離子液體萃取精餾分離甲醇-甲乙酮共沸物的模擬及優(yōu)化

韓東敏，王世威

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，山東 東營 257097)

1 引言

甲醇和甲乙酮是工業(yè)生產(chǎn)中常見的溶劑和化工合成原料，二者常壓下形成共沸物，采用常規(guī)萃取精餾不能實現(xiàn)兩者的有效分離。工業(yè)上常用的分離方法為變壓精餾和萃取精餾[1-3]。近年來，利用離子液體作為萃取劑進行萃取精餾成為一個研究熱點[4-5]。離子液體結(jié)合了傳統(tǒng)有機溶劑和固體鹽的優(yōu)點，作為萃取劑具有選擇性高、溶劑比小、易操作、安全環(huán)保等特點。本研究以離子液體[HMIM][NTf2] 為萃取劑，通過Aspen Plus對甲醇-甲乙酮共沸物系的萃取精餾過程進行模擬研究，考察其工藝條件對年總費用TAC的影響，并對其進行熱集成研究，為工業(yè)應(yīng)用提供設(shè)計參考。

2 可行性分析

利用Aspen軟件繪制甲醇-甲乙酮-[HMIM][NTf2] 的剩余曲線，如圖1所示。由圖可知，甲醇和甲乙酮的共沸點為不穩(wěn)定節(jié)點，甲醇和甲乙酮處為鞍點，離子液體[HMIM][NTf2] 為穩(wěn)定節(jié)點，本體系不存在精餾邊界，所有的曲線都是從共沸點出發(fā)，隨著離子液體[HMIM][NTf2] 的量增加，所有曲線匯于穩(wěn)定節(jié)點。可以看出離子液體[HMIM][NTf2] 作為甲醇與甲乙酮體系的萃取劑可行。

圖1 甲醇、甲乙酮與[HMIM][NTf2] 體系的剩余曲線

2 萃取精餾過程模擬

2.1 工藝流程

原料進料量為200kmol/h，甲醇和甲乙酮各占50%(摩爾分數(shù)，下同)，經(jīng)分離后，要求甲醇、甲乙酮和離子液體的純度均達到99.5%。

離子液體萃取精餾分離甲醇和甲乙酮的工藝流程如圖2所示。離子液體和原料進入萃取精餾塔T1進行萃取精餾，塔頂采出高純度甲醇，塔底離子液體與甲乙酮的混合物進入閃蒸罐T2中進行減壓閃蒸，罐頂采出一部分高純度甲乙酮，罐底中甲乙酮與離子液體進入閃蒸罐T3繼續(xù)進行減壓閃蒸，罐頂采出剩余部分高純度甲乙酮，罐底為高純度的離子液體進行循環(huán)利用。

圖2 環(huán)己烷-苯萃取精餾工藝流程圖

2.2 流程的優(yōu)化

本文采用Douglas給出的年度總費用(Total Annual Cost，TAC)為目標函數(shù)進行優(yōu)化參數(shù)，并給出最佳工藝方案。TAC包括設(shè)備費用和操作費用，具體公式見參考文獻[6-7]。在保證產(chǎn)品純度的前提下，分別考察萃取劑流量、萃取精餾塔塔板數(shù)、閃蒸罐閃蒸壓力對年總費用TAC的影響，結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 萃取劑流量對年總費用TAC的影響

圖4 閃蒸罐T2壓力對年總費用TAC的影響

圖5 閃蒸罐T3壓力對年總費用TAC的影響

圖6 萃取精餾塔塔板數(shù)對年總費用TAC的影響

由圖可知，當萃取劑流量為240kmol/h，萃取精餾塔的塔板數(shù)為13，閃蒸罐T1操作壓力為0.17atm，閃蒸罐T2的操作壓力為40Pa時，裝置的年總費用TAC最小，為3.06×106美元/a，具體操作條件見表1。

表1 離子液體萃取精餾優(yōu)化結(jié)果

3 熱集成萃取精餾

為降低整個裝置的能耗費用，將閃蒸罐T3罐底高溫萃取劑與新鮮原料進行換熱，以降低整個裝置的能耗。具體流程見圖7，優(yōu)化后的結(jié)果見表2。由表可知，對整個流程進行熱集成后，再沸器熱負荷減少24.5%，年總費用TAC減少18.7%。

圖7 離子液熱集成萃取精餾流程

表2 結(jié)果比較表

4 結(jié)論

利用Aspen Plus軟件，以離子液體[HMIM][NTf2] 為萃取劑，模擬了甲醇-甲乙酮的萃取精餾分離過程，首先考察了離子液體作為萃取劑的可行性；其次分析了不同工藝條件對年總費用TAC的影響。確定了最佳的工藝條件為：萃取劑流量為240kmol/h，萃取精餾塔T1的塔板數(shù)為13，閃蒸罐T2操作壓力為0.17atm，閃蒸罐T3的操作壓力為40Pa，此時，裝置的年總費用TAC最小，為3.06×106美元/a；最后對流程進行熱集成分析，通過熱集成使裝置的年總費用降低了18.7%。