分隔壁萃取精餾塔分離乙酸乙酯-異丙醇

索瀟萌, 戴　昕，虞　昊，張　浩，葉　青

(常州大學 石油化工學院，江蘇 常州213164)

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分隔壁萃取精餾塔分離乙酸乙酯-異丙醇

索瀟萌, 戴昕，虞昊，張浩，葉青

(常州大學 石油化工學院，江蘇 常州213164)

摘要：采用分隔壁萃取精餾塔，以乙二醇為溶劑將乙酸乙酯與異丙醇分離。基于裝置的實際條件進行Aspen Plus模擬，考察溶劑比、溶劑溫度、回流比等條件對其分離效果的影響，同時評估其經濟性。模擬得到理想的操作條件為左回流比3.5、右回流比1.5、溶劑比4、溶劑溫度90℃、混合物進料位置偏下。模擬結果表明，溶劑比和左側回流比、左側回流比和右側回流比在操作上存在關聯；其他條件一定時，溶劑溫度存在唯一值，使得兩側產品的質量分數同時達到最優；分隔壁塔與常規流程相比在經濟性上具有很大優勢，可節能11%和降低25%設備費。用實驗驗證模擬結果時，右側產品質量分數偏低，但可通過調節右側回流比解決這個問題。最終達到左側出料乙酸乙酯的質量分數為98.82%，右側出料異丙醇的質量分數為97.88%。

關鍵詞：分隔壁塔; 萃取精餾; 乙酸乙酯; 異丙醇; 節能

乙酸乙酯(常壓沸點77.2℃)和異丙醇(常壓沸點82.5℃)都是常用的化工有機溶劑。在制備氨芐西林鈉的過程中產生大量乙酸乙酯-異丙醇(EA-IPA)廢液，對廢液的回收利用可以減少排污和提高溶劑的利用率。但是，這兩種物質能形成最低共沸物(74%質量分數乙酸乙酯，101.3 kPa)，常規精餾無法實現高純度的分離。采用萃取精餾[1]、變壓精餾[2]、薄膜蒸發[3]、共沸精餾[4]可以對共沸物進行分離，但從能耗、技術成熟度、可操作性考慮，萃取精餾是分離沸點相近混合物或共沸物的主要選擇。萃取精餾的原理是，加入某一重組分溶劑以改變共沸物組分間的相對揮發度，從而實現分離提純。

工業上萃取精餾一般采用兩塔流程，即一塔萃取分離共沸物，一塔回收溶劑，如圖1所示。采用新興的分隔壁萃取精餾技術可以實現一塔式分離共沸物，達到降低設備投資和能耗的目的，其概念設計如圖2所示。在精餾塔內部置有一塊垂直的隔板聯通至塔的頂部，將塔的內部分割成左、右、下3個部分。左右部分相當于常規流程的萃取塔和回收塔，下部相當于兩塔共用的一個提餾段。由于分隔壁塔減少返混[5]，與常規的兩塔流程相比節能10%～20%。同時，只用一個塔同時完成萃取精餾和溶劑回收，少用1個塔和1個再沸器，設備投資減少20%～30%[6-8]。圖2中，V1為左側塔釜上升蒸氣量，V2為右側塔釜上升蒸氣量，V為總塔釜上升蒸氣量。

隨著節能要求的提升，分隔壁萃取精餾在其他領域的應用趨于活躍。關于分隔壁萃取精餾的研究以模擬為主，實驗研究卻少見[9-10]。筆者以乙酸乙酯-異丙醇為分離體系，參考分隔壁萃取精餾概念設計[11-13]，自行設計和建造了分隔壁萃取精餾實驗裝置，采用模擬[14-15]和實驗相結合的方法研究萃取精餾一些操作條件，同時評估了分隔壁塔的經濟性。

圖1　二塔常規萃取精餾示意圖

圖2　分隔壁萃取精餾分離乙酸乙酯(EA)-異丙醇(IPA)

