環己烷—仲丁醇—水物系的萃取精餾工藝模擬及優化

＊盧長潔 翟子瑋 石鵬遠

（山東科技大學 山東 266590）

環己烷—仲丁醇—水物系的萃取精餾工藝模擬及優化

＊盧長潔 翟子瑋 石鵬遠

（山東科技大學 山東 266590）

環己烷、仲丁醇和水易形成二元和三元共沸物，此共沸體系無法采用常規精餾等方法進行分離。以N，N-二甲基甲酰胺（DMF）為萃取劑，基于UNIQUAC模型，使用Aspen Plus化工模擬軟件中的RadFac模塊進行萃取精餾模擬，并利用靈敏度分析模塊對各工藝參數進行靈敏度分析與優化。結果表明，以DMF做萃取劑分離環己烷、仲丁醇和水共沸體系是可行的。在最優工藝條件下，可得到質量分數為99.2%的正己烷、98.8%的環己烷。為環己烷、仲丁醇和水分離的工業化研究提供了理論依據。

萃取精餾；DMF；Aspen Plus

1.引言

環己烷和仲丁醇都是化學工業中常用的溶劑、化工原料和中間體。多數有機廢水中均含有一定比例的仲丁醇和環己烷，因此回收廢水中的仲丁醇和環己烷有重要的工業價值和樂觀的經濟效益，設計合理的分離工藝尤為必要。由于環己烷、仲丁醇和水易形成二元和三元共沸物，采用普通精餾法難以將它們分離。

本工藝選擇DMF作為萃取精餾分離環己烷、仲丁醇和水混合液的萃取劑，基于uNIQuAC模型，使用Aspen Plus化工模擬軟件中的RadFac模塊進行萃取精餾模擬，并利用靈敏度分析模塊對各工藝參數進行靈敏度分析與優化，分析不同的工藝條件對混合液分離效果的影響，確定最佳工藝條件，為萃取精餾工藝的設計和生產提供了依據。

2.萃取精餾工藝過程

本生產裝置進料條件為常溫常壓下廢水流量為10t/h，進料組成為仲丁醇為10wt%，環己烷為8wt%，水為82wt%。設計要求水中仲丁醇的含量小于10ppm、環己烷含量小于50ppm，環己烷含量≥99wt%，仲丁醇含量≥98wt%。

環己烷、仲丁醇和水物系的分離工藝包含四個塔，分別為粗餾塔、醇精制塔、烷萃取塔和回收塔。有機廢水首先經過粗餾塔將達標的水從塔底分離出來，從塔頂出來的蒸汽經過冷凝器冷卻進入傾析器進行分相，水相進入粗餾塔，油相進入醇精制塔。醇精制塔中達標的仲丁醇從塔底被分離出來，從塔頂出來的蒸汽經過冷凝器冷卻進入傾析器進行分相，水相進入粗餾塔，油相進入烷萃取塔。烷萃取塔利用DMF將環己烷分離出來。回收塔分離DMF和仲丁醇，DMF進入烷萃取塔循環使用，仲丁醇和醇精制塔中達標的仲丁醇混合作為產品餾出，質量分數為98．8wt%。

本模擬以烷萃取塔（工藝模擬流程圖如圖1所示)為研究對象，利用化工模擬軟件Aspen Plus進行工藝模擬，以尋求最佳工藝參數，為實際工業生產提供理論指導。

圖1 烷萃取塔工藝流程圖

3.模擬結果與工藝優化

(1)萃取劑進料量的影響

DMF的流量與產出環己烷的純度有很大影響，為得到適宜的DMF的流量，用Aspen Plus進行靈敏度分析，分析塔頂環己烷質量分數和DMF的流量的關系。結果如圖2所示。

由圖2分析隨著DMF的進料量不斷增加，塔頂環己烷的質量分數先不斷增加后稍微減少并趨于穩定，當DMF進料量為450kg/h時環己烷的質量分數最高，可達到99．2%。

