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应用Aspen Plus分离共沸物

作者:admin 发布日期: 2019-01-23 二维码分享

非均相共沸精馏法[1]是适用于难分离物系的一种常用方法,而Aspen Plus流程模拟软件的应用为这一方法的实施提供了简便有效的验证途径,并在乙二醇独乙醚/甲基异丁基酮/水分离、工厂有机废液中的1,1,2-三氯乙烷的回收、高纯乙腈生产、乙醇/水共沸物分离[2]、回收废液中丙二醇甲醚与四川丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)[3,4]等领域均取得了成功的应用。

以2-氯乙醇/水共沸物的分离为例,采用非均相共沸精馏法,对Aspen Plus流程模拟软件的分离过程进行介绍。


1 过程模拟

1.1物性分析查阅资料,选取环己烷、甲苯和1,2-二氯乙烷为分离2-氯乙醇/水共沸物[5]的共沸剂。利用Aspen Plus的共沸物搜索功能获得了三种共沸剂与待分离物系形成的.低共沸物情况,如下表1所示,选择物性方法NRTL。表1共沸剂与2-氯乙醇/水体系的共沸物情况。

应用Aspen Plus分离共沸物

由表1可知,环己烷做共沸剂时,与2-氯乙醇、水形成.低三元非均相共沸物,但共沸物中2-氯乙醇与水的质量比约为1:1.5,与待分离体系中2-氯乙醇/水共沸物的比例(1:1.5)相近,因而塔釜不能获得高浓度2-氯乙醇,所以环己烷不宜作为共沸剂分离2-氯乙醇/水共沸物。

另外,由共沸数据可知,带出等质量的水,需要的1,2-二氯乙烷的量远大于甲苯;但甲苯与2-氯乙醇、水形成三元共沸物,提纯过程中会带出部分2-氯乙醇产品,而1,2-二氯乙烷则只与水形成二元共沸物,不会带出2-氯乙醇,因此仅凭借共沸剂与2-氯乙醇、水的共沸情况,难以从甲苯与1,2-二氯乙烷中选取更为适合的共沸剂。下文将通过Aspen Plus的模拟和设计功能,以年度总费用[6](Total annual cost, TAC)为指标在甲苯和1,2-二氯乙烷中选择较优共沸剂。

1.2共沸剂甲苯与1,2-二氯乙烷的比较

借助Aspen Ternary Map功能,选择物性方法NRTL,可分别做出共沸剂甲苯、1,2-二氯乙烷与2-氯乙醇-水在三角形相图[7]上的残余曲线与40℃液-液相平衡曲线,图中给出了三种组分所形成的二元、三元共沸点,可知甲苯、2-氯乙醇和水形成.低三元非均相共沸物,而1,2-二氯乙烷仅与水形成.低二元非均相共沸物,两者作为共沸剂皆可通过共沸塔与油水分离器的组合将2-氯乙醇与水分离。

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图2 1,2-二氯乙烷-2-氯乙醇-水三元相图

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图1甲苯-2-氯乙醇-水三元相图

根据图1、2可设计出图3所示的非均相共沸精馏概念流程:2-氯乙醇/水共沸物进入共沸塔,塔釜出料为合格的2-氯乙醇,塔顶蒸汽被冷凝至40℃后进入层析器进行油水分离,含少量水的油相出料返回共沸塔塔顶;含少量共沸剂与2-氯乙醇的水相出料进入脱水塔,塔釜出料为含ppm级有机物的废水,塔顶出料为共沸剂和2-氯乙醇与水形成的二元或三元共沸物,此共沸物循环回层析器继续反应。

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图3 非均相共沸精馏分离2-氯乙醇/水流程

上述流程中,共沸塔的总塔板数和进料位置、脱水塔的总板数、进料位置和回流比影响了整个过程的投资费用和能耗,为获得上述参数的.优值,对于使用不同共沸剂的非均相共沸精馏流程,以TAC为目标函数,采用Luyben提出的序贯迭代法[8]进行参数优化,结果如下表2所示,其中TAC =(资本成本+塔器成本)/回收期+蒸汽成本,详细说明见文献[6],单位为美元。

表2 序贯迭代法参数优化结果


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2 模拟结果与讨论

2.1 共沸剂分离结果

根据表2所示的参数,采用Aspen Plus对图3所示的20000t/a2-氯乙醇/水混合物分离过程进行了模拟,得出共沸塔及脱水塔的尺寸参数及待分离物系的分离情况,模拟结果如表3、4所示。

表3塔尺寸参数


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表4 不同共沸剂的模拟结果比较


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由表4可知,无论甲苯还是1,2-二氯乙烷作为共沸剂,皆可在共沸塔的塔釜获得合格的2-氯乙醇产品,但以1,2-二氯乙烷为共沸剂时,由于其带水较少,导致油相回流量远高于甲苯为共沸剂的情况。

2.2 模拟流程TAC计算数据

甲苯、1,2-二氯乙烷作为共沸剂,皆可实现共沸物2-氯乙醇/水的分离,在共沸塔的塔釜获得合格的产品。在此情况下,以表3所示共沸塔、脱水塔尺寸参数进行TAC计算,得出下表5所示数据。


表5 TAC比较


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由表5可知,对于两种共沸剂,流程的能耗主要由共沸塔决定。甲苯为共沸剂时,由于共沸塔的油相回流量远小于1,2-二氯乙烷为共沸剂时,使得其共沸塔能耗更低;而且由于以1,2-二氯乙烷为共沸剂时共沸塔的油相回流量远大于以甲苯为共沸剂时,这两点皆使得以甲苯为共沸剂的非均相共沸精馏流程的TAC较1,2-二氯乙烷更低,因此本文选择甲苯为共沸剂。


3 结论

针对非均相共沸精馏法提纯2-氯乙醇的过程,应用通用过程模拟软件Aspen Plus,通过其物性分析功能,无需模拟即可排除环己烷为共沸剂,节省了过程开发时间;根据对三元相图的分析,进行了使用不同共沸剂的分离过程的概念设计;.后,通过模拟和优化确定了.佳共沸剂为甲苯,并确定了.优工艺条件。

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