萃取精餾分離異丙醇-乙腈共沸物系工藝模擬

李文秀，陳金玲，曹 穎，陸睿哲，張 弢

(沈陽化工大學 遼寧省化工分離技術重點實驗室，遼寧 沈陽 110142)

異丙醇和乙腈混合物是工業(yè)中重要的助溶劑，在化學、制藥生產(chǎn)過程中有著廣泛應用[1-3]。在實際生產(chǎn)過程中會連續(xù)產(chǎn)生大量的異丙醇與乙腈的混合物。因此，需要一種有效回收異丙醇和乙腈的方法[4]。但二者在101.3kPa下形成最低共沸物，相對揮發(fā)度接近于1，很難通過常規(guī)蒸餾方法將它們分離。需采用特殊精餾的方法實現(xiàn)對異丙醇-乙腈共沸物的分離。

目前，對共沸物系的常用特殊精餾方法有變壓精餾[5]、共沸精餾[6]和萃取精餾[7-8]等，萃取精餾因其分離效果好，經(jīng)濟效益高而得到廣泛應用。近年來，由于離子液體具有高選擇性、良好的化學穩(wěn)定性與極低的蒸汽壓等優(yōu)點用作萃取精餾的萃取劑[9-10]。

目前，采用離子液體分離異丙醇-乙腈共沸物系的工作已展開，Zhu[4]等人測量了1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽[EMIM][BF4] 與1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽[EMIM][BF4]對異丙醇-乙腈的氣液相平衡影響，發(fā)現(xiàn)兩種離子液體均可使異丙醇-乙腈物系發(fā)生鹽析現(xiàn)象，增加了異丙醇對乙腈的相對揮發(fā)度，最終消除共沸點。結果表明[EMIM][BF4]是分離效果最優(yōu)的離子液體。為了驗證以[EMIM][BF4]作為萃取劑應用于異丙醇-乙腈共沸物系精餾工藝的可行性。本文采用Aspen Plus軟件，對以[EMIM][BF4]為萃取劑分離異丙醇-乙腈共沸物的精餾過程進行了模擬，使用軟件的靈敏度模塊確定最優(yōu)工藝參數(shù)，為精餾工藝流程的設計提供了理論基礎。

1 流程模擬

1.1 物性數(shù)據(jù)與熱力學模型

異丙醇與乙腈的物性數(shù)據(jù)由Aspen Plus軟件提供，離子液體[EMIM][BF4]的物性數(shù)據(jù)采用Valderramad[11]等人開創(chuàng)的方法進行估算，結果如表1所示。

表1 [EMIM][BF4]物性參數(shù)Table 1 The Physical parameter of [EMIM][BF4]

為了描述三元體系在精餾過程中的氣液相平衡狀況，采用NRTL活度系數(shù)模型。其中異丙醇-乙腈-[EMIM][BF4]的氣液相平衡數(shù)據(jù)文獻[4]提供，使用NRTL模型關聯(lián)的二元交互參數(shù)如表2所示。

表2 NRTL模型關聯(lián)異丙醇(1)-乙腈(2)- [EMIM][BF4] (3)三元體系二元交互參數(shù)Table.2 The binary parameters of isopropyl isopropanol (1) + acetonitrile (2) + [EMIM][BF4] (3) system correlated by NRTL model

1.2 工藝流程

以[EMIM][BF4]為萃取劑分離異丙醇-乙腈的工藝流程圖如圖1所示。異丙醇與乙腈的混合物從萃取精餾塔B1中部進料，萃取劑[EMIM][BF4]從塔頂進料，經(jīng)過萃取精餾后，塔頂?shù)玫礁呒兌鹊漠惐迹玫揭译妫琜EMIM][BF4]以及微量異丙醇的混合物。將B1塔的塔釜混合物輸送到萃取精餾塔B2進行溶劑回收，經(jīng)過萃取精餾，塔頂?shù)玫礁呒兌鹊囊译妫玫礁呒兌鹊腫EMIM][BF4]并經(jīng)過換熱器B3降溫后輸送至B1塔循環(huán)利用。

圖1 以[EMIM][BF4] 為萃取劑的異丙醇-乙腈共沸物的萃取精餾流程Fig.1 Process of [EMIM][BF4] extractive distillation

