唐建可,丁玉,薛彥峰

(太原工業(yè)學(xué)院 化學(xué)與化工系,山西 太原 030008)

苯(Benzene)又稱(chēng)安息油,化學(xué)式為C6H6,常壓下沸點(diǎn)為80.10 ℃,是重要化工原料之一,其產(chǎn)能和技術(shù)水平可體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家的石化發(fā)展程度[1];乙醇(Ethanol)又稱(chēng)酒精,化學(xué)式為C2H5OH,常壓下沸點(diǎn)為78.32 ℃,是重要清潔能源之一。由于兩者沸點(diǎn)相差較小,且會(huì)形成二元共沸物,共沸溫度為68.24 ℃[2],用普通精餾很難實(shí)現(xiàn)兩者有效分離。

目前,路建美等[3]通過(guò)滲透汽化分離苯和乙醇,發(fā)現(xiàn)該方法對(duì)溫度范圍和膜性能均有一定的要求。李政[4]采用熱集成-變壓精餾分離苯和乙醇,發(fā)現(xiàn)該操作下常壓塔和高壓塔所需回流比較大,且高壓塔的壓力較大。萃取精餾通過(guò)引入萃取劑改變組分間相對(duì)揮發(fā)度,可實(shí)現(xiàn)兩者分離;變壓精餾利用共沸點(diǎn)隨壓力變化而改變的特性,進(jìn)行共沸物分離,有工藝簡(jiǎn)單、無(wú)雜質(zhì)引入等優(yōu)勢(shì)[5]。本研究通過(guò)萃取精餾和變壓精餾兩種特殊精餾方法分別對(duì)苯和乙醇進(jìn)行分離模擬研究,要求產(chǎn)品純度達(dá)到99.00%以上。

1 萃取劑的選取

萃取精餾需選取適宜萃取劑來(lái)實(shí)現(xiàn)共沸物的高效分離。圖1和圖2為加入丙三醇前后苯和乙醇混合物體系的氣液平衡相圖。發(fā)現(xiàn)加入丙三醇后,苯和乙醇之間的共沸被打破。故本模擬研究可用丙三醇作萃取劑。

圖1 苯-乙醇?xì)庖浩胶庀鄨D

2 萃取精餾分離苯和乙醇的模擬研究

2.1 模擬流程

萃取精餾分離苯和乙醇采用雙塔模型,如圖3所示。B1塔是萃取精餾塔,其中S1流股進(jìn)料為丙三醇,S2流股進(jìn)料為苯和乙醇混合物,S3流股出料主要為乙醇和丙三醇的混合物,S4流股出料主要組分為苯。B2塔為溶劑回收塔,S5流股出料主要組分為丙三醇,S6流股出料主要組分為乙醇。

圖3 萃取精餾分離苯和乙醇的工藝流程圖

2.2 模擬條件

在NRTL熱力學(xué)模型下,估算苯和乙醇的共沸組成,物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為55.5%和44.5%,發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)共沸組成[6]相差較小,其中苯和乙醇實(shí)驗(yàn)共沸組成物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為55.2%和44.8%,故它們的分離可選用NRTL熱力學(xué)模型。加入丙三醇后,缺失的二元交互作用參數(shù)由UNIFAC方程估算。

2.3 工藝優(yōu)化

混合物和丙三醇進(jìn)料量均為1 000 kg/h,其中混合物中苯和乙醇各占50%。萃取精餾塔以50為塔的理論板數(shù),27為混合物進(jìn)料位置,4為萃取劑進(jìn)料位置,1.0為回流比,1.0為溶劑比。通過(guò)靈敏度分析工具分析不同因素對(duì)苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響,優(yōu)選出最佳參數(shù)。

