基于Aspen Plus異丙醇異丙醚水三元體系模擬分離

李成帥

(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061)

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基于Aspen Plus異丙醇異丙醚水三元體系模擬分離

李成帥

(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061)

采用乙二醇做萃取劑，在選用UNIFAC物性分析方法的基礎(chǔ)上，用Aspen Plus中的Radfrac模型，研究了不同操作參數(shù)(如回流比、塔板數(shù)、流出率、進(jìn)料位置以及萃取精餾塔萃取劑的用量等)對(duì)精餾過(guò)程的影響，并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)進(jìn)行了靈敏度分析。結(jié)果表明：對(duì)于處理量為1 t/h，含異丙醚為7wt%，異丙醇13wt%，水為80wt%的物料，采用多級(jí)精餾的方式可以實(shí)現(xiàn)水中異丙醇的含量小于20 mg/L，異丙醚含量小于100 mg/L的要求，且乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%以上，可以循環(huán)使用。

乙二醇；Aspen Plus；異丙醇；異丙醚；共沸物

異丙醇是一種重要的有機(jī)化工原料和性能優(yōu)良的有機(jī)溶劑[1]。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)異丙醇的主要方法是丙烯水合法[2]，即以丙烯和水為原料，采用酸性或陽(yáng)離子交換樹(shù)脂催化，經(jīng)水合成。生產(chǎn)過(guò)程中將產(chǎn)生含有異丙醚、異丙醇和水的高濃度有機(jī)廢水。

本文以常溫常壓含異丙醇、異丙醚和水的高濃度有機(jī)廢水為研究對(duì)象，廢水中含異丙醚為7wt%，異丙醇13wt%，水為80wt%，使用Aspen Plus[3]模擬軟件設(shè)計(jì)合理的精餾分離步驟，回收該廢水中的異丙醚、異丙醇。

1 工藝流程設(shè)計(jì)

查閱文獻(xiàn)資料可知，采用乙二醇做萃取劑，以打破異丙醇、異丙醚、水的共沸平衡[4]?？紤]到廢水中水的含量比較多，所以采用先除水的方法，一級(jí)精餾塔塔頂主要得到異丙醚、異丙醇以及少量水的混合物，而塔釜得到基本純凈的水(水中異丙醇的含量小于20 mg/L，異丙醚含量小于100 mg/L)；一級(jí)精餾塔塔頂餾出液進(jìn)入二級(jí)精餾塔，在二級(jí)精餾塔上部加入萃取劑乙二醇，在二級(jí)精餾塔塔頂?shù)玫椒弦蟮漠惐?異丙醚濃度≥98wt%)。與此同時(shí)，塔釜釜液為異丙醇和少量水的混合物。為提高異丙醇的濃度，在三級(jí)精餾塔再次加入萃取劑乙二醇。三級(jí)精餾塔塔頂?shù)玫椒弦蟮漠惐?異丙醇濃度≥99%)，塔釜釜液為乙二醇和微量水。經(jīng)過(guò)四級(jí)精餾塔，塔釜萃取劑乙二醇純度達(dá)到99.9%，可用于再次重復(fù)利用于二級(jí)和三級(jí)的萃取。

工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝模擬流程圖

2 流程參數(shù)的模擬優(yōu)化

2.1 工藝流程模擬計(jì)算

2.1.1 熱力學(xué)模型的選擇

異丙醇的生產(chǎn)合成過(guò)程中的副產(chǎn)物異丙醚能和異丙醇、水相互之間在常壓下形成二元或三元共沸體系，增加了模擬計(jì)算及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的困難。文獻(xiàn)[5]指出，采用UNIFAC物性分析方法可以得到較滿意的結(jié)果。

2.1.2 選擇單元操作計(jì)算模型

Aspen Plus模擬系統(tǒng)可以計(jì)算所有單元操作，包括物流、混合與分散、閃蒸與換熱、分離過(guò)程、反應(yīng)過(guò)程、泵及壓縮機(jī)等。其中對(duì)于分離過(guò)程Aspen Plus提供了三個(gè)簡(jiǎn)捷法整流模型和四種嚴(yán)格多級(jí)分離模型。對(duì)于含共沸物的單元操作過(guò)程，先用DSTWU的對(duì)精餾塔進(jìn)行初值模擬，再選用Radfrac模型進(jìn)行模擬計(jì)算，最后用敏感性分析(Sensitivity)優(yōu)化。

