化工過程的萃取精餾教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置

陳金慶， 呂宏凌， 汪 佳， 劉雪暖

(中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266580)

化工過程的萃取精餾教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置

陳金慶， 呂宏凌， 汪 佳， 劉雪暖

(中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院 重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266580)

采用過程工程的序貫?zāi)K法設(shè)計(jì)并組建了乙二醇連續(xù)萃取精餾乙醇-水恒沸物系的實(shí)驗(yàn)裝置。由UNIQUAC活度系數(shù)模型預(yù)測(cè)汽液相平衡，結(jié)合萃取傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)MESHRF模型優(yōu)化設(shè)計(jì)精餾塔，采用θ環(huán)填料和透明塔體組裝成溶劑回收、精餾和提餾三段式連續(xù)萃取精餾實(shí)驗(yàn)裝置，將萃取精餾和萃取劑回收雙塔流程優(yōu)化為單塔流程,以便于學(xué)生可獨(dú)立設(shè)計(jì)和操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所研制教學(xué)裝置能實(shí)現(xiàn)恒沸物系的萃取精餾分離，99%乙醇收率達(dá)91.6%，萃取劑回收率94.3%。

萃取精餾； 序貫?zāi)K法；θ環(huán)填料； 乙二醇； 乙醇-水恒沸體系

0 引 言

萃取精餾是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的一種特殊分離方法，主要用于分離普通精餾難以處理的含絡(luò)合物、熱敏物質(zhì)、恒沸組成及相對(duì)揮發(fā)度接近1的互溶物系；其基本原理是向精餾塔中引入1種或2種可以與待分離混合物相溶的溶劑，破壞待分離組分間的相對(duì)揮發(fā)度，達(dá)到分離沸點(diǎn)相近組分的目的。萃取精餾從原理上可突破普通精餾汽液相平衡限制，已廣泛應(yīng)用于石油、精細(xì)化工、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域的基本有機(jī)化工品純化分離和提濃[1-2]。著名的青蒿素就是通過乙醚或汽油浸取后經(jīng)超臨界萃取蒸餾而實(shí)現(xiàn)提純[3]。

萃取精餾工藝一般是三元以上多組分的分離過程，所涉及基礎(chǔ)熱力學(xué)和過程分離動(dòng)力學(xué)的理論比較復(fù)雜，目前研究和應(yīng)用多集中在過程工藝模擬和實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域。喬愛軍等[4]采用流程模擬軟件Aspen Plus建立萃取平衡級(jí)數(shù)學(xué)模型，研究甲乙酮和N-甲酰嗎啉混合萃取劑萃取精餾分離乙烯裂解C4餾分中烷烴和烯烴的工藝，獲得了萃取精餾塔和溶劑回收塔的理論塔板數(shù)、進(jìn)料位置、回流比、溶劑比等參數(shù)對(duì)分離性能的影響。唐曉東等[5]采用萃取蒸餾由萃取劑回收脫硫分離出高純度低硫的汽油添加劑甲基叔丁基醚(MTBE)，實(shí)驗(yàn)優(yōu)選了萃取劑、萃取劑用量、精餾溫度和時(shí)間，克服了傳統(tǒng)精餾工藝難以生產(chǎn)低硫含量MTBE的缺點(diǎn)。李曉軍[6]分析了蘭州石化12萬t/a丁二烯萃取精餾裝置開車周期短、塔壓波動(dòng)大、能耗高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的原因，并制定了相應(yīng)的改造方案，降低了能耗，提高了產(chǎn)品合格率。

