王國君

繼續(xù)教育

丙酮和乙醇分離的模擬及設(shè)計(jì)

王國君

（浙江誠信醫(yī)化設(shè)備有限公司，浙江臺(tái)州318012）

借助Aspen Plus，對(duì)丙酮和乙醇體系精餾過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，采用簡捷法、嚴(yán)格精餾計(jì)算法分別對(duì)初始組分為含丙酮60%和乙醇40%的混合液（F=1000kg·h-1,P=0.12MPa,T=30℃）進(jìn)行模擬，再采用塔設(shè)計(jì)規(guī)定，設(shè)定塔頂丙酮含量99.17%，塔底乙醇含量99%，計(jì)算出實(shí)際回流比為R=2.71,塔底餾出物/進(jìn)料摩爾比為0.454。再采用靈敏度分析模擬得出結(jié)果為實(shí)際理論塔板數(shù)30塊、進(jìn)料板位置23塊時(shí)塔熱負(fù)荷最低，其再沸器熱負(fù)荷為336.713kW。塔內(nèi)填充CY700型不銹鋼絲網(wǎng)波紋填料，塔徑為0.65m。

ASPEN PLUS；丙酮；乙醇；靈敏度；回流比

精餾是化工行業(yè)中應(yīng)用很廣的一種單元操作，在精餾塔的實(shí)際運(yùn)行過程中，由于操作條件的波動(dòng)，其分離效果和生產(chǎn)能力經(jīng)常發(fā)生變化，因此，精餾塔操作性能的分析一直是技術(shù)人員研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于影響精餾分離的因素很多且呈非線性關(guān)系，使此類問題頗為復(fù)雜和靈活，成為化工精餾研究中的難點(diǎn)[1]。

從二十世紀(jì)50年代開始，人們就開始利用計(jì)算機(jī)解決化工過程的數(shù)學(xué)問題，目前，化工過程模擬已成為化學(xué)工程技術(shù)人員普遍采用的技術(shù)手段。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的快速提高以及軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性大大增強(qiáng)，應(yīng)用范圍不斷拓寬，在化工過程開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)操作的控制與優(yōu)化、操作培訓(xùn)和技術(shù)改造等方面均有應(yīng)用。Aspen Plus是基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的大型化工流程模擬軟件。是唯一能處理帶固體、電解質(zhì)、生物質(zhì)和常規(guī)物料等復(fù)雜體系的流程模擬系統(tǒng)。

本項(xiàng)目的原料為藥廠生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢溶劑，主要含有丙酮、乙醇，此類廢溶劑必須回收，否則會(huì)污染環(huán)境。若得到回收并將其進(jìn)行有效分離，則可獲得數(shù)量可觀的乙醇、丙酮等有機(jī)化工原料，同時(shí)也減少了由于排放對(duì)環(huán)境造成的污染。另外，乙醇和丙酮作為一種資源應(yīng)用也非常廣泛[2]。通過分離可以回收高純度丙酮、乙醇，繼續(xù)用于醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)中。市場分析及效益預(yù)測，本技術(shù)適合制藥企業(yè)，不僅大大降低藥品的生產(chǎn)成本，而且可以避免廢溶劑的環(huán)境污染問題，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 化工物性數(shù)據(jù)的查詢

精餾塔設(shè)計(jì)前提需有二元系統(tǒng)汽液平衡數(shù)據(jù)，在化學(xué)工程手冊上[3]及其他相關(guān)文獻(xiàn)上無報(bào)道丙酮和乙醇組分的恒壓下二元系統(tǒng)汽液平衡數(shù)據(jù)。

