楊 磊， 張志剛， 黃動(dòng)昊， 賈 鵬， 李文秀

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

異丙醇(IPA)在生產(chǎn)過(guò)程中普遍采用固體酸或者液體酸作為催化劑，在此生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有副反應(yīng)發(fā)生，從而產(chǎn)生二異丙醚(DIPE)[1].DIPE是應(yīng)用廣泛的化工溶劑，并且是汽油中重要的添加劑[2].由于異丙醇和二異丙醚在66.2 ℃時(shí)會(huì)形成共沸物，用常規(guī)的精餾方法很難分離.為了增加該副產(chǎn)物的附加值，分離提純二異丙醚具有十分重要的意義[3].在前期的實(shí)驗(yàn)研究中[4]作者發(fā)現(xiàn)并找到了能夠準(zhǔn)確描述分離過(guò)程的適宜相平衡模型和萃取劑DMAC，其對(duì)于提高二異丙醚-異丙醇混合物的相對(duì)揮發(fā)度效果明顯.因此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Aspen plus模擬軟件考察采用DMAC作為萃取劑時(shí)精制二異丙醚的工藝條件.

1 工藝流程

1.1 工藝流程的建立

選擇ASPEN PLUS的RadFrac模塊[5]對(duì)二異丙醚的提純工藝過(guò)程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬研究，工藝流程模擬如圖1所示.

圖1 工藝流程模擬Fig.1 Process flow diagram of extractive distillation

從圖1可以看出：原料(組成如表1所示)以連續(xù)方式加入到精餾塔中，并經(jīng)再沸器加熱形成上升蒸汽.同時(shí)，在萃取精餾塔的上部連續(xù)加入萃取劑DMAC，這樣物料中的二異丙醚與DMAC在精餾塔內(nèi)就能夠充分作用，并以氫鍵結(jié)合的方式打破共沸現(xiàn)象，從而提高二異丙醚-異丙醇的相對(duì)揮發(fā)度，使其更容易分離.經(jīng)過(guò)上述萃取精餾分離過(guò)程，二異丙醚產(chǎn)品從萃取精餾塔的塔頂?shù)玫?，塔釜的異丙醇和溶劑一起進(jìn)入溶劑回收塔進(jìn)行二次分離，異丙醇從溶劑回收塔的塔頂餾出，DMAC從塔底餾出.

表1 二異丙醚和異丙醇的組成Table 1 The composition of 2-Isopropoxypropane and 2-propanol

1.2 物性方法選擇

所有的單元操作模型都需要性質(zhì)計(jì)算而生成結(jié)果.性質(zhì)計(jì)算對(duì)模擬結(jié)果的影響很大.這是由于平衡計(jì)算和性質(zhì)計(jì)算的準(zhǔn)確程度及對(duì)它的選擇將影響模擬結(jié)果[7].選擇正確的物性方法對(duì)于流程的模擬十分關(guān)鍵.Aspen plus自帶多種物性方法，考慮二異丙醚和異丙醇是強(qiáng)極性非理想性溶液，因此，選擇UNIFAC模型[8]作為流程模擬的物性估算方法.

2 全流程模擬初始條件

原料進(jìn)料為二異丙醚和異丙醇混合物，選擇DMAC為萃取劑.模擬的設(shè)定值如表2所示，全流程模擬計(jì)算結(jié)果列于表3.

表2 模擬數(shù)據(jù)Table 2 Simulation data

表3 全流程模擬計(jì)算結(jié)果Table 3 The results of process simulation

3 結(jié)果討論

從表3可以看出:初始條件下的模擬結(jié)果較差，塔頂產(chǎn)品二異丙醚的純度為95 %，并且溶劑回收塔中溶劑的純度僅為80 %，產(chǎn)品的純度和溶劑的回收利用都不能滿足工業(yè)化的要求.因此，通過(guò)ASPEN PLUS軟件Model Analysis Tool中的Sensitivity[9]，分析原料進(jìn)料位置、溶劑進(jìn)料位置、溶劑比、回流比對(duì)二異丙醚純度的影響，尋找最優(yōu)化的操作條件.

3.1 原料進(jìn)料位置NF對(duì)精餾塔操作的影響

原料進(jìn)料位置對(duì)精餾塔的分離效果影響較大.利用 ASPEN 靈敏度分析工具，固定塔板數(shù)(30塊)、溶劑進(jìn)料位置(第2塊)、回流比(0.5)、溶劑比(0.25)等因素，考察不同進(jìn)料位置對(duì)二異丙醚純度的影響.計(jì)算結(jié)果如圖2所示.從圖2中可以看出：從第 18 塊板后進(jìn)料，二異丙醚的純度幾乎不再有變化.因此，選擇第18塊板進(jìn)料較為合適.

圖2 原料進(jìn)料位置NF對(duì)二異丙醚純度的影響Fig.2 Effect of feed stages on extractive distillation

3.2 溶劑進(jìn)料位置NS對(duì)精餾塔操作的影響

溶劑進(jìn)料位置對(duì)精餾塔的分離效果也有較大影響.固定塔板數(shù)(30塊)、原料進(jìn)料位置(第18塊板)、溶劑比(0.25)、回流比(0.5)等因素，考察不同溶劑進(jìn)料位置對(duì)二異丙醚純度的影響.計(jì)算結(jié)果如圖3所示.從圖3中可以看出：隨著NS的不斷增大，二異丙醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)是先增大后逐漸減小，在NS為5時(shí)達(dá)到最大值.塔板數(shù)一定時(shí)，增大NS一方面增大了溶劑回收段，使得產(chǎn)品中溶劑的含量減少，另一方面又會(huì)使得萃取段減小，使下降溶劑不能較好地與上升蒸汽進(jìn)料質(zhì)交換，使得產(chǎn)品中異丙醇的含量增多.因此，選擇進(jìn)料位置為第5塊板比較合適.