萃取精餾的過程工程設(shè)計(jì)和合理應(yīng)用需要對(duì)該工藝技術(shù)的基本原理、工藝模型及操作參數(shù)調(diào)節(jié)等有深刻的了解。正確規(guī)范化的理解萃取精餾流程是其工業(yè)化應(yīng)用的前提，對(duì)于新型精細(xì)化工品或藥物的開發(fā)和提純具有十分重要的意義[7]。由于目前國內(nèi)眾多高等院校缺乏用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)且能由學(xué)生自行組裝和操作的萃取精餾實(shí)驗(yàn)裝置，在“化工原理”等課程理論教學(xué)中，萃取精餾單元操作流程已成為一個(gè)比較抽象且難以理解的內(nèi)容。本文結(jié)合熱力學(xué)活度系數(shù)模型和化工過程工程的序貫?zāi)K法建立萃取精餾非平衡級(jí)模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)乙二醇萃取精餾分離乙醇-水共沸物系的工藝流程，由單一精餾塔流程同時(shí)實(shí)現(xiàn)乙醇萃取精餾分離和萃取劑回收兩種工藝過程，通過設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)和選型，組建了乙二醇萃取精餾分離乙醇-水恒沸物的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)裝置，結(jié)合“化工原理”類相關(guān)課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作，使學(xué)生充分理解萃取精餾原理、裝置、工藝流程和操作規(guī)范。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置流程

實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示。

1.2 汽液相平衡模型預(yù)測(cè)

汽液相平衡關(guān)系是萃取精餾模擬設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，考慮物系中各組分均為極性化合物，選用預(yù)測(cè)精度較高的活度系數(shù)模型[8]。本設(shè)計(jì)選擇Wilson、NRTL和UNIQUAC模型預(yù)測(cè)乙醇-水二元體系汽液相平衡，三類模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值均保持較好的一致；但對(duì)共沸溫度和共沸點(diǎn)組成，Wilson模型預(yù)測(cè)誤差較大，UNIQUAC模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相差最小，這一預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)基本保持一致[9]。另外，UNIQUAC預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)乙二醇-水汽液相平衡線偏離y=x線很大，表明乙二醇萃取劑回收流程較為簡易，實(shí)驗(yàn)中可通過萃取精餾塔流程改造來實(shí)現(xiàn)萃取劑回收操作。

1,2,3-高位槽， 4,5,6,9-轉(zhuǎn)子流量計(jì)， 7-三段式萃取精餾塔， 8-冷卻器， 10-產(chǎn)品罐， 11-真空裝置

1.3 萃取精餾過程MESHRF工程模型

利用流程模擬設(shè)計(jì)開發(fā)分離工藝較經(jīng)驗(yàn)方法有諸多優(yōu)點(diǎn)，可充分利用動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的理論基礎(chǔ)，結(jié)合必要的物性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬精餾塔內(nèi)汽、液相流量、組成、溫度分布關(guān)系等關(guān)鍵操作參數(shù)[10]。本研究結(jié)合平衡級(jí)MESH方程組和非平衡速率級(jí)RF方程組建立描述萃取精餾的過程工程模型，一般涉及6類守恒關(guān)系式[11]：

(1) 物料平衡M方程。M方程包含i組分的總物料衡算式：

(1)

第j級(jí)塔板i組分物料衡算式：

(2)

式中：F、S、D和W分別為進(jìn)料量、萃取劑量、精餾塔頂采出量和塔底采出量，kg/h；Lj和Vj分別為第j塊塔板的液相和氣相流量，kg/h；xi,j和為yi,j分別是第j塊塔板或j類液相和氣相中i組分的質(zhì)量分率；當(dāng)j為非進(jìn)料級(jí)時(shí)，F(xiàn)=0。

(2) 相平衡E方程

(3)

式中：Ki,j是i組分在第j塊塔板的氣液平衡常數(shù)；C為總物料數(shù)；N為總理論板數(shù)。

(3) 熱量平衡H方程

Lj-1HL,j-1+Vj+1HV,j+1+FHF(orSHs)=LjHL,j+VjHV,j+Q1，j

(4)

式中：Hi,j為i在第j級(jí)塔板上的焓值，kJ/kg；L和V分別為液相和氣相；Ql,j是第j級(jí)塔板熱損失，kJ/h。

(4) 歸一化S方程。j級(jí)平衡板汽液兩相組成應(yīng)滿足：

(5)

(5) 氣、液相間非平衡級(jí)的傳質(zhì)、傳熱動(dòng)力學(xué)R方程[12]。

(6) 精確描述萃取塔內(nèi)氣、液兩相非均勻混合和非理想流動(dòng)性質(zhì)F方程式[13]。

此模型采用Aspen Plus軟件RadFrac模塊Equilibrium和Rate-based速率級(jí)算法模擬設(shè)計(jì)，部分關(guān)鍵參數(shù)的模擬結(jié)果如表1所示。