1實驗部分

1.1　試劑

乙酸乙酯(EA)、異丙醇(IPA)，分析純，江蘇強盛功能化學股份有限公司產品；乙二醇，分析純，上海凌峰化學試劑有限公司產品。

1.2　分析方法

采用上海海欣色譜儀器公司GC-950氣相色譜儀分析萃取產物的組成。FID檢測器，彈性石英毛細管色譜柱，尺寸為30 m×0.32 mm×0.4 μm，固定相為5%SE-30；柱溫180℃，氣化溫度210℃，檢測室溫度210℃；載氣為N2，流量30 mL/min，進樣量為0.5 μL。色譜工作站軟件為N2000。

1.3　分隔壁萃取精餾實驗裝置及實驗方法

1.3.1分隔壁萃取精餾裝置

自制的分隔壁萃取精餾實驗裝置如圖3所示。根據分隔壁萃取精餾塔的概念設計，塔內上部用金屬板隔成萃取段和異丙醇段左、右兩個部分，隔板底部到塔釜為提餾段。左半部進行萃取精餾，乙酸乙酯從其頂部采出；右半部分離異丙醇和溶劑，異丙醇從其頂部采出；塔的底部采出經提餾段提純的乙二醇溶劑。

萃取段高度為1500 mm, 異丙醇段高度為1200 mm,提餾段高590 mm，塔內徑40 mm。內置隔板的厚度0.5 mm，位于內部截面的中心位置。溶劑進料口距離萃取段頂部120 mm，乙酸乙酯-異丙醇混合進料口距溶劑進料口下800 mm或1200 mm。全塔采用Dixon環(2 mm×2 mm)填充。塔釜為2000 mL三口燒瓶，采用800 W電熱包加熱，用熱電偶測量和控制塔釜溫度。采用冷卻水冷卻塔頂左、右兩側蒸氣出料，冷凝裝置為蛇形冷凝管。左、右兩個回流比相互獨立，均采用TC-1微電腦控制器控制。

采用油浴鍋加熱導熱油到特定溫度。采用蛇形冷凝管預熱裝置，以不同溫度的導熱油預熱溶劑和乙酸乙酯-異丙醇混合進料。采用數顯式蠕動泵控制混合物、溶劑和導熱油的流量。

圖3　分隔壁萃取精餾(EDWC)分離乙酸乙酯(EA)-

采用乙醇/異丙醇體系，結合芬克斯公式和安托因方程測定塔的總理論板數為20，以便為計算機模擬提供實際參數。根據各段填料高度的比例換算各段的理論板數，萃取段理論板數為14塊，異丙醇段為11塊，提餾段為6塊。溶劑進料位于第2塊板，乙酸乙酯-異丙醇進料位于第7塊或第11塊。

1.3.2實驗方法

實驗開始前，在塔釜內加入少量乙酸乙酯和溶劑乙二醇。

實驗開始，啟動溫控和回流比控制裝置，通電加熱塔釜，打開左、右兩側塔頂冷凝水，在全回流下操作。待全回流穩定，打開溶劑進料泵。待塔釜溫度達到實驗設定值后，打開乙酸乙酯-異丙醇混合進料泵，調整左、右兩側回流比，開始收集塔頂兩側出料。每30 min取樣一次并分析，直至左、右兩側產品組成恒定，停止實驗。乙酸乙酯與異丙醇進料的質量比為1，進料流速為0.340 kg/h。采用120℃的導熱油進行預熱，調整導熱油流速使混合物進料達到氣化狀態。

實驗考慮的操作條件包括溶劑比(即溶劑與混合物進料的質量比(S/F)，以下同)、溶劑溫度、左側回流比、右側回流比、進料位置、塔釜溫度等。由于分隔壁萃取精餾的操作變量多，變量間關聯性大，故在實驗前先進行模擬研究，以便直接找到可以參考的操作條件。

2結果與討論

2.1　分隔壁萃取精餾分離乙酸乙酯-異丙醇的模擬研究

采用文獻[16]提出的分隔壁三塔模型，結合實驗測定的理論板數和進料位置，在Aspen Plus上進行嚴格模擬，模擬過程如圖4所示。將分隔壁塔等價成一個三塔模型，每個塔都采用Aspen Plus軟件中的RadFrac模塊模擬。相比于其他模型，這個模型可固定氣相分配比(V1/V)。由于在實驗中分隔壁塔的隔板處于中心位置，故模擬時分配比的值取0.5[11,16]。理論板數、進料位置所在的理論板數和進料條件均采用實驗值。模擬主要對溶劑比，溶劑進料溫度，左、右側回流比等條件進行優化。采用的混合物進料流量為1000 kg/h。采用NRTL物性方程描述各組分氣-液平衡關系。