圖3 溶劑進(jìn)料位置NS對(duì)二異丙醚純度的影響Fig.3 Effect of solvent stages on extractive distillation

3.3 溶劑比對(duì)二異丙醚純度的影響

溶劑比是影響分離效果的重要因素.固定塔板數(shù)(30塊)、原料進(jìn)料位置(第18塊)、溶劑進(jìn)料位置(第5塊)、回流比(0.5)等操作參數(shù)，考察溶劑比對(duì)二異丙醚純度的影響.計(jì)算結(jié)果如圖4所示.從圖4中可以看出：隨著溶劑比的增加二異丙醚的純度明顯增加，當(dāng)溶劑比為0.65時(shí)，二異丙醚的純度達(dá)到99.80 %，此后溶劑比繼續(xù)增大，二異丙醚的純度不再變化.因此，溶劑比為0.65比較合適.

圖4 溶劑比對(duì)二異丙醚純度的影響Fig.4 Effect of solvent ratio on extractive distillation

3.4 不同回流比對(duì)二異丙醚純度的影響

固定塔板數(shù)(30塊)、原料進(jìn)料位置(第18塊)、溶劑進(jìn)料位置(第5塊)、溶劑比(0.65)，考察不同回流比R對(duì)二異丙醚純度的影響.計(jì)算結(jié)果如圖5所示.從圖5中可以看出：R小于1.2時(shí)，二異丙醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎呈上升趨勢(shì)，在1.2到1.3之間時(shí)，二異丙醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化不明顯，而當(dāng)R大于1.3時(shí)，二異丙醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而下降.這是因?yàn)镽增大時(shí)回流到塔的液體量增多，這在一定程度上相當(dāng)于降低了溶劑比，使得溶劑的作用效果變差，所以，回流比并不是越大越好.因此，選擇回流比為1.2比較合適.

圖5 不同回流比對(duì)二異丙醚純度的影響Fig.5 Effect of reflux ratio on extractive distillation

3.5 適宜的分離條件

通過(guò)靈敏度分析的優(yōu)化操作，得到了分離二異丙醚和異丙醇二元共沸物的最佳操作條件.在此優(yōu)化參數(shù)條件下進(jìn)行模擬，結(jié)果如表4所示.

表4 最優(yōu)化條件下的模擬結(jié)果Table 4 Simulation result

從表4的數(shù)據(jù)可以看出：當(dāng)塔板數(shù)為30，回流比為1.2，原料進(jìn)料位置為第18塊板，溶劑進(jìn)料位置為第5塊板，溶劑比為0.65時(shí)，二異丙醚的純度達(dá)到了99.94 %，分離效果很好.

4 結(jié) 論

(1) 由ASPEN PLUS 軟件模擬結(jié)果分析可知：以DMAC作為萃取劑分離二異丙醚和異丙醇共沸物的工藝是可行的，對(duì)工業(yè)化的生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義.應(yīng)用ASPEN PLUS 軟件的靈敏度分析工具對(duì)萃取精餾塔的操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了該工藝的最佳操作條件.

(2) 工業(yè)化分離二異丙醚和異丙醇共沸物可參考的分離條件：塔板數(shù)為30，原料進(jìn)料位置為第18塊板，溶劑進(jìn)料位置為第5塊板，回流比為1.2，溶劑比為0.65，在該條件下二異丙醚的純度為99.94 %.

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭珍輝.異丙醇生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)展[J].化工科技,2000,8(1):65-70.

[2] 張春蘭,楊智.高辛烷值汽油添加劑的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].內(nèi)蒙古石油化工,2011(14):13-16.

[3] 劉杰,劉崗,王洪志.從異丙醇裝置副產(chǎn)中分離精制異丙醚的工藝研究[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù),2004,25( 5):8-10.

[4] Zhang Zhigang,Yang Lei,Xing Yuan,et al.Vapor-Liquid Equilibrium for Ternary and Binary Mixtures of 2-Isopropoxypropane,2-Propanol,and N,N-Dimethylacetamide at 101.3 kPa[J].J.Chem.Eng.Data,2013,58 (2):357-363.

[5] 謝揚(yáng),沈慶揚(yáng).ASPEN PLUS化工模擬系統(tǒng)在精餾過(guò)程中的應(yīng)用[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),1999 (3):17-22.

[6] 程能林.溶劑手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1994:301．

[7] 董新法,方立國(guó),陳礪.物性估算原理及計(jì)算機(jī)計(jì)算[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:239.

[8] Fredenslund A,Gmehling J,Rasmussen P.Vapor-liquid Equilibria Using UNIFAC:A Group Contribution Method[M].Amsterdam:Elsevier Science Ltd,1977:337.

[9] 朱登磊,任根寬,譚超.萃取精餾分離異丙醇-水共沸體系的模擬與優(yōu)化[J].化學(xué)工程師,2009(10):13-16.