摘 """""要： 為研究一種萃取精餾分離乙二胺和水二元共沸體系的工藝，通過(guò)Aspen Plus開(kāi)展模擬設(shè)計(jì)，以1，4-丁二醇為萃取劑進(jìn)行萃取精餾分離，并采用序貫迭代算法以最小年總費(fèi)用為目標(biāo)確定了萃取精餾分離乙二胺-水的最佳穩(wěn)態(tài)工藝參數(shù)。對(duì)于40%摩爾分?jǐn)?shù)乙二胺、60%摩爾分?jǐn)?shù)水的進(jìn)料組成，經(jīng)過(guò)該工藝分離可得到摩爾分?jǐn)?shù)為99.7%的水和99.5%的乙二胺。

關(guān) "鍵 "詞：乙二胺； 萃取精餾； 序貫迭代算法； Aspen Plus模擬

中圖分類號(hào)：TQ028.3 """""文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A """""文章編號(hào)： 1004-0935（2025）03-0461-04

乙二胺是一種無(wú)色油狀透明液體，其化學(xué)式為C₂H₈N₂。它易溶于水、乙醇，微溶于乙醚，可與水、正丁醇、甲苯形成共沸混合物。乙二胺是一種重要的化工中間體，在有機(jī)合成、印染、電鍍、農(nóng)藥、醫(yī)藥等眾多工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用^[1]。目前乙二胺的合成主要采用乙醇胺氨化法制取乙二胺（MEA法）^{[1， 2]}，反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的水會(huì)與乙二胺形成最高沸點(diǎn)共沸物系。

對(duì)于共沸物系，常規(guī)精餾方法難以將其分離，因此，需要采用一些特殊的精餾方法，如變壓精餾^[3-7]或萃取精餾^[8-10]。變壓精餾往往需要提高壓力以使共沸組成發(fā)生改變，但同時(shí)也造成了能耗的增加。萃取精餾通過(guò)向體系中引入萃取劑，改變組分之間的相對(duì)揮發(fā)度，可以實(shí)現(xiàn)共沸物的有效分離。這種方法可以簡(jiǎn)化操作流程，同時(shí)也無(wú)需提供額外能耗，因此具有重要的研究意義。

本研究以1，4-丁二醇為萃取劑，設(shè)計(jì)了一種萃取精餾分離乙二胺-水共沸體系的工藝，并在保證分離純度的情況下，以最小年總費(fèi)用為目標(biāo)，采用序貫迭代算法進(jìn)行優(yōu)化，確定了最佳操作參數(shù)。

1 "穩(wěn)態(tài)模型的建立

進(jìn)料條件如下：乙二胺與水的進(jìn)料摩爾分率分別為40%和60%，進(jìn)料流量為100 kmol·h^-1，進(jìn)料溫度為25"℃，進(jìn)料壓力為1 atm。設(shè)計(jì)要求乙二胺和水的產(chǎn)品摩爾純度不低于99.5%。

模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于適當(dāng)?shù)奈镄苑椒?。本研究參照其他文獻(xiàn)^[3，11]，采用了Aspen Plus軟件自帶的UNIQUAC模型。

一個(gè)合適的萃取劑可以有效改變?cè)薪M分間的相對(duì)揮發(fā)度，降低分離難度。本研究考察了1，4-丁二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇和丙三醇4種物質(zhì)，得到的相對(duì)揮發(fā)度曲線如圖1所示?？梢钥闯?，未添加萃取劑時(shí)，相對(duì)揮發(fā)度曲線與對(duì)角線存在一個(gè)交點(diǎn)，在該點(diǎn)液相與氣相組成相同，即產(chǎn)生了共沸現(xiàn)象。添加丙三醇后，依然存在著共沸現(xiàn)象，該溶劑不可作為萃取劑；分別添加1，4-丁二醇、1，2丙二醇、1，3丙二醇3種溶劑后，相對(duì)揮發(fā)度曲線與對(duì)角線產(chǎn)生明顯偏離，說(shuō)明溶劑的添加可以有效改變組分間的相對(duì)揮發(fā)度，且以1，4-丁二醇的效果最好，本研究選擇該溶劑作為萃取劑。

乙二胺與水構(gòu)成最高沸點(diǎn)共沸物。該工藝中，原料與萃取劑首先進(jìn)入萃取精餾塔（extractive distillation column，EDC）。萃取劑的存在改變了原有組分間的相對(duì)揮發(fā)度，于是水從EDC塔頂餾出，塔底則是乙二胺與萃取劑的混合物，二者隨后進(jìn)入萃取劑回收塔（entrainer recovery column， ERC）。由于1，4-丁二醇與乙二胺不發(fā)生共沸，所以該塔可將二者分離。乙二胺的沸點(diǎn)較高，作為重組分從塔底采出，而萃取劑則從塔頂餾出，經(jīng)冷卻器降溫后重新匯入EDC，以進(jìn)行新一輪的分離。通過(guò)這種循環(huán)往復(fù)的分離過(guò)程，最終可以在EDC和ERC塔底獲得高純度的水合乙二胺產(chǎn)品。在該工藝中，EDC和ERC均采用RadFrac模塊進(jìn)行模擬。乙二胺-水體系的萃取精餾初始工藝流程圖如圖2所示。

2 "設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化

2.1 "評(píng)價(jià)指標(biāo)

年總費(fèi)用（total annual cost，TAC）主要包括設(shè)備投資費(fèi)用和操作費(fèi)用^[12-13]。設(shè)備投資費(fèi)用與操作費(fèi)用所需數(shù)據(jù)如表1所示。設(shè)備回收期設(shè)定為3年，TAC計(jì)算如式（1）所示。