圖4　分隔壁萃取精餾(EDWC)的Aspen三塔模型圖

2.1.1溶劑比和左側回流比對分離效果的影響

在右側回流比為0.5、溶劑溫度為90℃、進料位置處于上部時，考察溶劑比和左側回流比對分離效果的影響。模擬研究發現，左側產品(D1)中乙酸乙酯質量分數受溶劑比和左側回流比的共同影響。圖5反映的是利用Aspen Plus中的Design Spec/Vary功能將D1中乙酸乙酯質量分數維持在99%，且塔釜(B1)乙二醇質量分數維持在99.9%時，左側回流比和溶劑比的關系。圖6為分隔壁萃取精餾模擬中能耗和溶劑比的關系。由圖5看到，回流比隨著溶劑比的增大而減小，這是因為增大溶劑量會減弱乙酸乙酯和異丙醇分子之間力的作用，使分離變得容易，也說明了溶劑比和左側回流比在實驗操作上存在關聯。由實驗結果可知，溶劑比和左回流比操作點可以分為3個區域。操作處于1區時，D1中乙酸乙酯質量分數不能達到設定值；操作處于2區時，D1中乙酸乙酯質量分數不能達到設定值，D2中異丙醇質量分數可以達到設定值；操作處于3區時，D1中乙酸乙酯質量分數和D2中異丙醇質量分數均可達到設定值。綜合圖5與圖6可知，若溶劑比和回流比過大，能耗會顯著增加，且回流比過大會給分離效果帶來負面影響，因為產品回流量過大會稀釋溶劑。因此操作點不應該過度偏離斜線。

圖5　分隔壁萃取精餾(EDWC)模擬中左回流比與

圖6　分隔壁萃取精餾(EDWC)模擬中能耗和

圖7為溶劑比對右側產品(D2)中異丙醇質量分數的影響。由圖7看到，隨著溶劑比的增大，D2中異丙醇質量分數升高。這是因為萃取段的乙酸乙酯和異丙醇的分離變好，更少的乙酸乙酯被夾帶到右側。故從模擬和分離效果上講，3區和1區的交線是可行的操作點，1、2、3區交界點是產品質量分數達到要求時能耗最低的操作點。當然，這個規律只是說明在其他操作條件確定的情況下，左側回流比和溶劑比存在數量上的關系。一旦其他操作條件改變，二者的數量關系也發生變化，操作點也發生變化。

圖7　分隔壁萃取精餾(EDWC)模擬中溶劑比(S/F)對

2.1.2右側回流比對分離效果的影響

在溶劑比為4、混合物進料處于下部時，考察右側回流比對分離效果和對左側回流比的影響。因為分隔壁塔本身就是高度熱耦合的精餾系統，塔頂2個冷凝器和再沸器之間存在熱量輸入與移出的平衡關系，因此改變右側回流比也會對分離產生很大影響。

圖8為分隔壁萃取精餾(EDWC)模擬中不同左側回流比下右側回流比對左側產品中乙酸乙酯和右側產品中異丙醇質量分數的影響。由圖8看到，右側回流比對分離效果影響十分明顯。在左側回流比一定的情況下，隨著右側回流比的上升，左側產品先大致維持恒定后逐步下降，右側產品的質量分數先逐步上升后大致維持恒定。當左側回流比確定時，存在唯一的右側回流比使得左、右兩側產品的質量分數同時達到最大。當左側回流比為3時，右側回流比設定在0.5處，兩側產品的質量分數較高；當左側回流比為3.5時，右側回流比設定在0.8處，兩側產品的質量分數較高；當左側回流比為4時，右側回流比設定在1.0處，兩側產品的質量分數較高；當左側回流比為4.5時，右側回流比應設定在1.6處，兩側產品的質量分數較高。即左、右兩側的回流比應該匹配才能得到較好的分離效果。

