾無法實現(xiàn)。萃取精餾與共沸精餾相比，有許多優(yōu)點：萃取劑比共沸劑更易于選擇，萃取劑一般沸點較高，在操作中基本不汽化，熱耗量較少；萃取劑的可變范圍很大，更加靈活；污染少，溶劑易于回收等。但是，萃取精餾存在溶劑用量大、回收成本高的不足。因此，選擇合適的萃取劑，優(yōu)化萃取精餾效果，是萃取精餾的重要研究課題。

1 萃取劑的選擇及工藝流程

1.1 萃取劑的選擇

萃取精餾是在精餾過程中添加一種或幾種萃取劑（或稱溶劑），從而改變待分離組分的相對揮發(fā)度從而使之有效分離，適用于近沸物或共沸物體系的分離［2］。萃取劑的選擇關(guān)系到分離的難易、耗能高低。適宜的萃取劑主要考慮以下幾個因素：溶劑的高選擇性和溶解性、經(jīng)濟性、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性以及毒性等因素。

萃取劑的選擇方法有：實驗法、數(shù)據(jù)庫查詢法［3］、經(jīng)驗值方法、計算機輔助分子設計法（CAMD）等［4］?？紤]分離組分的極性有助于溶劑的選擇［5］，萃取劑沸點比任一組分沸點要高，基于這些特性，對萃取劑進行初選，然后利用Aspen Plus中的Flash 2模塊得到氣液平衡數(shù)據(jù)［6］，依據(jù)相對揮發(fā)度計算公式（1）：

計算甲苯－乙醇體系的相對揮發(fā)度，從而選擇最佳的萃取劑。

常壓下乙醇沸點為78.3℃，甲苯沸點為110.7℃。初選萃取劑與甲苯極性相似的極性組分，沸點比甲苯高。萃取劑選擇時的進料狀態(tài)，以常壓下甲苯－乙醇共沸體系為基準，溶劑質(zhì)量比為1∶1，氣相分率為0.5。計算出的相對揮發(fā)度如表1所示。

適宜的溶劑選擇性越大越易于分離，但是如果沸點過高會增加溶劑回收塔再沸器的塔底負荷，綜合以上因素擬選擇正丁苯作為甲苯－乙醇體系的溶劑。

表1 萃取劑的簡單篩選Table 1 Simple screening of extractant

1.2 工藝流程

甲苯－乙醇體系的萃取精餾分離流程如圖1所示，由萃取精餾塔T1和溶劑回收塔T2組成，待分離物料流股2連續(xù)加入萃取精餾塔T1塔內(nèi)，而溶劑流股1則在進料口之上連續(xù)加入，目的是使塔內(nèi)大部分板上維持較高的溶劑濃度。溶劑入口之上需有若干塊塔板，防止溶劑混入塔頂產(chǎn)品中，稱為溶劑回收段［7］。

原料中易揮發(fā)組分（乙醇）由T1塔頂蒸出，難揮發(fā)組分（甲苯）和溶劑由塔釜排出進入溶劑回收塔T2。在塔T2中難揮發(fā)組分與溶劑得到分離，其中難揮發(fā)組分由塔T2的塔頂餾出，溶劑則由塔釜采出送至萃取精餾塔循環(huán)使用。一般整個流程溶劑的損失不大，只需添加少量新鮮溶劑補償即可。

Fig.1 Flowsheet of extractive distillation圖1 萃取精餾流程

2 萃取精餾模擬與優(yōu)化

2.1 模擬規(guī)定

擬分離的物料如下：進料量3 500kg／h，其中含甲苯質(zhì)量分數(shù)28%，乙醇質(zhì)量分數(shù)72%，初始溫度為25℃。規(guī)定分離得到的甲苯產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)大于等于9 9.5%，乙醇產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)大于等于99.9%。為了保證精餾段與提留段中溶劑濃度大致相等，原料采用氣相加料。溶劑溫度初定為78.0℃，溶劑質(zhì)量比初定為2∶1。為保證塔底再沸器溫度不至于過高，能用水蒸氣加熱，采用負壓操作，萃取精餾塔定為90kPa，溶劑回收塔定為50kPa。模擬軟件采用Aspen Plus，兩塔均選用RadFrac嚴格精餾模型；熱力學方程選用WILSON，并用基團貢獻法UNIFAC進行剩余相互作用參數(shù)的估算［8］。

2.2 靈敏度分析與參數(shù)優(yōu)化

初步模擬后許多參數(shù)還不是最優(yōu)，并且產(chǎn)品純度還沒有達到分離要求。利用Aspen Plus軟件中的靈敏度分析模塊對加料板及回流比進行模擬分析，以期得到最佳工藝參數(shù)。在其它條件不變的情況下，進料位置不同分離效果也將不同，存在最佳的進料位置。

2.2.1 進料位置的影響 對萃取精餾塔的原料進料位置和溶劑進料位置以及溶劑回收塔的進料位置進行靈敏度分析，計算模擬結(jié)果如圖2，3所示。

Fig.2 Effect of feed stage on separation in extractive distillation tower圖2 萃取精餾塔進料位置對分離效果的影響