年總費(fèi)用=操作費(fèi)用+ 設(shè)備投資費(fèi)用 回收期 """"（1）

2.2 "優(yōu)化方法

本研究采用序貫迭代算法^[14-17]，以最小TAC為目標(biāo)，對(duì)流程中的萃取劑用量，塔板數(shù)以及進(jìn)料位置分別進(jìn)行了優(yōu)化。在優(yōu)化過(guò)程中，萃取劑用量S被設(shè)定為最外層的循環(huán)變量，理論塔板數(shù)（N_EDC、N_ERC）為次內(nèi)層迭代變量，回流比（RR₁、RR₂）與進(jìn)料位置（N_F1、N_R、N_F2）為最內(nèi)層迭代變量。優(yōu)化流程如圖3所示。值得一提的是，當(dāng)萃取劑用量與塔板數(shù)確定后，設(shè)備投資費(fèi)用隨之確定，TAC僅與操作費(fèi)用相關(guān)。而在操作費(fèi)用的計(jì)算中，為再沸器供熱的熱公用工程占據(jù)操作費(fèi)用的主體地位，于是選擇了再沸器熱負(fù)荷來(lái)比較其經(jīng)濟(jì)性，減少了一部分計(jì)算量。

2.3 "優(yōu)化結(jié)果分析

增大萃取劑的用量雖然能夠提高產(chǎn)品的純度，但同時(shí)會(huì)增加塔底再沸器的熱負(fù)荷，進(jìn)而使TAC升高。圖4表明，萃取劑用量與TAC正相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)萃取劑用量低于300"kg·h^-1時(shí)，流程在給定操作條件下無(wú)法達(dá)到分離要求；當(dāng)S為300"kg·h^-1"時(shí)，可分離得到符合要求的水合乙二胺產(chǎn)品，且TAC值最小，因此，確定萃取劑的最佳流量為300"kg·h^-1。在當(dāng)前萃取劑用量下，繼續(xù)優(yōu)化兩個(gè)塔的塔板數(shù)，進(jìn)料位置及回流比。

根據(jù)圖5和圖6可以看出，隨著EDC與ERC的塔板數(shù)的增加，TAC均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，最優(yōu)塔板數(shù)分別為48和12。分析可知，當(dāng)塔板數(shù)增加時(shí)，設(shè)備投資費(fèi)用會(huì)相應(yīng)增加，但是分離難度降低，在滿足純度要求的條件下設(shè)計(jì)規(guī)定會(huì)減小回流比，進(jìn)而導(dǎo)致操作費(fèi)用降低。二者增減的幅度不一致，綜合作用下形成了這種趨勢(shì)。在優(yōu)化EDC的兩個(gè)進(jìn)料位置時(shí)，由于兩個(gè)變量需要同時(shí)優(yōu)化，因此產(chǎn)生了大量的組合，其中很大一部分無(wú)法使得程序收斂，其余可行組合并未顯示出明顯趨勢(shì)，難以進(jìn)行分析。本研究按照序貫迭代優(yōu)化程序選擇了使Q_reb最小的進(jìn)料位置，原料進(jìn)料位置為12，萃取劑進(jìn)料位置為10，ERC進(jìn)料位置為7。

綜上所述，本研究采用序貫迭代算法對(duì)萃取精餾分離乙二胺-水工藝的主要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了一組最優(yōu)的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。EDC的最優(yōu)參數(shù)：塔板總數(shù)為48，進(jìn)料位置為12，回流位置為10，此時(shí)的回流比為0.077；ERC的最優(yōu)參數(shù)：塔板總數(shù)為12，進(jìn)料位置為7，此時(shí)的回流比為0.530。優(yōu)化后的流程如圖7所示。該工藝的年總費(fèi)用為"""""""1"818.81×10³美元?年^-1，與初始工藝流程相比節(jié)約了42%。

3 "結(jié) 論

本研究選擇1，4-丁二醇作為萃取劑，采用萃取精餾工藝對(duì)乙二胺-水二元共沸體系進(jìn)行分離，并通過(guò)序貫迭代算法對(duì)萃取劑用量、塔板數(shù)、進(jìn)料位置和回流比進(jìn)行了優(yōu)化，確定了最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。該工藝設(shè)計(jì)可從兩塔塔頂分別獲得產(chǎn)品乙二胺和水，其摩爾純度均達(dá)到99.5%以上。這項(xiàng)研究的思路對(duì)于其他共沸物系的分離也具有一定的指導(dǎo)意義。

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Design of Extractive Distillation for Separation of Ethylenediamine and Water

PENG Zekong¹， WANG Yan¹， CUI Yong¹， LI Shuang²， ZHAI Jian¹

（1."School of Environmental and Chemical Engineering， Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China;

2."Liaoning Chemical Industry Association，"Shenyang Liaoning 110000， China）

Abstract："A process for separating the binary azeotropic system of ethylenediamine and water using an extractive distillation was studied. The simulation and design were performed using Aspen Plus， with 1，4-butanediol as the extractant for the extraction distillation separation. Sequential iterative algorithm was employed to determine the optimal steady-state process parameters for ethylenediamine-water extractive distillation with the objective of minimizing total annual cost. For a feed composition consisting of 40% mole fraction ethylenediamine and 60% mole fraction water， this process can achieve separation into water with a mole fraction of 99.7% and ethylenediamine with a mole fraction of 99.5%. The minimum total annual cost is calculated to be 1 818.81×10³"$?year^-1.

Key words："Ethylenediamine;"Extractive distillation;"Sequential iterative algorithm;"Aspen Plus simulation