2.1.3 設(shè)計(jì)變量的確定

作為一個(gè)精餾模擬，下列參數(shù)必須確定：進(jìn)出物料性質(zhì)，包括溫度、壓力、流量、組成、進(jìn)料位置等；塔的性質(zhì)，包括塔板數(shù)、回流比、回流量、再沸器及冷凝器熱負(fù)荷等。

2.2 模擬計(jì)算結(jié)果

表1 模擬結(jié)果

注：二級(jí)精餾塔原料的進(jìn)料位置是8，萃取劑乙二醇的進(jìn)料位置是6。三級(jí)精餾塔原料的位置設(shè)計(jì)25，萃取劑進(jìn)料位置是4。

2.3 參數(shù)的優(yōu)化

模擬的最終目的是為了優(yōu)化流程，以達(dá)到某方面的效益最佳，如經(jīng)濟(jì)效益最佳，節(jié)能效果最佳等。在建立全流程分析過(guò)程中采用Aspen Plus中的Sensitivity analysis模塊對(duì)流程中的塔設(shè)備進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化和靈敏度分析，這些參數(shù)包括各個(gè)精餾塔的塔板數(shù)、回流比、流出率、進(jìn)料位置以及萃取精餾塔萃取劑的用量等相關(guān)參數(shù)。在模擬過(guò)程中，以達(dá)到產(chǎn)品純度的要求為目的。

2.3.1 一級(jí)精餾塔參數(shù)的優(yōu)化

我們以第一個(gè)為例，進(jìn)行了模擬優(yōu)化。

(1)以理論塔板數(shù)為橫坐標(biāo)，以水的純度為縱坐標(biāo)，得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 一級(jí)精餾塔塔釜水的純度隨塔板數(shù)的變化曲線圖

分析圖2可知：隨著塔板數(shù)的增加，產(chǎn)品的分離效果越好，即一級(jí)精餾塔塔底水的純度越高。當(dāng)塔板數(shù)為24時(shí)，水的質(zhì)量純度為99.99%，符合要求；繼續(xù)增大塔板數(shù)，水的的含量基本不再增加，且設(shè)備費(fèi)用增加，所以選擇一級(jí)精餾塔的塔板數(shù)為24。

(2)以進(jìn)料位置為橫坐標(biāo)，以水的純度為縱坐標(biāo)，得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3 一級(jí)精餾塔塔釜水純度隨進(jìn)料位置變化曲線圖

分析圖3所示可知：隨著進(jìn)料位置的變化，分離水的純度大小剛開(kāi)始不變，當(dāng)塔板數(shù)為25時(shí)水的純度開(kāi)始逐漸變小?？紤]對(duì)后續(xù)異丙醇、異丙醚的分離影響，確定進(jìn)料位置為20。

2.3.2 二級(jí)精餾塔的優(yōu)化

考慮到二級(jí)精餾塔加入了萃取劑，因此我們對(duì)二級(jí)精餾塔的參數(shù)也進(jìn)行了優(yōu)化。得到的結(jié)果如下：

(1)以理論塔板數(shù)為橫坐標(biāo)，異丙醚的純度為縱坐標(biāo)，得到圖4，分析圖4可知：隨著塔板數(shù)的增加，異丙醚的分離效果越好，即二級(jí)精餾塔塔頂異丙醚的純度越高。當(dāng)塔板數(shù)為12時(shí)，異丙醚的質(zhì)量純度為99.77%，繼續(xù)增大塔板數(shù)，異丙醚的含量基本不再增加，且設(shè)備費(fèi)用增加，所以選擇二級(jí)精餾塔的塔板數(shù)為12。

圖4 二級(jí)精餾塔頂異丙醚純度隨塔板數(shù)的變化曲線圖

以乙二醇進(jìn)料位置為橫坐標(biāo)，分離異丙醚的質(zhì)量純度為縱坐標(biāo)，如圖5所示。

圖5 二級(jí)精餾塔異丙醚的純度隨萃取劑進(jìn)料位置的變化

由圖5可知，隨著進(jìn)料的位置變化，異丙醚純度隨著進(jìn)料位置變化而變化。經(jīng)綜合考慮，選定第6塊板為第二級(jí)精餾乙二醇進(jìn)料位置。

