完全熱集成變壓精餾分離丙酮-甲醇共沸物的過程模擬

李 靜，王克良，付 強，連明磊，葉 昆

（1. 六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004；2.中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北 任丘 062550）

精餾是化學工業和石油工業最常見的分離方法，主要是利用液體混合物各組分之間的揮發性能不同，使混合物得以分離[1-3]。 然而，在很多化工生產過程中， 針對共沸物以及一些沸點接近的混合物，采用普通精餾分離則比較困難，目前多采用一些特殊的精餾工藝進行分離，如萃取精餾、共沸精餾和變壓精餾等[4-6]。

在煤制合成燃料的費托合成工藝中，副產物丙酮-甲醇會混合在一起，對廢液中的丙酮-甲醇回收，不僅能夠減少對環境的污染，還能增加經濟效益[7-8]。常壓下，丙酮-甲醇會形成難以分離的共沸物[9-10]。 萃取精餾分離此類共沸物是加入沸點較高的第三組分作為萃取劑， 提高原二元組分之間的相對揮發度，來達到分離的目的[11-12]。 變壓精餾則是利用共沸組成隨著壓力變化而變化，通過調節高、低壓塔的壓力來改變其共沸組成，進而跨過精餾邊界，完成分離[13-15]。

楊建明等[16]針對乙醇胺-三乙烯二胺共沸物的分離采用了常規變壓精餾工藝和雙效變壓精餾工藝，并比較了兩種工藝的能耗。 Luo等[17]探索了用變壓蒸餾和萃取蒸餾分離異丙醇-二異丙醚的方法，并對這兩種方法的優化設計和動態控制進行了研究比較。 韓禎等[18]對變壓精餾分離異丙醇和乙酸異丙酯共沸物進行了模擬，并應用熱集成技術，最終能耗節約28.5%。

本文基于完全熱集成技術，即利用高壓塔塔頂的高溫物流作為低壓塔塔釜再沸器的加熱介質，采用Aspen Plus軟件考察了變壓精餾分離丙酮-甲醇共沸物的最佳工藝。 以期為此類醇酮共沸物的分離提供一些技術參考。

1 變壓精餾工藝

1.1 變壓精餾分離原理

圖1 壓力對丙酮-甲醇共沸物的影響Fig. 1 Effect of pressure on acetone-methanol azeotrope

本文采用UNIQUAC模型[19]對工藝流程進行模擬計算。 圖1是操作壓力對丙酮-甲醇共沸溫度和共沸組成的影響。可以看出，壓力從101.325kPa升高到506.625kPa時， 相應地丙酮的質量分數也從0.8636下降到0.6509，共沸溫度從55.24℃升高至107.09℃。說明丙酮-甲醇共沸物對壓力變化敏感，可以采用變壓精餾工藝分離該共沸物。

1.2 工藝流程

丙酮-甲醇混合物進料流率為3000kg/h，m丙酮:m甲醇為40 : 60，進料溫度25℃，要求最終丙酮、甲醇產品質量純度均達到99.9%。 丙酮-甲醇混合物的T-x/y相圖如圖2所示。 丙酮-甲醇混合物在低壓塔進料， 則低壓塔塔釜采出物流B1近似為1800kg/h的高純度甲醇，塔頂共沸物D1加壓進入高壓塔，高壓塔塔塔釜B2近似為1200kg/h的高純度丙酮， 塔頂為共沸物D2。 改變雙塔的壓力，跨過對應壓力下的共沸組成，有效分離丙酮-甲醇。

圖2 丙酮-甲醇在兩個壓力下的T-x/y相圖Fig. 2 T-x/y phase diagram of acetone-methanol at two pressures

1.3 年度總費用TAC

年度總費用TAC是化工過程模擬優化常用的經濟費用指標，用來評價工藝方案的經濟合理性和可行性。 本文采用Luben等[20]提出的計算依據，以TAC最小為目標函數，來優化各項設計變量，具體依據列于表1中。 設備投資包括塔體、塔釜再沸器和塔頂冷凝器等； 操作費用包括低壓蒸汽和冷卻水等費用。

表1 年度總費用計算依據Table 1 Basis for calculating total annual cost

2 流程優化

2.1 工藝優化方法

本文以年度總費用TAC最小為目標函數， 對雙塔塔板數(NT1和NT2)， 低、 高壓塔的三個進料位置(NF1，NFR和NF2)和回流比(RR1和RR2)總計七個操作變量進行迭代優化。 具體迭代優化順序見圖3。