表1 萃取精餾塔優(yōu)化設(shè)計(jì)部分模擬結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為便于實(shí)驗(yàn)室組裝，選用金屬θ環(huán)填料，每米與20塊理論板相當(dāng)[14]。塔體分溶劑回收、精餾和提餾3段裝配，內(nèi)徑均為29 mm磨口玻璃柱，填料高為0.20、0.60和0.30 m，此分段主要是考慮萃取塔作為溶劑回收塔時(shí)，精餾段與提餾段比與模型設(shè)計(jì)一致均為8∶3。具搖擺磁鐵漏斗精餾頭，三口燒瓶塔釜，200 mm冷凝器，數(shù)顯恒溫加熱套，電加熱帶，流量計(jì)，支架，高位槽，產(chǎn)品罐，離心泵和循環(huán)水真空泵。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試

(1) 分析方法[15]。將高精度阿貝折光儀與超級(jí)恒溫水浴連接，調(diào)節(jié)溫度為(20±0.1) ℃。

(2) 原料配備。將三口燒瓶置于恒溫加熱套中，并投入少許沸石；將1.0 L，95%乙醇-水溶液和1.0 L乙二醇分別置于高位槽。

(3) 萃取精餾裝置組裝。將φ3不銹鋼θ環(huán)填料填裝于精餾塔柱，堆積密度320 kg/m2；串聯(lián)3段塔柱，并與三口燒瓶磨口連接，纏繞加熱帶，接通原料、萃取劑進(jìn)料口與高位槽間的控制閥和流量計(jì)，塔頂裝配精餾頭和冷凝器，保持全塔密封良好。

(4) 全回流操作。塔頂冷凝器通冷凝水，將塔釜加熱至溶液沸騰，接通加熱帶電源，緩慢升高電壓至塔頂達(dá)穩(wěn)定回流。開始計(jì)時(shí)，保持全回流操作30 min，使塔內(nèi)形成穩(wěn)定濃度梯度，每5 min記錄塔底和塔頂溫度。

(5) 加萃取劑全回流操作。全回流穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)流量計(jì)，使乙二醇以2.0 mL/min進(jìn)料(由于萃取劑常溫進(jìn)料，加熱帶可稍升高電壓)，維持全回流操作并穩(wěn)定30 min。

(6) 連續(xù)萃取精餾操作。待全回流穩(wěn)定后，啟動(dòng)回流比控制器，控制回流比為2.0，塔頂開始出料，每5 min采集塔頂樣品，并記錄塔釜塔頂溫度。用阿貝折光儀分析其組成，直至高位槽中乙醇-水恒沸溶液達(dá)到警戒液位，進(jìn)料停止。

(7) 溶劑回收操作。當(dāng)塔頂產(chǎn)品中水含量增加時(shí)，停止萃取劑進(jìn)料，升高塔釜和保溫帶電壓，增大回流比至3.0。由塔頂蒸出較純水后，分析塔釜乙二醇組成，達(dá)標(biāo)后停止加熱，采出溶劑可循環(huán)使用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 萃取精餾過程分析

通過萃取精餾實(shí)驗(yàn)操作，得到的數(shù)據(jù)見表2。

表2 萃取精餾分離乙醇水恒沸溶液實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

由表2可知，實(shí)驗(yàn)35 min時(shí)，未加入萃取劑，全塔為全回流狀態(tài)，塔頂產(chǎn)品組成與原料相似，為乙醇水的恒沸物，溫度為恒沸點(diǎn)；加入乙二醇后，塔頂乙醇產(chǎn)品純度明顯提高，達(dá)到99.6%以上，塔頂溫度變化較小，此時(shí)為純乙醇沸點(diǎn)，說明萃取劑在精餾過程中起到了萃取精餾的作用。238 min后，塔頂溫度快速升高到101.0 ℃，原料液已達(dá)警戒液位，停止進(jìn)料，塔頂產(chǎn)品分析表明乙醇已被完全萃取精餾分離，塔頂存在大量水，此時(shí)停止萃取劑進(jìn)料進(jìn)入溶劑回收階段。290 min后，塔頂分離物中乙二醇含量增加，停止精餾，塔底可獲得96.2%乙二醇循環(huán)使用。