圖書館內(nèi)關(guān)于化工物性數(shù)據(jù)的專著、手冊、圖冊、教材琳瑯滿目，對(duì)于新加入化工領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，查找物性數(shù)據(jù)往往耗時(shí)很多，而使用大型化工流程模擬軟件查找、計(jì)算、估算化工物性數(shù)據(jù)，Aspen Plus則提供了一條查找物性數(shù)據(jù)的快捷通道，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的化工工程師，掌握軟件的物性數(shù)據(jù)查找、估算、計(jì)算功能，也會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)工作提供一個(gè)事半功倍的利器，大大提高工作效率，成為設(shè)計(jì)工作者愛不釋手的有利工具[4]。乙醇和丙酮恒壓下二元系統(tǒng)汽液平衡數(shù)據(jù)可由此軟件數(shù)據(jù)庫調(diào)出。

2 精餾操作型問題具體分析

一套分離丙酮和乙醇混合液的連續(xù)精餾裝置，借助Aspen Plus軟件模擬，對(duì)丙酮和乙醇進(jìn)行模擬計(jì)算。設(shè)計(jì)任務(wù)為含丙酮60%和乙醇40%的混合液（F=1000kg·h-1,P=0.12MPa,T=30℃）用精餾塔分離，塔頂丙酮含量指標(biāo)99.17%，塔底乙醇含量指標(biāo)99.0%（均為重量百分?jǐn)?shù)）。

2.1 簡捷算法（DSTWU）模擬

丙酮（ACETONE），沸點(diǎn)為56.12℃[5]。和乙醇（ETHANOL），選擇“NTRL”物性方法，實(shí)際回流比/最小回流比選取1.5。根據(jù)產(chǎn)品純度要求，計(jì)算可得輕關(guān)鍵組分在餾出物中的回收率為99.33%，重關(guān)鍵組分在餾出物中的回收率為1.26%。

塔頂產(chǎn)品流量：

塔底殘液流量：

故輕關(guān)鍵組分在餾出物中的回收率為：

重關(guān)鍵組分在餾出物中的回收率為：

冷凝器壓力為0.1MPa，再沸器壓力為0.103MPa。模擬結(jié)果見表1、2。

表1 模擬運(yùn)算結(jié)果（DSTWU）Tab.1Results of simulate calculation（DSTWU）

表2 模擬運(yùn)算結(jié)果（DSTWU）Tab.2Results of simulate calculation（DSTWU）

2.2 嚴(yán)格精餾算法（Radfrac）

進(jìn)料參數(shù)同簡捷算法流股，選用塔板數(shù)30塊，塔頂采用全凝器，塔底采用釜式再沸器，汽-液有效相態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)收斂方法，回流比2.183，塔底餾出物/進(jìn)料摩爾比0.455，加料板位置在21塊，塔頂冷凝器壓力0.1MPa，全塔壓降0.003MPa，并設(shè)計(jì)規(guī)定塔頂丙酮含量99.17%，塔底乙醇含量99.0%，回流比變量區(qū)間設(shè)定為1～10，塔底餾出物/進(jìn)料摩爾比變量區(qū)間設(shè)定為0.3～0.8。模擬結(jié)果得回流比R=2.71,塔底餾出物/進(jìn)料摩爾比0.454。實(shí)際塔板數(shù)30塊能分離丙酮和乙醇，達(dá)到期望目標(biāo)值。模擬結(jié)果見表3。

表3 模擬運(yùn)算結(jié)果（Radfrac）Tab.3Results of simulate calculation（Radfrac）

2.3 靈敏度分析

分析進(jìn)料位置和塔板數(shù)變化對(duì)再沸器熱負(fù)荷的影響，選用模塊分析工具（Model Analysis Tools）中的靈敏度分析。定義操縱變量分別為塔板數(shù)和進(jìn)料位置。塔板數(shù)（NSTAGE）從25增到30，增量為1。進(jìn)料位置從20增到23，增量為1。對(duì)靈敏度分析結(jié)果作圖，縱坐標(biāo)選擇再沸器熱負(fù)荷，自變量是進(jìn)料位置，參變量是理論板數(shù)，做再沸器熱負(fù)荷曲線，如圖1。

圖1 不同理論板數(shù)時(shí)再沸器熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化Fig.1Change of heat load of the re boiling heat load with the feeding position of different theoretical plates