(2)在二級(jí)精餾塔中，以一級(jí)精餾塔進(jìn)料(即W-1)的位置為橫坐標(biāo)，分離異丙醚的純度為縱坐標(biāo)作圖，得到圖6。

圖6 二級(jí)精餾塔異丙醚的純度隨進(jìn)料位置的變化曲線圖

由圖6可知，隨著進(jìn)料(W-1)的位置變化，異丙醚的純度在進(jìn)料位置為第8塊塔板時(shí)達(dá)到最大值99.77%。經(jīng)綜合考慮，選定第8塊板為第二級(jí)精餾塔的進(jìn)料位置。

(3)在二級(jí)精餾塔中，以萃取劑進(jìn)料(即W-1)的流率為橫坐標(biāo)，分離異丙醚的質(zhì)量純度為縱坐標(biāo)作圖，得到圖7。

圖7 異丙醚純度隨著萃取劑進(jìn)料量的變化曲線圖

由圖7可知，隨著進(jìn)料(W-1)的位置變化，分離水的質(zhì)量濃度在進(jìn)料位置為第8塊塔板時(shí)達(dá)到最大值99.77%。異丙醚純度隨萃取劑流量大小的變化取160 kg/h最合適。

3 結(jié) 論

3.1 產(chǎn)品純度

從模擬的物流表中可以看到產(chǎn)品物流，D-2中異丙醚濃度≥

98wt%，D-3中異丙醇濃度≥99wt%符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

3.2 水中異丙醚、異丙醇的含量

從模擬的物流表中可以看到最終產(chǎn)品物流(W-1)，水中異丙醇的含量小于20 mg/L，異丙醚含量小于100 mg/L，均符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

該項(xiàng)目生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了原料的循環(huán)利用，較少的材料的投入，較低能量損耗，符合大環(huán)境下綠色生產(chǎn)的要求。

3.3 設(shè)計(jì)創(chuàng)新特色

(1)乙二醇的循環(huán)

為提高異丙醚和異丙醇的純度，萃取劑采用2:1的進(jìn)料方式，分別在二級(jí)精餾塔和三級(jí)精餾塔加入乙二醇；采用四級(jí)精餾塔對(duì)乙二醇再次提純，使得萃取劑的純度達(dá)到得以重新循環(huán)利用，節(jié)省了成本。

(2)節(jié)能環(huán)保

設(shè)計(jì)過(guò)程中采用Aspen Plus對(duì)工藝流程進(jìn)行了模擬，并且進(jìn)行了靈敏度分析。同時(shí)結(jié)合實(shí)際對(duì)設(shè)備合理優(yōu)化，以達(dá)到技術(shù)水平先進(jìn)、工藝過(guò)程環(huán)保、運(yùn)行操作穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益顯著等目的。

總而言之本設(shè)計(jì)用Aspen Plus分析，保證了產(chǎn)品異丙醇的純度，合理的回收利用異丙醇，同時(shí)水中異丙醇和異丙醚的含量也達(dá)到要求。并且進(jìn)行循環(huán)設(shè)計(jì)，萃取劑得以循環(huán)使用，大大降低了能耗，節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)效益好。

[1] 崔小明.異丙醇的生產(chǎn)應(yīng)用及市場(chǎng)分析[J].化工科技市場(chǎng),2002,25(9):12-16.

[2] 劉中民,朱書(shū)魁.丙烯直接水合法生產(chǎn)異丙醇技術(shù)[J].精細(xì)與專用化學(xué)品,2005,1(15):1-4.

[3] 孫蘭義.化工流程模擬實(shí)訓(xùn)-Aspen Plus教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2012:100-200.

[4] 葉青.異丙醚-水三元共沸物分離[J].化工進(jìn)展,2011,30(7):1435-1437.

[5] 黃路,葉青.異丙醇-異丙醚-水三元共沸物分離[J].石油與天然氣化工,2010:25-30.

Seperation of Isopropyl Ether, Isopropyl Alcohol and Water Based on Aspen plus

LI Cheng-shuai

(Shengli College China university of Petroleum, Shandong Dongying 257061, China)

Glycol was used as the extracting agent. The Aspen Plus was used to simulate the rectification parameters, including reflux ratio，plate number and feed stage. The Radfrac and sensitivity were chosen for simulation. The results indicated that when the volume was 1 t/h which contained 7wt% isopropyl ether, 13wt% isopropanol and 80wt% water, multiple rectification realized that the content of isopropanol was lower than 20 ppm and the content of isopropyl ether was lower than 100 ppm. The other result showed that glycol can be recycled.

glycol; Aspen Plus; isopropanol;isopropyl ether; azeotrope

TQ009

B

1001-9677(2016)023-0135-03