萃取精馏系统——Aspen plus 模拟流程介绍

  萃取精馏属于特殊精馏的范畴，主要应用于待分离组分之间相对挥发度很小，普通精馏无法实现分离或者实现分离非常不经济的情况。

  实现萃取精馏的关键在于寻找合适的萃取剂。对一个特定体系来说，合适的萃取剂应首先满足萃取剂的加入，使待分离组分相对挥发度增大，使分离容易实现；其次应该是萃取剂沸点明显较高，且不形成共沸，容易实现分离，便于循环利用；最后从工程设计的角度出发，萃取剂应该是文献报道过的，理化性质经过充分研究的可应用于该体系的物质。

  下面以海川石化为宁波某科研机构设计的醋酸乙酯-乙醇体系的萃取精馏为例，说明萃取精馏模拟的要点及注意事项。

  文献报道的提纯醋酸乙酯的方法有共沸精馏、反应精馏、萃取精馏，均可实现99%的醋酸乙酯纯度。

  考虑到技术实现的成熟度，海川石化选择萃取精馏作为本工艺包的关键操作单元。

  根据相似相溶原理，该体系中，水是强极性物质，乙醇是极性物质，醋酸乙酯是中性物质，萃取乙醇和水的萃取剂应具有极性。常用物质极性由小到大可按下列顺序选择：碳氢化合物、醚、酮、脂、醇、水。为使被分离组分的相对挥发度变大并避免形成新的共沸物，可从醇类的同系物中选取高沸点物质。二甲基亚砜沸点197.9℃，并且溶于乙醇，又有文献研究醋酸乙酯-乙醇-二甲基亚砜物性行为，提出Wilson方程可较好地描述该体系，因此本工艺包模拟中采取二甲基亚砜为萃取剂，物性方法采取Wilson方程。

图1 醋酸乙酯-乙醇-二甲基亚砜沸点及共沸点

  设计工艺包前，首先利用ASPEN软件对醋酸乙酯-乙醇-二甲基亚砜体系进行物性分析。图1显示了各纯组分沸点及混合物共沸点。该三元相图如图2所示。醋酸乙酯和乙醇的共沸点在坐标轴上，剩余曲线从共沸点向萃取剂二甲基亚砜顶点移动。

图2 乙酸乙酯-乙醇-二甲基亚砜 三元相图

  图2还显示塔顶馏出物D和塔釜采出物B在相图上的位置关系。萃取剂S和物料F以一定比例混合，混合点E，黑线为物料平衡线，它通过此三元物混合点E。

  图3为乙醇和二甲基亚砜的Txy图，由图看出，汽相含量y与液相含量x相差较大，可通过精馏容易实现分离回收。

图3 乙醇-二甲基亚砜 Txy图

  通过以上物性分析，验证萃取精馏分离醋酸乙酯-乙醇的可行性。

  在做严格设计时，需要设置塔板数、进料板位置、回流比、萃取剂用量等参数，因此我们事先做简捷精馏计算模拟，以获得这些参数的大致范围。简捷计算此处从略，我们直接在严格计算中运用其模拟结果。

  该体系是非理想性气液平衡体系，萃取塔EXTRACT收敛方法改为“非常不理想液体”。

图4 萃取塔EXTRACT 设置

图5 溶剂回收塔REC-COL 设置

  萃取精馏相比于普通精馏，增加了额外的自由度、溶剂量（S）和进料量（F）的比值（S/F）。很显然如果没有萃取剂，是不能实现分离要求的；如果使用大量的萃取剂，所需塔径尺寸和能耗都非常巨大，因此，寻找合理的（S/F）是必须的。

  灵敏度分析如图6，显示不同溶剂流量对馏出物的影响。由图看出，溶剂量增加，产品纯度增加。

图6 溶剂用量对萃取塔塔顶产品纯度的影响

  而回流比对产品纯度的影响比较复杂。过多或过少的回流对产品纯度均是不利的。这是与普通精馏不一致之处。这是因为如果回流比过小，更多的共沸剂进入塔顶而降低塔顶产品纯度，如果回流比过大，富余的醋酸乙酯以液相返回，会稀释塔内共沸剂浓度，使得更多的乙醇进入塔顶。图7是通过灵敏度分析，计算不同回流比下，塔顶乙醇和二甲基亚砜的浓度，证实了以上的解释。

图7 回流比对萃取塔塔顶杂质的影响

  因此，萃取塔需要确定两个重要的参数：（S/F）和回流比。

  根据分离要求≥99.9%（w.t.%）,由图看出，溶剂量达到时3200kg/h，可满足分离要求。进料量F=2t/h,则算出S/F=1.6

  模拟的难点是萃取精馏存在一个有循环流股的物流，第一个精馏塔的设计依赖于第二个精馏塔的塔底物流，因此，循环物流的收敛是关键因素。

图8 不带循环流股的流程图

  处理这样问题的一个方法是先断开物流，手动模拟，即反复将FROMCOL流量赋予REC-SOL，直至二者结果接近，再将二者合二为一，同时在“撕裂”中将此新流股设置为作为撕裂物流，在“收敛”中设置此流股的收敛方法为BROYDA。

图9 带循环流股的萃取精馏流程图

  此外，还需注意补充物流MAKEUP用量，采用“计算器”功能，设置如图10所示。

图10 “计算器”设置MAKEUP溶剂量

  以上设置成功后，运行收敛。

  结果显示，萃取塔塔顶醋酸乙酯纯度达99.98%，溶剂回收塔塔顶乙醇纯度达99.95%。

  同样操作条件下，通过海川石化的中试装置实验发现，醋酸乙酯纯度为99.2%，乙醇纯度为99.6%。

  二者相差不大，模拟结果可靠，说明物性方程选择正确。