萃取精餾分離四氫呋喃/水共沸物系的Aspen模擬

黃動(dòng)昊， 張志剛， 鄭立嬌， 呂 明， 賈 鵬， 李文秀

(沈陽化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

萃取精餾分離四氫呋喃/水共沸物系的Aspen模擬

黃動(dòng)昊， 張志剛， 鄭立嬌， 呂 明， 賈 鵬， 李文秀

(沈陽化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

以從制藥廢液中回收四氫呋喃為例，詳細(xì)研究萃取精餾過程的Aspen Plus模擬和優(yōu)化.通過實(shí)驗(yàn)與熱力學(xué)模型預(yù)測的對(duì)比確定NRTL方程能更準(zhǔn)確地描述THF-水-DMSO三元混合物系氣液相平衡;分析THF-水-DMSO三元混合物系剩余曲線說明DMSO是萃取精餾分離該共沸物系的可行萃取劑;設(shè)計(jì)萃取精餾分離工藝流程并以萃取精餾塔為例，運(yùn)用靈敏度分析對(duì)過程進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明：200 kmol/h進(jìn)料量的常壓萃取精餾，塔板數(shù)22，萃取劑和原料液分別在第4和第18塊板進(jìn)料，回流比1.0，溶劑比0.45的條件下可得到純度高于99.85 %的THF，回收率高于99.5 %.

模擬； Aspen Plus； 四氫呋喃-水； 萃取精餾； 靈敏度分析

四氫呋喃(THF)是一種重要的有機(jī)合成原料和聚合物單體，同時(shí)又是優(yōu)良的工業(yè)溶劑[1-2]，從制藥廢液中回收THF及工業(yè)合成THF后的純化過程中會(huì)遇到THF與水的分離過程.THF是一種極性較強(qiáng)的環(huán)醚，質(zhì)子受體溶劑，能與水形成很強(qiáng)的氫鍵作用[3-4]，雖然二者沸點(diǎn)相差較大，但常壓下THF與水仍能形成最低共沸物，共沸溫度65 ℃，其中THF摩爾分?jǐn)?shù)81.7 %[5-6]，因此常壓下普通精餾法無法得到高純度THF.萃取精餾是分離共沸物系的有效方法[7-9].二甲基亞砜(DMSO)是一種典型的氫鍵破壞劑，能夠有效地破壞THF和水之間的氫鍵進(jìn)而打破二者的共沸.本文運(yùn)用Aspen Plus流程模擬軟件[10-13]，采用DMSO為萃取劑(也稱溶劑)，模擬萃取精餾分離某制藥廠產(chǎn)生的含THF廢液(x(THF)=80 %)，回收溶劑THF.通過靈敏度分析優(yōu)化得到可行的操作參數(shù)，為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究及工業(yè)應(yīng)用提供理論參考.

1 物性方法選擇

流程模擬準(zhǔn)確的關(guān)鍵在于選擇合適的相平衡模型.分別采用NRTL、Wilson、UNIFAC等經(jīng)典熱力學(xué)模型預(yù)測w(DMSO)=20 %時(shí)THF-水-DMSO三元混合物系氣液相平衡并與實(shí)驗(yàn)值比較，結(jié)果見圖1.

圖1 DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 %時(shí)三元混合物系氣液相平衡實(shí)驗(yàn)及模型預(yù)測

從圖1可以看出：NRTL模型預(yù)測的數(shù)據(jù)適中，與實(shí)驗(yàn)值吻合程度更高，因此采用NRTL模型進(jìn)行模擬計(jì)算；另外，DMSO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 %的THF-水之間的共沸已經(jīng)被明顯打破，因此以DMSO為溶劑將能大大節(jié)約溶劑用量，進(jìn)而節(jié)約能耗.

2 溶劑可行性

剩余曲線是萃取精餾設(shè)計(jì)和分析的有效工具，可以對(duì)溶劑的可行與否提供參考.以DMSO為溶劑，采用NRTL模型繪制三元混合物系剩余曲線，如圖2所示.圖2中包含了一個(gè)不穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)(THF和水的共沸點(diǎn))和一個(gè)穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)(DMSO頂點(diǎn))以及兩個(gè)鞍點(diǎn)(THF、水頂點(diǎn)).隨著時(shí)間的增長，剩余曲線都是從最低共沸點(diǎn)狀態(tài)向溶劑增多方向延伸，直到匯聚為一點(diǎn)，可以得出塔釜混合溶液中溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增多，最終塔釜中只剩下溶劑，可知DMSO是分離THF-水的可行萃取劑.