3.2 產(chǎn)品乙醇濃度測(cè)定

萃取精餾實(shí)驗(yàn)中，每5 min采集塔頂產(chǎn)品分析其組成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3。

表3 乙醇水恒沸液萃取精餾過程中產(chǎn)品乙醇濃度

由表3可看出，乙二醇加入后，立即破壞乙醇水恒沸點(diǎn)，塔頂乙醇由恒沸組成的95%迅速升至99.64%，110 min時(shí)，乙醇純度達(dá)到最高99.96%。在70～165 min內(nèi)，萃取精餾均能獲得純度高于99%乙醇產(chǎn)品。170 min時(shí)進(jìn)料停止，隨后乙醇被完全萃取分離，塔頂濃度急劇下降，水含量增加，至270 min時(shí)乙醇含量僅0.92%。塔頂溫度迅速升至水的沸點(diǎn)，萃取塔分離乙二醇-水溶液，達(dá)到萃取劑回收階段。

3.3 萃取精餾塔溫度曲線測(cè)定

圖2給出了塔釜和塔頂溫度變化曲線，塔釜溫度比塔頂溫度高，起始階段釜溫變化較平緩，為全回流穩(wěn)定階段(I)；加入萃取劑后(II)，溫度平緩上升，直至乙醇被完全萃取分離，此時(shí)塔釜溫度約200 ℃；萃取劑回收階段(III)，塔釜溫度保持恒定，這一變化規(guī)律有助于實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)塔釜加熱量控制萃取精餾進(jìn)程。另一方面，與表3對(duì)比可知，塔頂溫度變化嚴(yán)格對(duì)應(yīng)著塔頂產(chǎn)品組成的改變，這一規(guī)律有助于實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)品組成控制，第II階段為乙醇水恒沸液萃取精餾階段，塔頂乙醇純度均達(dá)99.9%。

圖2 萃取精餾塔釜和塔頂溫度變化曲線

萃取精餾終了時(shí)，99%乙醇收率為

塔底96.2%乙二醇回收率為

由以上實(shí)驗(yàn)表明，此裝置實(shí)現(xiàn)了乙二醇萃取精餾分離乙醇-水恒沸物系。所用藥劑無毒無害，可由學(xué)生獨(dú)立依據(jù)過程工程基本理論完成設(shè)計(jì)并組裝實(shí)驗(yàn)裝置。

4 結(jié) 語

萃取精餾是石油化工和醫(yī)藥行業(yè)重要的基本分離單元，在化學(xué)工程理論教學(xué)中由于涉及較復(fù)雜的多元物系熱力學(xué)和動(dòng)量、熱量及質(zhì)量的“三傳”分離動(dòng)力學(xué)過程，其理論教學(xué)一直難以指導(dǎo)實(shí)際萃取精餾分離工程。本研究利用過程工程的序貫?zāi)K法優(yōu)化設(shè)計(jì)了可輔助理論教學(xué)的萃取精餾實(shí)驗(yàn)室裝置，通過熱力學(xué)活性系數(shù)模型結(jié)合傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)MESHRF模型模擬乙二醇萃取精餾分離乙醇-水恒沸物系，將萃取精餾與溶劑回收流程聯(lián)合，簡化工藝；采用θ環(huán)填料搭建溶劑回收、精餾和提餾三段式連續(xù)萃取精餾裝置，萃取分離出99%純度乙醇，收率達(dá)91.6%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)萃取劑回收，回收率達(dá)94.3%。本研究模型和實(shí)驗(yàn)裝置均可由學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)完成，裝配簡便，分離效率高，測(cè)量準(zhǔn)確，易于操作和控制，在化工過程裝備及化工原理理論教學(xué)將中發(fā)揮積極的作用。

[1] 索瀟萌, 戴 昕, 虞 昊, 等. 分隔壁萃取精餾塔分離乙酸乙酯-異丙醇[J]. 石油學(xué)報(bào)(石油加工), 2016, 32(1):111-118.

[2] 鄭秀玉, 陳 赟. 赤芍中芍藥苷的超聲波強(qiáng)化醇提工藝優(yōu)化[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2011, 30(5):7-8, 37.