Fig.3 Effect of feeding plate on separation in solvent recovery tower圖3 溶劑回收塔原料進料位置對分離效果的影響

結(jié)果表明，萃取精餾塔的進料位置為第19塊塔板，溶劑進料為第8塊塔板，溶劑回收塔進料位置為第13塊塔板時達到最佳分離效果。

2.2.2 回流比的影響 回流比在精餾過程中是一個十分重要的工藝參數(shù)，關(guān)系到分離效果和能耗。圖4，5分別是萃取精餾塔和溶劑回收塔回流比的靈敏度分析。對于萃取精餾塔并非回流比越大分離效果越好，由圖4可以看出，當回流比為1.1時分離效果達到最佳。

Fig.4 Effect of reflux ratio on separation in extractive distillation tower圖4 萃取精餾塔回流比對分離效果的影響

Fig.5 Effect of reflux ratio on separation in solvent recovery tower圖5 溶劑回收塔回流比對分離效果的影響

對于溶劑回收塔回流比的影響與一般精餾塔類似，隨著回流比的增加，分離效果會越好，然后趨于穩(wěn)定。從圖5可以看出當回流比為2.1時，曲線開始變化不大，此時分離達到了分離要求，因此取溶劑回收塔的最佳回流比為2.1。

圖6為溶劑質(zhì)量比（萃取劑與原料進料的質(zhì)量比）對分離效果的影響。由圖6可以看出，餾出液中乙醇的質(zhì)量分數(shù)隨回流比的增加而增大，接著趨于平緩。隨著萃取劑用量的增加，過程的能耗也隨之增加。綜合分離效果和能耗兩個方面因素的考慮，選取適宜溶劑質(zhì)量比為2.2。

Fig.6 Effect of solvent ratio on separation圖6 溶劑質(zhì)量比對分離效果的影響

2.2.3 模擬結(jié)果 通過對進料位置、回流比、溶劑質(zhì)量比等參數(shù)的優(yōu)化，經(jīng)計算得到了最佳工藝參數(shù)及全流程的模擬結(jié)果，見表2。由于溶劑在精餾過程中會有部分損失，為保證連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作需要補加少量萃取劑。經(jīng)計算后需補加溶劑的量為3.08 kg／h。

表2 優(yōu)化后的工藝參數(shù)Table 2 The optimized process parameters

3 結(jié)束語

（1）采用Aspen Plus軟件中的Flash 2模塊，通過設定溶劑質(zhì)量比，計算得到了在不同溶劑條件下，甲苯－乙醇體系的相對揮發(fā)度，從而篩選出了較佳的萃取劑為正丁苯。

（2）基于NRTL－RK物性模型，以正丁苯為萃取劑，用Aspen Plus化工模擬軟件對甲苯－乙醇體系萃取精餾分離過程進行了模擬。萃取精餾塔理論板數(shù)20塊，溶劑回收塔理論板數(shù)26塊的條件下，優(yōu)化后的操作參數(shù)為：原料的進料位置為第19塊塔板，萃取劑的進料位置為第8塊塔板，回流比為1.1，溶劑質(zhì)量比為2.2。對于溶劑回收塔，其進料位置為第12塊塔板，回流比為2.1。

（3）優(yōu)化后，乙醇的質(zhì)量分數(shù)達99.9%，甲苯質(zhì)量分數(shù)可達99.5%，回收率均在99.5%以上，溶劑損失率僅為0.04%，萃取劑可循環(huán)利用，優(yōu)化結(jié)果為工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)提供了相應的參考。

（4）利用Aspen Plus中的Flash 2模塊，對于萃取劑的初步篩選具有重要意義，特別是對于文獻中報道較少或幾乎沒有報道的共沸物或近沸物系萃取精餾的萃取劑的選取，具有一定的參考價值。

［1］ 戴君裕，葉德勇.恒沸精餾法分離回收阿維菌素生產(chǎn)殘液中的甲苯和乙醇［J］.化工環(huán)保，2003，23（5）：306－307.

［2］ 胡暉，鄔慧雄.分批萃取精餾新模擬方法［J］.石油化工高等學校學報，2008，21（1）：38－42.

［3］ Braam V D，Izak N.Design of solvents for extractive distillation［J］.Ind.eng.chem.res.，2000，39：1423－1429.

［4］ 宋海華，孫偉，王秀麗，等.萃取精餾溶劑選擇的研究進展［J］.化學工業(yè)與工程，2002，19（1）：83－88.

［5］ 鄧修，吳俊生.化工分離工程［M］.北京：科學出版社，2007：73－81.

［6］ 李肖華，李衛(wèi)坤，宋旭東，等.乙醇－水－離子液體偽二元體系常壓汽液平衡數(shù)據(jù)的測定與關(guān)聯(lián)［J］.浙江工業(yè)大學學報，2008，36（4）：399－402.

［7］ 與洪芹.萃取精餾過程流程集成節(jié)能策略的研究［D］.青島：青島科技大學，2006.

［8］ Aspen Technology Inc.Aspen plus user guider［M］.NewYork：Aspen technology Co.Ltd.press，2006：215－219.