圖2 常壓THF-水-DMSO三元混合物系剩余曲線

3 萃取精餾流程

圖3為模擬設(shè)計(jì)流程.原料液經(jīng)換熱器E1預(yù)熱后經(jīng)流股3進(jìn)入萃取精餾塔C1，與循環(huán)回來的溶劑DMSO(流股4)在塔中充分接觸后，從流股8餾出高純度的四氫呋喃.水和DMSO從塔釜經(jīng)流股5餾出后通過泵打入溶劑回收塔C2.C2塔塔頂(流股7)餾出水，塔釜回收得到溶劑經(jīng)流股9進(jìn)入E1與原料液充分換熱后回到C1塔循環(huán)利用.

圖3 萃取精餾分離THF-水工藝流程

4 靈敏度分析

萃取精餾過程關(guān)鍵在于萃取精餾塔，因此實(shí)驗(yàn)以萃取精餾塔C1為例運(yùn)用靈敏度分析對(duì)各主要操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，詳細(xì)分析各參數(shù)對(duì)精餾過程的影響.模擬初始操作條件見表1.

表1 萃取精餾塔初始工藝參數(shù)

4.1 塔板數(shù)對(duì)分離過程的影響

保持其他初始參數(shù)不變，改變塔板數(shù)對(duì)分離過程的影響見圖4.隨著塔板數(shù)的增加塔頂四氫呋喃摩爾分?jǐn)?shù)xD逐漸增大，22塊板之后基本不變；另外，再沸器負(fù)荷QR及冷凝器負(fù)荷QC只有略微增大，說明塔板數(shù)增多對(duì)能耗影響不大.塔板數(shù)的增加直接導(dǎo)致設(shè)備投資增大，因此22塊板為適宜的塔板數(shù).

圖4 塔板數(shù)對(duì)分離過程的影響

4.2 進(jìn)料位置對(duì)分離過程的影響

原料液及溶劑進(jìn)料位置對(duì)分離過程的影響分別見圖5，圖6.

圖5 原料液進(jìn)料位置對(duì)分離過程的影響

圖6 溶劑進(jìn)料位置對(duì)分離過程的影響

從圖5、圖6可以看出此兩股進(jìn)料位置過高都不利于節(jié)約能耗.圖5說明靠近塔釜進(jìn)料有利于提高塔頂四氫呋喃的含量，因?yàn)檫M(jìn)料位置靠近塔釜增加了上升蒸汽與液相回流的接觸時(shí)間，傳質(zhì)交換更充分，因此原料液在第18塊板進(jìn)料較為合適.與前者類似，改變?nèi)軇┻M(jìn)料位置塔頂四氫呋喃含量也出現(xiàn)峰值(見圖6)，這是因?yàn)檫M(jìn)料位置過高，溶劑容易被上升蒸汽夾帶至塔頂冷凝器，過低精餾段變短都會(huì)使塔頂四氫呋喃含量下降.綜合考慮在第4塊板加入溶劑比較合適.

4.3 回流比對(duì)分離過程的影響

從圖7可以看出：隨著回流比增大，xD先增大后減小，回流比在1.0附近取得最大值，這是因?yàn)檫m當(dāng)增加回流比有利于精餾過程的傳質(zhì)，但過大會(huì)稀釋塔板上的溶劑，導(dǎo)致塔頂純度下降；回流比增加需要上升蒸汽量增大因此能耗增加較快，但回流比為1.0時(shí)能耗仍在可接受范圍之內(nèi)，因此將回流比定為1.0.

