萃取精餾分離乙二胺-水的工藝設計

摘 """""要： 為研究一種萃取精餾分離乙二胺和水二元共沸體系的工藝，通過Aspen Plus開展模擬設計，以1，4-丁二醇為萃取劑進行萃取精餾分離，并采用序貫迭代算法以最小年總費用為目標確定了萃取精餾分離乙二胺-水的最佳穩態工藝參數。對于40%摩爾分數乙二胺、60%摩爾分數水的進料組成，經過該工藝分離可得到摩爾分數為99.7%的水和99.5%的乙二胺。

關 "鍵 "詞：乙二胺； 萃取精餾； 序貫迭代算法； Aspen Plus模擬

中圖分類號：TQ028.3 """""文獻標志碼： A """""文章編號： 1004-0935（2025）03-0461-04

乙二胺是一種無色油狀透明液體，其化學式為C₂H₈N₂。它易溶于水、乙醇，微溶于乙醚，可與水、正丁醇、甲苯形成共沸混合物。乙二胺是一種重要的化工中間體，在有機合成、印染、電鍍、農藥、醫藥等眾多工業領域具有廣泛的應用^[1]。目前乙二胺的合成主要采用乙醇胺氨化法制取乙二胺（MEA法）^{[1， 2]}，反應過程中產生的水會與乙二胺形成最高沸點共沸物系。

對于共沸物系，常規精餾方法難以將其分離，因此，需要采用一些特殊的精餾方法，如變壓精餾^[3-7]或萃取精餾^[8-10]。變壓精餾往往需要提高壓力以使共沸組成發生改變，但同時也造成了能耗的增加。萃取精餾通過向體系中引入萃取劑，改變組分之間的相對揮發度，可以實現共沸物的有效分離。這種方法可以簡化操作流程，同時也無需提供額外能耗，因此具有重要的研究意義。

本研究以1，4-丁二醇為萃取劑，設計了一種萃取精餾分離乙二胺-水共沸體系的工藝，并在保證分離純度的情況下，以最小年總費用為目標，采用序貫迭代算法進行優化，確定了最佳操作參數。

1 "穩態模型的建立

進料條件如下：乙二胺與水的進料摩爾分率分別為40%和60%，進料流量為100 kmol·h^-1，進料溫度為25"℃，進料壓力為1 atm。設計要求乙二胺和水的產品摩爾純度不低于99.5%。

模擬結果的準確性依賴于適當的物性方法。本研究參照其他文獻^[3，11]，采用了Aspen Plus軟件自帶的UNIQUAC模型。

一個合適的萃取劑可以有效改變原有組分間的相對揮發度，降低分離難度。本研究考察了1，4-丁二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇和丙三醇4種物質，得到的相對揮發度曲線如圖1所示?？梢钥闯?，未添加萃取劑時，相對揮發度曲線與對角線存在一個交點，在該點液相與氣相組成相同，即產生了共沸現象。添加丙三醇后，依然存在著共沸現象，該溶劑不可作為萃取劑；分別添加1，4-丁二醇、1，2丙二醇、1，3丙二醇3種溶劑后，相對揮發度曲線與對角線產生明顯偏離，說明溶劑的添加可以有效改變組分間的相對揮發度，且以1，4-丁二醇的效果最好，本研究選擇該溶劑作為萃取劑。

乙二胺與水構成最高沸點共沸物。該工藝中，原料與萃取劑首先進入萃取精餾塔（extractive distillation column，EDC）。萃取劑的存在改變了原有組分間的相對揮發度，于是水從EDC塔頂餾出，塔底則是乙二胺與萃取劑的混合物，二者隨后進入萃取劑回收塔（entrainer recovery column， ERC）。由于1，4-丁二醇與乙二胺不發生共沸，所以該塔可將二者分離。乙二胺的沸點較高，作為重組分從塔底采出，而萃取劑則從塔頂餾出，經冷卻器降溫后重新匯入EDC，以進行新一輪的分離。通過這種循環往復的分離過程，最終可以在EDC和ERC塔底獲得高純度的水合乙二胺產品。在該工藝中，EDC和ERC均采用RadFrac模塊進行模擬。乙二胺-水體系的萃取精餾初始工藝流程圖如圖2所示。

2 "設計參數的優化

2.1 "評價指標

年總費用（total annual cost，TAC）主要包括設備投資費用和操作費用^[12-13]。設備投資費用與操作費用所需數據如表1所示。設備回收期設定為3年，TAC計算如式（1）所示。

