丁亞松，李武勇，秦應(yīng)紅，王克良，連明磊，杜廷召

(1.六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 任丘 062552)

1 引言

甲醇-乙腈混合物常壓下形成共沸物，所述共沸組成為81%的甲醇和19%乙腈(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[1]。由于甲醇-乙腈混合物的共沸現(xiàn)象，一般精餾不能將兩者完全分開，應(yīng)考慮特殊的蒸餾方法?，F(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道從變壓精餾[2]和萃取精餾[3]中分離甲醇-乙腈共沸物。然而，變壓精餾采用的雙塔壓力是通過極低壓和常壓的組合方式進(jìn)行的。我們應(yīng)該減少壓力設(shè)備，這樣的工藝也存在操作更復(fù)雜，設(shè)備投資更大的問題[4]。相比之下，萃取精餾[5-8]可以避免上述問題的同時(shí)還能高效的分離甲醇-乙腈體系。因此，在本文中采用萃取精餾分離甲醇-乙腈共沸物，應(yīng)用ASPEN PLUS 軟件對(duì)其過程進(jìn)行模擬計(jì)算，通過分析相對(duì)揮發(fā)度和分離效果，篩選出最佳的萃取劑，并對(duì)此過程的工藝參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化。

2 萃取劑的選擇

2.1 相對(duì)揮發(fā)度數(shù)據(jù)

本文利用Aspen Plus軟件中的Analysis模塊進(jìn)行相對(duì)揮發(fā)度和選擇性數(shù)據(jù)的分析，物性方法選wilson模型，分別對(duì)環(huán)丁砜、苯胺、三甘醇、糠醛和丁酸丙酯進(jìn)行比選，結(jié)果如表-1所示，其中甲醇為摩爾分?jǐn)?shù)。

表1 環(huán)丁砜、苯胺、三甘醇、糠醛和丁酸丙酯相對(duì)揮發(fā)度數(shù)據(jù)

萃取劑的引入導(dǎo)致相對(duì)揮發(fā)度與1的偏離越大說明此萃取劑越好，從表1得出，環(huán)丁砜的相對(duì)揮發(fā)度數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于其它萃取劑，其中這5種萃取劑在甲醇的全濃度范圍內(nèi)的相對(duì)揮發(fā)度均大于1，說明了甲醇和乙腈共沸物共沸點(diǎn)的消除，這五種溶劑均可做本體系的萃取劑，其中環(huán)丁砜最佳。

2.2 不同萃取劑分離效果比選

本文在表2的模擬條件下，考察了環(huán)丁砜、苯胺、三甘醇、糠醛和丁酸丙酯5種萃取劑對(duì)甲醇-乙腈體系的分離效果，模擬結(jié)果見表3。

表2 萃取精餾塔的模擬條件參數(shù)

表3 4種不同萃取劑的模擬結(jié)果

由模擬結(jié)果可知5種萃取劑的分離效果順序?yàn)椋涵h(huán)丁砜>苯胺>三甘醇>糠醛>丁酸丙酯。

2.3 萃取劑選擇結(jié)果

從相對(duì)揮發(fā)度數(shù)據(jù)和分離效果分析可知，環(huán)丁砜為最佳萃取劑選擇。

3 工藝流程優(yōu)化

3.1 工藝流程

甲醇-乙腈共沸物萃取精餾工藝流程如圖1所示。原料和萃取劑分別從萃取精餾塔中間和上半部分進(jìn)入，原料為甲醇和乙腈的混合液，萃取劑為環(huán)丁砜，兩塔的塔頂分別得到高純度的甲醇和乙腈產(chǎn)品，萃取劑環(huán)丁砜經(jīng)回收后循環(huán)利用，此工藝在模擬過程中用到的設(shè)備模塊和分析工具見表4。

表4 工藝模擬中用到的模塊和分析工具

圖1 甲醇-乙腈體系萃取精餾工藝流程

3.2 全塔理論板數(shù)的分析

本文分析了不同全塔理論板數(shù)的分離效果，計(jì)算結(jié)果列于表5中，其中XD表示塔頂甲醇的質(zhì)量純度(%)，XW表示塔底甲醇的質(zhì)量純度(%)。

表5 全塔理論板數(shù)的影響

表5(續(xù))

由表5得出：甲醇的純度隨塔板數(shù)的增加而提高，當(dāng)塔板數(shù)大于30時(shí)，甲醇的純度不再變化。由于塔板數(shù)的增加會(huì)增加設(shè)備的制造成本，因此，全塔理論板數(shù)選30塊較為合理。

3.3 溶劑比的分析

本文分析了不同溶劑比(萃取劑與原料進(jìn)料的物質(zhì)的量比)的分離效果，計(jì)算結(jié)果列于表6中。

表6 溶劑比的影響

由表6得出：環(huán)丁砜對(duì)甲醇-乙腈共沸體系的分離表現(xiàn)出很好的效果，當(dāng)溶劑比僅為0.8時(shí)，甲醇的純度就已達(dá)99.9%但過高的溶劑比會(huì)增加能耗和生產(chǎn)成本，因此，溶劑比選為0.9較合理。

3.4 回流比(物質(zhì)的量)的分析

本文分析了不同物質(zhì)的量回流比的分離效果，計(jì)算結(jié)果列于表7中。

表7 回流比的影響

由表7得出：塔頂甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨回流比的增加表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，回流比在0.8～1.2區(qū)間時(shí)，甲醇的純度不再變化，保持在99.95%。因此，回流比選0.8較為合理。

3.5 原料進(jìn)料位置的分析

本文分析了不同原料進(jìn)料板數(shù)的分離效果，計(jì)算結(jié)果列于表8中。

表8 原料進(jìn)料位置的影響

由表8得出：原料在第22塊塔板進(jìn)料時(shí)，甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)到達(dá)最高點(diǎn)，為99.95%，由此可知，本塔的精餾段塔板大于提餾段，因此，原料進(jìn)料位置選第22塊較為合理。

3.6 萃取劑進(jìn)料位置的分析

本文分析了不同萃取劑進(jìn)料板數(shù)的分離效果，計(jì)算結(jié)果列于表9中。

表9 萃取劑進(jìn)料位置的影響

由表9得出：萃取劑在第3塊塔板進(jìn)料時(shí)，甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到99.95%，大于或小于第3塊塔板，甲醇的純度均有所下降，因此，萃取劑進(jìn)料位置選第3塊較為合理。

3.7 萃取劑再生塔的模擬條件與結(jié)果

本文運(yùn)用Sensitivity工具對(duì)萃取劑再生塔的工藝參數(shù)和操作參數(shù)進(jìn)行了考察，確定了最佳工藝參數(shù)，詳見表10。

表10 萃取劑再生塔的最佳工藝參數(shù)

3.8 全流程的模擬結(jié)果

在以上優(yōu)化的工藝與操作條件下，全流程的模擬結(jié)果如表11所示。

表11 全流程的模擬結(jié)果

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用化工模擬軟件Aspen Plus中的Analysis功能和Radfrac模塊，對(duì)不同萃取劑進(jìn)行相對(duì)揮發(fā)度數(shù)據(jù)和分離效果進(jìn)行分析，選用環(huán)丁砜為最佳萃取劑。

(2)采用雙塔萃取精餾工藝分離甲醇-乙腈共沸物，運(yùn)用aspen plus軟件進(jìn)行全流程的模擬與優(yōu)化，得到甲醇的分離效果達(dá)99.95%，乙腈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.99%，萃取劑的補(bǔ)充量為0.008 kg//h。

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