圖8　分隔壁萃取精餾(EDWC)模擬中不同左側回流比

當右側回流比增大時，再沸器熱量輸入增加，分隔壁左側分配到的熱量也增加；當熱量與萃取精餾所需熱量剛好相等時，分隔壁塔的分離效果較好。熱量偏多導致部分異丙醇從左側塔頂被帶出，造成D1中乙酸乙酯質量分數偏低；熱量偏少將導致乙酸乙酯不能完全從左側塔頂采出，而進入異丙醇段，造成右側出料中異丙醇質量分數偏低。

2.1.3溶劑溫度對分離效果的影響

在溶劑比為4、左側回流比為3.5、右側回流比為0.8時，考察溶劑溫度對分離效果的影響，結果見圖9。

圖9　分隔壁萃取精餾(EDWC)模擬中溶劑溫度對

由圖9可知，在60～90℃溶劑溫度范圍內，D1中乙酸乙酯質量分數可以保持在98%以上，但超過90℃后，質量分數開始降低；D2中異丙醇質量分數

隨溶劑溫度升高逐漸上升，但超過90℃后，質量分數保持在95%左右，基本不變。兩種產品的質量分數都在溶劑溫度為90℃時較高。

一般情況下，溶劑對目的產物的選擇性隨溫度的升高而下降[17]。溶劑溫度較低時，溶劑選擇性高，異丙醇蒸氣全部夾帶進乙二醇溶劑，故D1中乙酸乙酯的質量分數高；若溶劑溫度過低，部分乙酸乙酯會被帶入提餾段，導致D2中異丙醇質量分數下降。溶劑溫度過高時，溶劑選擇性會有所降低，萃取段中乙酸乙酯和部分異丙醇從左側塔頂餾出，故D1中乙酸乙酯質量分數變低，而D2中異丙醇質量分數維持較高。綜上所述，溶劑溫度應控制在90℃。

2.1.4乙酸乙酯-異丙醇混合物進料位置對分離效果的影響

在實驗裝置中，乙酸乙酯-異丙醇進料有上、下2個可選的進料位置，分別位于理論板的第7和第11塊。在左側回流比3.5、溶劑比4、溶劑溫度90℃條件下，考察不同的進料位置對分離效果的影響。結果顯示，混合進料位于第7塊板時，左側乙酸乙酯質量分數為97.57%，右側異丙醇質量分數為94.52%；混合進料位于第11塊板時，左側乙酸乙酯質量分數可達99.02%，右側異丙醇質量分數可達97.85%，后者的分離效果優于前者。這是因為下部進料使得溶劑和混合物進料之間的接觸時間變長，更有利于萃取分離。故混合物應使用下部位置進料。

2.1.5經濟性評價

考察分隔壁萃取精餾塔的經濟性，通常在實現相同分離程度的條件下與常規兩塔流程比較[18-20]，結果列于表1。根據常規流程中兩塔的作用和分隔壁塔3個部分功能的比較，萃取塔塔板數是分隔壁塔的萃取段和提餾段的塔板數之和，而溶劑回收塔的塔板數是分隔壁塔的異丙醇段與提餾段塔板數之和。與常規流程相比，分隔壁塔節能11%，總設備費用減少25%。