從圖1可以看出，理論板數(shù)增加，曲線的最小值減少，即最佳進(jìn)料位置時(shí)的熱負(fù)荷減少，操作費(fèi)用減少，但是塔的制造費(fèi)用增加。進(jìn)料板在23塊時(shí)，再沸器熱負(fù)荷最低，其值336.713kW。

2.4 塔徑計(jì)算

采用填料精餾塔，內(nèi)部填充高效的不銹鋼絲網(wǎng)波紋填料CY700，它具有比表面積大，液體均布能力強(qiáng)，塔體阻力小，傳質(zhì)、傳熱效率高，操作彈性大，安裝檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，此填料的主要技術(shù)指標(biāo)為：比表面積≥700m2·m-3，水力直徑5mm，傾角45°，空隙率85%，密度350kg·m-3，每塊理論板壓降67Pa,每米填料理論板數(shù)為8～10塊。與同樣生產(chǎn)能力的板式塔相比，節(jié)能降耗。因此，實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)品質(zhì)量好，消耗低，易操作，工藝指標(biāo)調(diào)整快[6-8]。

在Pack Sizing設(shè)計(jì)模擬計(jì)算塔內(nèi)徑為0. 696m，最大負(fù)荷分率0625，再經(jīng)Pack Rating校核模擬計(jì)算塔內(nèi)徑0.65m，最大負(fù)荷分率0.719,塔壓降0.0013MPa。

3 結(jié)語

Aspen Plus化工模擬系統(tǒng)中的Radfrac精餾模型，能方便快捷地應(yīng)用于精餾塔的設(shè)計(jì)和操作分析，而且可以節(jié)省大量的人力和物力資源，大大提高工作效率，優(yōu)化生產(chǎn)操作工藝條件。

［1］張治山，高軍，李敏，等.Aspen Plus在精餾操作分析中的應(yīng)用［J］.中國教育技術(shù)裝備，2010，（15）:95-96.

［2］姜斌，吳菲，隋紅，等.甲醇-丙酮共沸物分離的研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2010，29（3）:397-400.

［3］時(shí)鈞，汪家鼎，余國琮，等.化學(xué)工程手冊（第二版上卷）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.6-13.

［4］包宗宏，武文良.化工計(jì)算與軟件應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.1-5.

［5］孔鵬，高瑞.變壓精餾分離甲醇-丙酮的工藝模擬及工藝［J］.化工進(jìn)展，2013，32（11）:2583-2587.

［6］周國慶，辛田.化工工藝設(shè)計(jì)手冊（第四版上冊）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.479-480.

［7］顧朝暉，張曉素.絲網(wǎng)波紋填料在精甲醇裝置中的應(yīng)用［J］.河南化工，2007，（24）:44-53.

［8］全國化工化學(xué)工程設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.HG/T21559.3-2005不銹鋼絲網(wǎng)波紋填料［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2006.

Simulation and design of acetone and ethanol separation

WANG Guo-jun
（Zhejiang Chengxin Pharm&Chem Euipment Co.,Ltd.,Taizhou 318012，China）

By using Aspen Plus，simulation of acetone and ethanol distillation process，using DSTWU and Rad－Frac,each group was divided into the initial mixture containing 60%acetone and 40%ethanol were simulated（F= 1000kg·h-1,P=0.12MPa,T=30℃）,then use the tower design specs,set the acetone content is 99.17%,the bottom of the tower is 99%ethanol content,calculation results of actual reflux ratio is 2.71,bottoms to feed ratio is 0.454.using sensitivity analysis,the simulation results of number of actual stages is 30,feed stage is 23,the reboiler duty is 336.713kW,the tower is filled CY700 stainless steel wire mesh corrugated packing,the tower diameter is 0.65 meters.

Aspen Plus；acetone；ethanol；sensitivity；reflux ratio

TQ028.3

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170226

2016-10-24

王國君（1978-），男，浙江臺(tái)州人，工程師，2009年畢業(yè)浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝，研究方向：從事精細(xì)化工裝備設(shè)計(jì)工作。