圖3 完全熱集成變壓精餾分離丙酮-甲醇過程優化順序Fig. 3 Optimal sequence of acetone-methanol separation process by fully heat-integrated pressure swing distillation

2.2 雙塔回流比的優化

針對低壓塔回流比RR1對高壓塔回流比、 冷凝器和再沸器的熱負荷影響進行了分析，見圖4。 可以看出，RR1在1.9時，對應的冷凝器和再沸器熱負荷最小，此時對應的高壓塔回流比RR2為4.7。

圖4 低壓塔回流比RR1對高壓塔回流比RR2、冷凝器熱負荷QC2和再沸器熱負荷QR2的影響Fig. 4 Effect of low pressure column reflux ratio RR1 on high pressure column reflux ratio RR2, condenser heat load QC2 and reboiler heat load QR2

圖5 計算了雙塔不同回流比組合時對應的TAC，結論和圖3是一致的， 即低壓塔回流比RR1為1.9，對高壓塔回流比RR2為4.7時，對應的TAC最小，說明此時能耗費用在TAC中占據了主導。

圖5 回流比對年度總費用TAC的影響Fig. 5 Effect of reflux ratios on total annual cost (TAC)

2.3 進料位置的優化

進料位置會直接影響塔釜再沸器的熱負荷，進而影響TAC。 圖6分析了原料、循環物流和高壓塔的進料位置。可以看出，進料位置對TAC的影響呈現了拋物線的趨勢，原料進料位置在第38塊板，循環物流在第24塊板，高壓塔進料在第17塊板，對應了最小的TAC。

圖6 三個進料位置對年度總費用TAC的影響Fig. 6 Influence of the three feeding positions on TAC

2.4 塔板數的優化

由圖2可知， 在全流程優化中塔板數為最外層迭代循環。 在低壓塔塔板數優化過程中，固定高壓塔塔板數為33塊， 計算了TAC隨低壓塔塔板數的變化，結果列于表2中。 可以看到，隨著低壓塔塔板數的增加，設備投資也逐漸增大，循環物流流率降低，相應能耗費用也逐漸降低， 在52塊塔板數，TAC最低。 因此確定低壓塔塔板數為52塊。

表2 低壓塔塔板數經濟優化結果Table 2 Economic optimization results of tray number of low pressure column

接下來，固定低壓塔塔板數為52塊，改變高壓塔塔板數，并計算對應的設備投資和能耗費用以及TAC，結果列于表3中。同低壓塔一樣，塔板數直接影響設備投資和循環物流流率，進而影響能耗。 高壓塔塔板數為33塊時，對應的TAC最小。

表3 高壓塔塔板數經濟優化結果Table 3 Economic optimization results of tray number of high pressure column

2.5 全流程優化結果

全流程優化完成后見圖7，基于TAC最小的原則確定了丙酮-甲醇混合物進料流率為3000kg/h（m丙酮: m甲醇=40 : 60）的最佳工藝參數：低壓塔塔板數為52塊，丙酮-甲醇混合物和循環物流分別在第37塊和22塊位置進料，回流比為1.8。高壓塔塔板數為33塊，進料位置為第16塊，回流比為4.3。 高壓塔塔頂物流和低壓塔塔釜物流有40℃溫度，滿足完全熱集成的條件，熱集成負荷為1234.51kW。甲醇和丙酮的質量分數都達到了99.9%，滿足分離要求。

圖7 完全熱集成變壓精餾分離丙酮-甲醇工藝優化流程Fig. 7 Optimum process of acetone-methanol separation by fully heat-integrated pressure swing distillation

3 結論

基于完全熱集成變壓精餾工藝模擬了丙酮-甲醇共沸物的分離過程。 基于相圖分析，確定了精餾序列。以全流程的年度總費用TAC最小為目標，對兩塔的塔板數、 進料位置和回流比進行了優化設計。確定了丙酮-甲醇混合物（m丙酮: m甲醇=40 : 60）進料流率為3000kg/h的最佳工藝參數： 低壓塔操作壓力為101.325kPa，塔板數為52塊，丙酮-甲醇混合物和循環物流分別在第37塊和22塊位置進料，回流比為1.8；高壓塔操作壓力為506.625kPa，塔板數為33塊，進料位置為第16塊，回流比為4.3。 高壓塔塔頂物流和低壓塔塔釜物流有43℃溫差，滿足完全熱集成的條件，熱集成負荷為1234.51kW。甲醇和丙酮純度達到了99.9%，滿足分離要求。 結果表明，完全熱集成變壓精餾工藝可以有效分離丙酮-甲醇共沸物。