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        Aspen 模擬乙醇-水體系的共沸精餾

        2021-05-10 12:32:00
        浙江化工 2021年4期
        關(guān)鍵詞:沸物板數(shù)精餾塔

        (江西贛鋒鋰業(yè)股份有限公司,江西 新余 338000)

        無(wú)水乙醇是重要的化工原料之一,廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、涂料、化妝品、食品、染料等方面。在能源領(lǐng)域,乙醇也占有一席之地,可以部分替代汽油用作清潔可再生燃料,受到了越來(lái)越多研究者的青睞[1]。國(guó)家發(fā)改委提出:2020 年我國(guó)全國(guó)范圍內(nèi)將推廣使用車用乙醇汽油,基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

        乙醇汽油是由90%汽油和10%乙醇混合而成的,水含量是車用乙醇汽油的重要指標(biāo)。然而,乙醇能與水以任意比互溶,并能與水形成共沸物,造成組分分離提純困難,因此,乙醇的分離一直是無(wú)水乙醇生產(chǎn)過(guò)程中的一大難題[2]。

        目前,制備無(wú)水乙醇的方法主要有萃取精餾法[3]、膜分離法[4]、吸附法[5]、共沸精餾[6]等。萃取精餾法是通過(guò)加入特殊的添加劑,改變乙醇水溶液的相對(duì)揮發(fā)度,使其易于分離,添加劑可以是乙二醇、氯酸鈣、氯化銅等。萃取精餾法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作費(fèi)用較低,然而鹽的回收仍有待攻克。膜分離技術(shù)是利用乙醇和水分子直徑的不同,讓乙醇水溶液通過(guò)特定孔徑的膜,從而達(dá)到分離的效果。膜分離具有設(shè)備體積小、操作方便等特點(diǎn),但膜組件的壽命短,后期更換費(fèi)用較大。吸附法包括分子篩吸附法、生物質(zhì)吸附法等,主要是分子篩、谷物對(duì)水有一定的選擇性吸附。吸附法具有勞動(dòng)強(qiáng)度低、低污染等特點(diǎn),但吸附劑的吸附容量有限,后期的再回收等問(wèn)題仍有待改善。共沸精餾制備無(wú)水乙醇是目前規(guī)模最大、機(jī)械化程度最高的方法。在乙醇水溶液中加入共沸劑,使原體系形成沸點(diǎn)最低的三元共沸物,三元共沸物經(jīng)后期簡(jiǎn)單的處理,可將原共沸劑回收再利用。

        本文運(yùn)用Aspen 軟件模擬乙醇水溶液的提純工藝過(guò)程。(1)對(duì)低濃度的乙醇水溶液(15 wt%)進(jìn)行普通蒸餾處理,得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的乙醇-水共沸物;(2)以苯為共沸劑,優(yōu)化工藝參數(shù),得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.67%的無(wú)水乙醇;(3)得到的乙醇-苯-水三元共沸物,可經(jīng)過(guò)多次萃取處理,得到高純度的苯,苯經(jīng)回收后循環(huán)再利用[7]。

        1 共沸精餾工藝模擬

        1.1 工藝初步模擬

        某工廠生產(chǎn)得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的乙醇水溶液,預(yù)制備高濃度的無(wú)水乙醇。通過(guò)查閱相應(yīng)的資料,得到乙醇-苯-水三元共沸物的特性表,見(jiàn)表1。

        表1 乙醇-苯-水三元共沸物的特性表

        從表1 中可以看出,乙醇-苯-水的三元共沸點(diǎn)為64.85 ℃,較乙醇的沸點(diǎn)78.3 ℃低,并且相對(duì)溫差較大,適合分離。因此,本文以苯為共沸劑,通過(guò)共沸精餾,制備高純度的無(wú)水乙醇。

        從表1 還可以看出,乙醇-苯-水三元共沸物的組成分別為18.5 wt%、7.4 wt%、74.1 wt%。其中,水和苯的質(zhì)量比為1:10,因此,進(jìn)入共沸精餾塔的水濃度越高,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質(zhì)量比為1:4,隨著苯加入量的增加,乙醇的量也越多。因此,首先對(duì)低濃度的乙醇水溶液進(jìn)行普通精餾處理,得到質(zhì)量濃度為95%的乙醇-水共沸物,再以苯為共沸劑進(jìn)行共沸精餾,得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%的無(wú)水乙醇。其主要的工藝流程見(jiàn)圖1。

        圖1 共沸精餾制備無(wú)水乙醇的Aspen 工藝流程模擬圖

        從圖1 可以看出,原15 wt%乙醇水溶液經(jīng)過(guò)普通精餾塔T101 分離,在T101 塔的塔頂?shù)玫?579.1 kg/h 的95 wt%乙醇水溶液,根據(jù)表1 的理論數(shù)據(jù),估算在共沸精餾過(guò)程中,苯的加入量為1579.1×0.05÷7.4×74.1=790.6 kg/h。經(jīng)過(guò)模擬、收斂,得到實(shí)際苯的加入量為792.3 kg/h,與理論估算值一致。經(jīng)共沸精餾塔T102 分離,T102 塔塔底得到純度大于99.5 wt%的無(wú)水乙醇。

        1.2 工藝優(yōu)化

        本文對(duì)共沸精餾塔的塔板數(shù)和進(jìn)料位置進(jìn)行了優(yōu)化,圖2 和圖3 分別是共沸精餾塔塔底乙醇濃度和塔板數(shù)(N)、進(jìn)料位置(F)的關(guān)系圖。

        從圖2 可以看出,隨著塔板數(shù)的增加,共沸精餾塔塔底乙醇的濃度先增加后減??;在塔板數(shù)為11 塊時(shí),塔底乙醇的濃度最大,為99.52 wt%。因此,確定共沸精餾塔的塔板數(shù)為11。

        從圖3 可以看出,隨著進(jìn)料位置的變化,共沸精餾塔塔底乙醇的濃度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),在進(jìn)料位置為第6 塊塔板時(shí),塔底乙醇的濃度達(dá)到最大,為99.67 wt%。因此,選取第6 塊塔板為共沸精餾塔的進(jìn)料位置。

        圖2 塔底乙醇濃度隨塔板數(shù)的變化圖

        圖3 塔底乙醇濃度隨進(jìn)料位置的變化圖

        1.3 物料衡算

        通過(guò)對(duì)乙醇-苯-水體系共沸精餾工藝條件的優(yōu)化,得到乙醇-苯-水三元體系共沸精餾物料平衡表,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

        表2 乙醇-苯-水共沸精餾物料平衡表

        從表2 可以看出,原15 wt%的乙醇水溶液,經(jīng)過(guò)Aspen 模擬,得到了純度為99.67 wt%的無(wú)水乙醇。

        2 結(jié)論

        利用Aspen 軟件模擬乙醇-苯-水體系的共沸精餾工藝流程,通過(guò)對(duì)共沸精餾塔的塔板數(shù)、進(jìn)料位置的優(yōu)化,得到共沸精餾塔塔板數(shù)為11 塊、進(jìn)料位置為第6 塊塔板時(shí),共沸精餾塔塔底得到的乙醇純度最高,為99.76 wt%。

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