2 結果與討論

2.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

萃取精餾塔B1初始模擬條件：原料混合物質(zhì)量流量為1000kg/h，其中異丙醇質(zhì)量分數(shù)為0.48，乙腈質(zhì)量分數(shù)為0.52，原料進料溫度、萃取劑進料溫度均為25℃。萃取精餾塔全塔理論板數(shù)為25塊，回流比為0.9，萃取劑與原料進料位置分別為第2塊與第14塊塔板，全塔常壓操作。萃取精餾塔B2初始模擬條件：全塔理論板數(shù)為7塊，回收液進料位置為第5塊塔板，回流比為1.2，全塔常壓操作。分離要求為塔頂產(chǎn)品異丙醇質(zhì)量分數(shù)大于99.5%。精餾塔均采用Radfrac模塊，使用靈敏度分析工具，以塔頂產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)、塔頂冷凝器與塔釜再沸器能耗為指標，考察溶劑比，回流比，全塔理論板數(shù)，離子液體與原料進料位置工藝參數(shù)對分離效果以及能耗的影響。

由圖2可得，隨著溶劑比增大，塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)越大，再沸器熱負荷增加，冷凝器熱負荷減小。當溶劑比為1.6時，塔頂產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)達到最大，當溶劑比大于1.6時，塔頂產(chǎn)品含量不再發(fā)生變化，而再沸器熱負荷增大，冷凝器熱負荷不再變化。綜合考慮，溶劑比為1.6時為最優(yōu)的工藝條件。

1-塔頂摩爾分數(shù)；2-再沸器熱負荷；3-冷凝器熱負荷圖2 溶劑比的影響Fig.2 Effect of mass radio of solvent to feed on separation performance

從圖3可看出，當全塔板數(shù)小于26時，再沸器熱負荷隨塔板數(shù)的增加而增加，冷凝器熱負荷隨塔板數(shù)的增加而減小，塔頂產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)增大；當全塔板數(shù)大于26時，塔頂產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)、冷凝器與再沸器熱負荷均不再發(fā)生變化，而結合塔板數(shù)的增多會增加塔器的生產(chǎn)成本的問題，全塔板數(shù)為26塊時為最優(yōu)的工藝條件。

1-塔頂摩爾分數(shù)；2-再沸器熱負荷；3-冷凝器熱負荷圖3 全塔理論板數(shù)的影響Fig.3 Effect of theoretical plate number on separation performance

由圖4可得，當回流比小于0.9時，塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)增大；當回流比大于0.9時塔頂產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)降低，這是由于這時再增大回流比導致離子液體的濃度減小，導致分離效果變差。冷凝器與再沸器的熱負荷隨著回流比的增大而增大。因此，回流比為0.9是最優(yōu)工藝條件。

1-塔頂摩爾分數(shù)；2-再沸器熱負荷；3-冷凝器熱負荷圖4 回流比的影響Fig.4 Effect of reflux radio on separation performance

由圖5可得，當離子液體的進料位置下移，塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)逐漸減小，再沸器熱負荷先不變后減小，冷凝器熱負荷先不變后增加。綜合考慮，第3塊塔板為離子液體最優(yōu)的進料位置。

1-塔頂摩爾分數(shù)；2-再沸器熱負荷；3-冷凝器熱負荷圖5 離子液體進料位置的影響Fig.5 Effect of solvent feed stage on separation performance

1-塔頂摩爾分數(shù)；2-再沸器熱負荷；3-冷凝器熱負荷圖6 原料進料位置的影響Fig.6 Effect of mixture feed stage on separation performance

圖6顯示了原料混合物進料位置對分離效果以及能耗的影響。由圖可得，當原料進料位置高于第11塊塔板時，隨著原料進料位置下移，塔頂產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)增多；當原料進料位置低于第11塊塔板時，塔頂產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)先不變后減小。再沸器熱負荷隨著原料進料位置下移先增加后幾乎不變；冷凝器熱負荷隨著原料進料位置下移先減小后增加。綜上所述，第11塊塔板為原料最佳進料位置。模擬結果均列于表3中。

表3 萃取精餾模擬結果Table 4 The result of extractive distillation simulation

表3(續(xù))

3 結論

以離子液體[EMIM][BF4]為萃取劑分離異丙醇-乙腈共沸物系，使用Aspen Plus軟件對精餾過程進行了模擬與參數(shù)優(yōu)化，探討不同工藝條件對分離效果以及能耗的影響。其中，萃取精餾塔最佳工藝參數(shù)為：溶劑比為1.6，全塔理論板數(shù)為26塊，離子液體與原料進料位置分別為第3塊與第11塊塔板，回流比為0.9；離子液體回收塔的最佳工藝參數(shù)是：全塔理論板數(shù)為7，回收液進料位置為第5塊塔板，回流比為1.2。最終得到99.9%與99.8%質(zhì)量分數(shù)的異丙醇與乙腈。說明[EMIM][BF4]可作為萃取劑，工業(yè)化應用于分離異丙醇-乙腈共沸物。