年總費用=操作費用+ 設備投資費用 回收期 """"（1）

2.2 "優化方法

本研究采用序貫迭代算法^[14-17]，以最小TAC為目標，對流程中的萃取劑用量，塔板數以及進料位置分別進行了優化。在優化過程中，萃取劑用量S被設定為最外層的循環變量，理論塔板數（N_EDC、N_ERC）為次內層迭代變量，回流比（RR₁、RR₂）與進料位置（N_F1、N_R、N_F2）為最內層迭代變量。優化流程如圖3所示。值得一提的是，當萃取劑用量與塔板數確定后，設備投資費用隨之確定，TAC僅與操作費用相關。而在操作費用的計算中，為再沸器供熱的熱公用工程占據操作費用的主體地位，于是選擇了再沸器熱負荷來比較其經濟性，減少了一部分計算量。

2.3 "優化結果分析

增大萃取劑的用量雖然能夠提高產品的純度，但同時會增加塔底再沸器的熱負荷，進而使TAC升高。圖4表明，萃取劑用量與TAC正相關。本研究發現，當萃取劑用量低于300"kg·h^-1時，流程在給定操作條件下無法達到分離要求；當S為300"kg·h^-1"時，可分離得到符合要求的水合乙二胺產品，且TAC值最小，因此，確定萃取劑的最佳流量為300"kg·h^-1。在當前萃取劑用量下，繼續優化兩個塔的塔板數，進料位置及回流比。

根據圖5和圖6可以看出，隨著EDC與ERC的塔板數的增加，TAC均呈現出先下降后上升的趨勢，最優塔板數分別為48和12。分析可知，當塔板數增加時，設備投資費用會相應增加，但是分離難度降低，在滿足純度要求的條件下設計規定會減小回流比，進而導致操作費用降低。二者增減的幅度不一致，綜合作用下形成了這種趨勢。在優化EDC的兩個進料位置時，由于兩個變量需要同時優化，因此產生了大量的組合，其中很大一部分無法使得程序收斂，其余可行組合并未顯示出明顯趨勢，難以進行分析。本研究按照序貫迭代優化程序選擇了使Q_reb最小的進料位置，原料進料位置為12，萃取劑進料位置為10，ERC進料位置為7。

綜上所述，本研究采用序貫迭代算法對萃取精餾分離乙二胺-水工藝的主要參數進行了優化，得到了一組最優的工藝設計參數。EDC的最優參數：塔板總數為48，進料位置為12，回流位置為10，此時的回流比為0.077；ERC的最優參數：塔板總數為12，進料位置為7，此時的回流比為0.530。優化后的流程如圖7所示。該工藝的年總費用為"""""""1"818.81×10³美元?年^-1，與初始工藝流程相比節約了42%。

3 "結 論

本研究選擇1，4-丁二醇作為萃取劑，采用萃取精餾工藝對乙二胺-水二元共沸體系進行分離，并通過序貫迭代算法對萃取劑用量、塔板數、進料位置和回流比進行了優化，確定了最優設計參數。該工藝設計可從兩塔塔頂分別獲得產品乙二胺和水，其摩爾純度均達到99.5%以上。這項研究的思路對于其他共沸物系的分離也具有一定的指導意義。

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Design of Extractive Distillation for Separation of Ethylenediamine and Water

PENG Zekong¹， WANG Yan¹， CUI Yong¹， LI Shuang²， ZHAI Jian¹

（1."School of Environmental and Chemical Engineering， Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China;

2."Liaoning Chemical Industry Association，"Shenyang Liaoning 110000， China）

Abstract："A process for separating the binary azeotropic system of ethylenediamine and water using an extractive distillation was studied. The simulation and design were performed using Aspen Plus， with 1，4-butanediol as the extractant for the extraction distillation separation. Sequential iterative algorithm was employed to determine the optimal steady-state process parameters for ethylenediamine-water extractive distillation with the objective of minimizing total annual cost. For a feed composition consisting of 40% mole fraction ethylenediamine and 60% mole fraction water， this process can achieve separation into water with a mole fraction of 99.7% and ethylenediamine with a mole fraction of 99.5%. The minimum total annual cost is calculated to be 1 818.81×10³"$?year^-1.

Key words："Ethylenediamine;"Extractive distillation;"Sequential iterative algorithm;"Aspen Plus simulation