表1　分隔壁萃取精餾(EDWC)模擬分離乙酸乙酯(EA)-異丙醇(IPA)的經濟性比較

C1—The extractive distillation column; C2—The entrainer recovery column

2.2　分隔壁萃取精餾分離乙酸乙酯-異丙醇體系模擬結果與實驗結果的對比

由上述模擬結果得到最優的模擬條件為溶劑比4、溶劑溫度90℃、左側回流比3.5、右側回流比0.8、塔釜溫度197℃、下部位置進料。將最優的模擬結果直接運用到實驗中，重復多次，模擬結果與實驗結果列于表2。從表2可見，實驗1得到的 D1中EA的質量分數最高，且稍優于模擬結果，但D2中異丙醇質量分數低于模擬結果。這個差異是由于Aspen Plus模擬研究未能考慮到塔內部流體力學的差異；在萃取段內，溶劑向下流動和混合物向下接觸的同時也影響了氣態物質的向上傳遞，即左側的熱輸入量少于其在模擬研究的熱輸入。解決的方法是增大右側的回流比，使得從提餾段上升到萃取段和異丙醇段的蒸氣增多，從而實現左、右兩側的熱量再平衡。實驗2是其他條件不變，右側回流比改為1.5時的結果，實驗結果與模擬結果大致相符。實驗3是其他條件不變，將右側回流比調整為2.0時的結果；與實驗1結果相較，D2中異丙醇質量分數上升，但是D1中乙酸乙酯質量分數有所下降。原因是左、右兩側熱量分配未能達到平衡，左側分配的熱量增多，導致部分異丙醇從塔的左側采出。故本實驗最優操作條件為左側回流比3.5、右側回流比1.5、溶劑比4、溶劑溫度90℃、下部位置進料。

表2　分隔壁萃取精餾分離乙酸乙酯-異丙醇實驗結果與

S/F=4; Left reflux ratio of 3.5; Solvent temperature of 90℃; The feed location at 11thor lower position

3結論

(1) 根據分隔壁萃取精餾塔實驗裝置的參數和條件，建立EDWC三塔模型并研究分離乙酸乙酯-異丙醇的操作條件。模擬結果表明，在右側回流比一定的情況下，左側回流比和溶劑比存在操作上的關聯，且存在使分離效果和節能效果最優的溶劑比和左側回流比。在溶劑比，左、右回流比和進料位置確定的情況下，存在使分離乙酸乙酯-異丙醇達到最優的溶劑溫度。在本實驗的條件下，混合物進料位置處于精餾塔下部較好。模擬達到的質量分數為左側產品乙酸乙酯質量分數為99.02%，右側產品異丙醇質量分數為97.85%。

(2) 分隔壁萃取精餾塔與常規兩塔流程相比，能節能11%和降低設備費25%。

(3) 實驗結果和模擬結果存在差異。D2中異丙醇質量分數達不到模擬時的結果。通過調節右側回流比，改變隔板兩側熱量的重新分配可以解決這個問題，最終得到左側產品乙酸乙酯質量分數為98.82%，右側產品異丙醇質量分數為97.88%。

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Separation of Ethyl Acetate-Isopropyl Alcohol by Extractive Dividing Wall Column

SUO Xiaomeng, DAI Xin, YU Hao, ZHANG Hao,YE Qing

(InstituteofPetrochemicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213164,China)

Abstract：An extractive dividing wall column (EDWC) was established and used for separating ethyl acetate-isopropyl alcohol (EA-IPA). Operation conditions including solvent ratio, solvent temperature, reflux ratio and etc. were investigated by using ethylene glycol as solvent. Based on the actual conditions of the EDWC, simulations were run to obtain ideal operating conditions, and economics of EDWC was also evaluated. The ideal operation conditions were left reflux ratio of 3.5, right reflux ratio of 1.5, solvent ratio of 4, solvent temperature of 90℃ and feed location of EA-IPA mixture at lower position. The simulation result revealed that there existed operation relationship between left reflux ratio and solvent ratio. Solvent temperature should be fixed when other conditions were given so that the purities of left and right distillations could be maximized at the same time. EDWC had a great advantage in economics with energy consumption reduced by 11% and capital cost shorted by 25%, compared with conventional extractive distillation. Experimental results conducted based on simulation results showed that the purity of the right distillation was lower than the simulation results, which could be solved by adjusting right reflux ratio. Finally, the mass fraction of EA in the left distillation was 98.82%, and that of IPA in the right distillation was 97.88%.

Key words：dividing wall column; extractive distillation; ethyl acetate; isopropyl alcohol；energy-saving

中圖分類號：TQ028.1

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.01.015

文章編號：1001-8719(2016)01-0111-08

基金項目：中國石油化工股份有限公司基金項目(411024)資助

收稿日期：2014-08-06

第一作者： 索瀟萌，女，碩士研究生，從事傳質與分離新型分離技術方面的研究

通訊聯系人： 葉青，女，教授，從事化工分離過程方面的研究；Tel:0519-86330355;E-mail:huagonglou508@126.com