[3] Liao Q, Long Sh P, Yang Ch X. Research progresses on extraction and detection techniques of artemisinin[J]. Agri -cultural Science & Technology, 2012, 13(8):1631 -1636.

[4] 喬愛軍, 范傳宏. MEK-NFM萃取精餾分離C4烷烴和烯烴流程模擬[J]. 石油學(xué)報(bào)(石油加工), 2014, 30(5):837-843.

[5] 唐曉東, 譙 勤, 程 瑾, 等. 甲基叔丁基醚萃取蒸餾脫硫的研究[J]. 石油化工, 2014, 43(11):1326-1330.

[6] 李曉軍. 丁二烯裝置萃取精餾塔的影響因素分析及對(duì)策[J]. 石化技術(shù)與應(yīng)用, 2015, 33(4):354-356.

[7] 崔 琳, 丁 立. 中試實(shí)驗(yàn)裝置在化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的綜合應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2015, 32(2):82-88.

[8] 許文友.采用無機(jī)鹽分離恒沸有機(jī)水溶液體系的研究[D]. 天津：天津大學(xué), 2005.

[9] 王亞茹. 燃料乙醇精餾工段的工藝、控制方案設(shè)計(jì)與節(jié)能研究[D]. 北京：北京化工大學(xué), 2015.

[10] 李群生, 沈 洋, 于 丹, 等. 萃取精餾分離醋酸乙烯-甲醇的計(jì)算機(jī)模擬及工業(yè)應(yīng)用[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 43(1):13-18.

[11] 劉國標(biāo), 劉伯潭, 袁希鋼, 等. 萃取精餾的計(jì)算傳質(zhì)學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 化工學(xué)報(bào), 2010, 61(7):1809-1814.

[12] Quijada-Maldonado E, Aelmans T A M, Meindersma G W,etal. Pilot plant validation of a rate-based extractive distillation model for water-ethanol separation with the ionic liquid [emim][DCA] as solvent[J]. Chemical Engineering Journal, 2013, 223(5):287-297.

[13] 袁妍娜, 袁慎峰, 陳志榮, 等. 改進(jìn)的Scheibel萃取塔非平衡級(jí)模型的建立與求解[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版), 2014, 41(2):181-184.

[14] Liu Y, Yang B L, Li Sh Sh. Process Simulation Based on Experimental Investigations for 3-Methylthiophene Alkyla -tion with Isobutylene in a Reactive Distillation Column[J]. Ind Eng Chem Res, 2012, 51 (29): 9803-9811.

[15] 張秋根, 陳 瑜, 陳建華, 等. 新型聚乙烯醇/硅系雜化膜的制備及滲透性能[J]. 化工學(xué)報(bào), 2007, 58(5):1238-1243.

Experimental Teaching Apparatus of Extractive Distillation Based on Chemical Process Engineering

CHENJinqing,LüHongling,WANGJia,LIUXuenuan

(State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

The mechanism model based on UNIQUAC activity coefficient thermodynamics and mass transfer kinetics was established to simulate and optimize column parameters and operational conditions. The apparatus was manufactured into a rectifying section, a stripping section and an extractant recovering one with high efficient θ-ring packing and transparent column. The designs of process engineering greatly simplified the configuration with the union of extractive separation and extractant recovery so as to be operated by students themselves. The experimental results showed that the yield of ethanol reaches 91.6% with the purity of over 99wt% and the recovery of extractant is 94.3%. The developed experimental installations have the advantages of high-efficiency, convenient assembling, accurate measurement and easy operation and control, and so on.

extractive distillation; sequential modular method;θ-ring packing; ethylene glycol; alcohol-water azeotropic mixtures

2016-05-20

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目資助(14CX05007A);山東省本科高校教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目(20152023)；中國石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革重大項(xiàng)目(JY-A201405);教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目(JY-A201213);化學(xué)工程學(xué)院研究性教學(xué)改革項(xiàng)目

陳金慶(1977-)，男，安徽安慶人，副教授，主要研究方向?yàn)樘胤N分離技術(shù)和化工系統(tǒng)工程優(yōu)化。

Tel.: 0532-86981796; E-mail: jqchen@upc.edu.cn

TQ 028.31

A

1006-7167(2017)02-0076-04