圖2 塔頂環己烷的質量分數與N，N-二甲基甲酰胺進料量關系曲線

(2)理論塔板數的影響

為得到適宜的理論板數用Aspen Plus進行靈敏度分析，分析塔頂環己烷的質量分數和理論板數、塔底再沸器熱負荷和理論板數的關系。結果如圖3、圖4所示：

圖3 塔頂環己烷的質量分數與理論板數關系曲線

從圖3可以看出，隨著塔板數的增加塔頂環己烷的質量分數先逐漸增加后逐漸減少最后趨于穩定，當理論板數達到30時，環己烷的質量分數達到最大值99．2%。

圖4 塔底再沸器熱負荷和塔板數的關系圖

從圖4可以看出隨著塔板數逐漸增加，再沸器熱負荷先逐漸增加后逐漸減少最后趨于穩定，在塔板數為30時，再沸器熱負荷減少的速率趨于平緩，所以取塔板數為30。

綜上所述，根據圖3和圖4可以得出烷萃取塔的理論塔板數為30。

(3)進料位置的影響

為得到適宜的進料位置用Aspen Plus進行靈敏度分析，分析塔頂環己烷的質量分數和進料位置的關系。結果如圖5所示：

圖5 塔頂環己烷質量分數和進料位置的關系曲線

從圖5可以看出隨著進料位置的塔板數逐漸增加，塔頂環己烷的質量分數先增多后趨于穩定，當進料位置為第10塊塔板，環己烷的質量分數趨于穩定且達到99．2%。

(4)摩爾回流比的影響

為得到適宜的摩爾回流比，用Aspen Plus進行靈敏度分析，分析塔頂環己烷的質量分數和摩爾回流比的關系。結果如圖6所示：

圖6 塔頂環己烷質量分數和摩爾回流比的關系曲線

從圖6可以看出隨著摩爾回流比的逐漸增加，塔頂環己烷的質量分數先增加后減少，當摩爾回流比為0．15時，環己烷的質量分數達到最大值99．20%。故取塔摩爾回流比為0．15。

4.結論

通過Aspen Plus軟件的模擬計算，DMF可以用作萃取精餾分離環己烷、仲丁醇和水的萃取劑。確定了烷萃取精餾塔的最佳操作條件，即回流比0．15，萃取劑進料位置第7塊理論板，油相進料位置第10塊理論板，全塔理論板30塊。利用靈敏度分析模塊對各工藝參數進行靈敏度分析與優化，在最優工藝條件下，可得到質量分數為99．20%的環己烷、98．8%的仲丁醇和符合要求的水。

[1]孫蘭義．化工流程模擬實訓[D]．2012．

[2]劉家祺．分離過程[M]．北京:化學工業出版社, 2001．

[3]張麗芳,陳赤陽,項志軍．環己烷氧化制備環己酮和環己醇工藝研究進展[J]．北石油化工學院學報,2004(02)．

[4]陳新志,蔡振云,胡望明等．化工熱力學[M]．北京:化學工業出版社,2009．

(責任編輯：盧鳳英)

Extractive Distillation technology Simulation and Optimization of Cyclohexane-sec-butyl Alcohol-water System

Lu Changjie, Zhai Ziwei, Shi Pengyuan

（Shandong University of Science and technology, Shandong, 266590）

Cyclohexane, sec-butyl alcohol and water are easy to form the binary azeotrope and ternary azeotrope, which system is not able to adopt conventional distillation etc. methods to take the separation. Take the N,N-dimethyl formamide(DMF) as the extraction agent, beside, based on the UNIQUAC model, use the RadFac module in Aspen Plu chemical engineering simulation software to take the extractive distillation simulation and take advantage of the sensitivity analysis module to take sensitivity analysis and optimization of various technical parameter. The result has shown that taking the DMF as the extraction agent to separate cyclohexane, sec-butyl and water azeotropic system is feasible. Under the optimal technical condition, we can get the quality score that 99.2% n-hexane and 98.8% cyclohexane, which has provided theoretical basis for the industrial research of cyclohexane, sec-butyl alcohol and water separation.

extractive distillation；DMF；Aspen Plus

T < class="emphasis_bold"> 文獻標識碼：A

A

盧長潔（1997～)，女，山東科技大學；研究方向：化工模擬。