2.3.1 多種因素對(duì)苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由圖4～8可知,萃取精餾塔的理論塔板數(shù)、混合物進(jìn)料位置、萃取劑進(jìn)料位置、回流比及溶劑比對(duì)苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有影響。苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨理論板數(shù)增多而增加,在33塊理論塔板數(shù)時(shí)呈現(xiàn)出較平緩趨勢(shì),因此理論板數(shù)選取33。苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨混合物進(jìn)料位置的下移呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì),在28塊塔板達(dá)到最大,這是由于進(jìn)料位置過(guò)低時(shí)提餾段過(guò)窄,會(huì)縮短氣液接觸時(shí)間,傳質(zhì)效果變差,導(dǎo)致塔釜出料時(shí)帶走一部分輕組分苯,使分離效果變差。苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨丙三醇進(jìn)料位置的下移呈現(xiàn)出減小趨勢(shì),丙三醇進(jìn)料位置在萃取精餾塔上部可保持塔內(nèi)較高萃取劑濃度,隨萃取劑進(jìn)料位置的下移萃取精餾段理論板數(shù)減少,影響了輕重組分的有效分離,因此選擇第2塊板為萃取劑進(jìn)料位置。苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨回流比的增大呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì),回流比在1.1時(shí)達(dá)最大值。當(dāng)回流比過(guò)大時(shí),即苯的回流量變大,相當(dāng)于降低了溶劑比,使萃取精餾塔分離能力降低[7]。苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溶劑比的增大呈現(xiàn)出先增大后平緩的趨勢(shì),當(dāng)溶劑比達(dá)到3.0時(shí)趨勢(shì)變緩。如繼續(xù)增加萃取劑用量,則會(huì)導(dǎo)致成本加大。

圖4 萃取精餾塔理論板數(shù)的優(yōu)化

圖5 萃取精餾塔混合物進(jìn)料位置的優(yōu)化

圖6 萃取精餾塔萃取劑進(jìn)料位置的優(yōu)化

圖7 萃取精餾塔回流比的優(yōu)化

圖8 溶劑比的優(yōu)化

2.3.2 多種因素對(duì)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

同樣對(duì)溶劑回收塔進(jìn)行模擬優(yōu)化,得到以下最優(yōu)參數(shù):5為理論板數(shù),3為進(jìn)料位置,1.0為回流比。在最優(yōu)參數(shù)條件下,可從B1塔頂獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.62%的苯產(chǎn)品,從B2塔頂獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.62%的乙醇產(chǎn)品。

3 變壓精餾分離苯和乙醇的模擬研究

3.1 模擬流程

利用NRTL模型,模擬得到常壓(101.325 kPa)和高壓(520 kPa)下苯-乙醇的共沸組成,共沸組成相差5%以上,滿(mǎn)足變壓精餾分離要求[8]。變壓精餾流程模擬選用循環(huán)式雙塔模型,如圖9所示,T1為常壓塔,T2為高壓塔,混合物料先后進(jìn)入常壓塔和高壓塔,其中包括泵P(520 kPa)、混合器MIX,流股3采出乙醇產(chǎn)品,流股6采出苯產(chǎn)品。

圖9 變壓精餾分離苯和乙醇的工藝流程圖

3.2 工藝參數(shù)

混合物進(jìn)料量為1 000 kg/h,在苯和乙醇的進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為50%的條件下,進(jìn)行變壓精餾分離苯和乙醇的模擬研究。規(guī)定T1塔釜物流3和T2塔釜物流6中苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別小于0.50%和大于99.00%。進(jìn)行物料衡算后得到常壓塔塔釜物流3流量為497.46 kg/h,高壓塔塔釜物流6流量為502.54 kg/h,高壓塔頂循環(huán)物流7流量為1 098.60 kg/h。

3.3 模擬結(jié)果

通過(guò)Aspen Plus軟件模擬,在常壓塔中18為理論板數(shù),8為進(jìn)料位置,3.0為回流比;在高壓塔中16為理論板數(shù),10為進(jìn)料位置,3.0為回流比,基于以上條件,可得到常壓塔塔釜乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.52%,高壓塔塔釜苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.01%,滿(mǎn)足苯和乙醇的分離要求。

4 結(jié)論

采用萃取精餾和變壓精餾對(duì)苯和乙醇混合物進(jìn)行了分離模擬研究,苯和乙醇進(jìn)料組成均為50%。萃取精餾采用的萃取劑為丙三醇,優(yōu)化得到苯和乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為99.62%;變壓精餾流程通過(guò)常壓塔(101.325 kPa)和高壓塔(520 kPa)串聯(lián)而成,可得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.52%的乙醇和99.01%的苯。