圖7 回流比對(duì)分離過程的影響

4.4 溶劑比對(duì)分離過程的影響

圖8反映了溶劑比(溶劑與原料液進(jìn)料的摩爾比)對(duì)分離過程的影響.溶劑比增大溶劑與二元物系作用更充分，塔頂四氫呋喃含量迅速增大，0.45之后增加不明顯，由于溶劑沸點(diǎn)較高，隨著溶劑比增大再沸器負(fù)荷急劇增大，但只有極少量的溶劑進(jìn)入冷凝器，所以冷凝器負(fù)荷基本保持不變，綜合考慮，此處溶劑比選擇0.45.

圖8 溶劑比對(duì)分離過程的影響

5 模擬結(jié)果

經(jīng)過一系列靈敏度分析優(yōu)化得到萃取精餾塔適宜的設(shè)計(jì)及操作參數(shù)，如表2所示.由于水和DMSO沸點(diǎn)相差很大，普通精餾即可達(dá)到回收溶劑的目的.溶劑回收塔可以預(yù)先運(yùn)用DSTWU簡捷計(jì)算出回流比、塔板數(shù)等基本操作參數(shù)，見表3.其進(jìn)行靈敏度分析過程與萃取精餾塔類似，這里不再贅述.溶劑回收塔的主要設(shè)計(jì)及操作參數(shù)見表4.本次模擬連續(xù)萃取精餾分離THF-水共沸物系最終可得到純度為99.856 %(摩爾分?jǐn)?shù))的THF，回收率為99.544 %，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)要求，具體流股信息見表5.

表2 萃取精餾塔主要工藝參數(shù)

表3 溶劑回收塔DSTWU簡捷計(jì)算結(jié)果

表4 溶劑回收塔主要工藝參數(shù)

表5 主要流股模擬結(jié)果

6 結(jié) 論

運(yùn)用Aspen Plus 流程模擬軟件對(duì)連續(xù)萃取精餾分離THF-水二元共沸物系進(jìn)行詳細(xì)模擬計(jì)算.通過實(shí)驗(yàn)及模型預(yù)測的比較說明NRTL方程能夠很好地描述THF-水-DMSO的三元相平衡.通過三元混合物系的剩余曲線分析得到DMSO是萃取精餾分離THF-水的可行溶劑.以萃取精餾塔為例進(jìn)行了一系列靈敏度分析，系統(tǒng)考察各主要操作變量對(duì)產(chǎn)品純度及能耗的影響，綜合分析后得到較優(yōu)的設(shè)計(jì)及操作條件，最終模擬結(jié)果能夠滿足生產(chǎn)要求，詳見表2～表4，給實(shí)際生產(chǎn)提供了參考.

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Extractive Distillation of Tetrahydrofuran/Water Mixture Simulated by Aspen

HUANG Dong-hao, ZHANG Zhi-gang, ZHENG Li-jiao, Lü Ming, JIA Peng, LI Wen-xiu

(Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang 110142, China)

In this paper,we take the instance of recovering THF from pharmaceutical wastes to investigate the simulation and optimization of extractive distillation process using Aspen Plus.Firstly,the contrast of experimental data with thermodynamic model prediction indicates that NRTL model describes the VLE behavior of THF-water-DMSO system more accurately.Analyzing the residue curve map of THF-water-DMSO system shows that DMSO is a feasible entrainer.The extractive distillation process is established and optimized taking extraction distillation column as an instance through sensitivity analysis.The influences of process parameters are explored.The results show that while the feed rate is set as 200 kmol/h under atmospheric pressure,stage number 22,entrainer and the binary mixture fed on 4thand 18thstage respectively， reflux ratio 1.0,solvent ratio 0.45 is optimized condition under which we can obtain THF purer than 99.85 %,and the recovery of THF can be higher than 99.5 % meeting the requirements of industrial design.

simulation; Aspen Plus; tetrahydrofuran-water; extractive distillation; sensitivity analysis

2013-12-10

國家自然科學(xué)基金(21076126);遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀科技人才支持計(jì)劃(LR2012013)

黃動(dòng)昊(1988-)，男，河南開封人，碩士研究生在讀，國家獎(jiǎng)學(xué)金獲得者，主要從事傳質(zhì)與分離方面的研究.

張志剛(1968-)，男，吉林長春人，教授，博士，主要從事傳質(zhì)與分離方面的研究.

2095-2198(2015)03-0211-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.03.005

TQ028.3

A