异丙醇的生产以丙烯和水为原料, 采用酸性或阳离子交换树脂催化, 经水合生成[1]。合成过程中的副产物异丙醚能与异丙醇、水相互之间在常压下形成二元和三元共沸体系[2], 其中三元共沸物的组成为异丙醚:异丙醇:水=0.91:0.04:0.05 (质量分数), 共沸温度61.8℃, 用常规精馏方法得不到高纯度产品。为了增加副产物异丙醚的附加值, 人们对该体系的分离精制进行了大量的研究, 采用恒沸精馏和萃取的工艺较为成熟, 但普遍存在工艺复杂、能耗高、间歇操作等问题, 难以在工业生产中大规模应用[3, 4]。也有采用萃取精馏分离该恒沸体系的研究[5], 但采用水作为萃取剂, 产品中必然含有大量的共沸水, 因此难以得到高纯度的产品。
间歇萃取精馏[6]作为一个新兴的研究课题, 它同时具备间歇精馏的灵活性、经济性和萃取精馏的实用性[7]。它是通过向精馏塔上部加入适当流量的溶剂以增大共沸物组分之间的相对挥发度, 从而使难分离物系转化为易分离物系, 让分离得以实现并降低成本的一种特殊间歇精馏技术。因此, 在共沸物的分离方面具有明显的优越性[8]:如通过选取不同的溶剂, 可完成普通精馏无法完成的分离过程; 设备简单、投资较小; 可单塔分离多组分混合物; 设备通用性强, 可用同一塔处理种类和组成不同的物系; 对于近沸物和共沸物的分离, 与共沸精馏相比操作过程简单, 有较好的经济性。
本文以乙二醇为溶剂, 使用Aspen Plus化工模拟软件中的BatchFrac模块, 基于UNIFAC模型, 对异丙醚-异丙醇-水体系的间歇萃取精馏过程进行模拟, 优化了工艺参数, 模拟和优化的结果为间歇萃取精馏在工业上的进一步应用提供了一定的指导作用。
在模拟中, 从塔底一次性加入异丙醚-异丙醇-水原料, 经过塔釜再沸器加热, 形成上升蒸汽, 同时, 在间歇精馏塔的上部加入溶剂乙二醇, 乙二醇为连续进料。溶剂与原料充分作用, 改变了异丙醚、异丙醇和水的相对挥发度, 使分离更易进行。
出料共分为六个阶段, 即异丙醚出料阶段、过渡段1、异丙醇出料阶段、过渡段2、水的收集阶段以及溶剂回收阶段。每次规定值下的出料都在收集器中进行收集, 然后一次性清空, 再进行下一阶段产品的收集。
原料进料组成为72% (w)的异丙醚, 16%的异丙醇, 12%的水, 原料中水的含量相对较少, 因此仅讨论操作条件改变对产品异丙醚和异丙醇的影响。
在原料进料量为100 kmol, 溶剂进料速率为100 kmol/h, 进料温度为60℃, 塔板数为16, 溶剂进料板位置为3, 回流比为10的条件下, 改变间歇萃取精馏的溶剂比, 考察溶剂比对塔顶异丙醚产品质量分数及收率的影响。模拟结果如图 1所示。
由图 1可知, 溶剂的加入改变了原料物系的相对挥发度, 理论上讲, 溶剂用量越大, 分离效果越明显。但溶剂比过大, 会增加塔底再沸器的热负荷, 还会使溶剂在再沸器中的累积量加大, 导致再沸器的容量也要相应的加大, 为后续溶剂回收带来困难。这些都造成了经济上的不合理, 在分离要求等达到的前提下, 存在适宜的溶剂用量。总体考虑, 取溶剂比为1.72较为合适。
在原料进料量为100 kmol, 溶剂进料温度为60℃, 溶剂比为1.72, 塔板数为16, 溶剂进料板位置为3的条件下, 改变间歇萃取精馏的回流比, 考察回流比对塔顶异丙醚产品质量分数及收率的影响。模拟结果如图 2所示。
由图 2可知, 增大回流比至一定程度时, 部分轻组分会随着溶剂回落到塔内, 回流量过多会降低塔板上萃取剂的浓度, 使组分间的相对挥发度减小, 不利于产品质量的提高。而增大回流比, 相应的会延长出料时间。回流比过大, 意味着操作能耗的增加, 在经济上不合理。综合考虑, 取回流比为5比较合适, 此时塔顶异丙醚产品质量分数达0.996, 收率为0.990。
在原料进料量为100 kmol, 溶剂进料温度为60℃, 塔板数为16, 溶剂进料板位置为3, 回流比为5的条件下(固定异丙醚收集阶段回流比为5, 溶剂比为1.72), 改变间歇萃取精馏的溶剂比, 考察溶剂比对塔顶异丙醇产品质量分数及收率的影响。模拟结果如图 3所示。
由图 3可知, 当溶剂比为0.63时, 异丙醇的质量分数达0.969, 收率达0.714, 较合适。
在原料进料量为100 kmol, 溶剂进料温度为60℃, 塔板数为16, 溶剂进料板位置为3, 溶剂比为0.63的条件下, 改变间歇萃取精馏的回流比, 考察回流比对塔顶异丙醇产品质量分数及收率的影响。模拟结果如图 4所示。
由图 4可知, 增大回流比可以提高产品的分离效果。但增大回流比至一定程度时, 部分轻组分会随着溶剂回落到塔内, 回流量过多会降低塔板上萃取剂的浓度, 使组分间的相对挥发度减小, 不利于产品质量分数的提高。同时回流比过大, 意味着操作能耗的增加, 在经济上不合理。因此, 综合考虑, 在满足分离要求的条件下, 取回流比为5比较合适, 此时异丙醇产品质量分数达0.969, 收率达0.714。
在原料进料量为100 kmol, 溶剂进料温度为60℃, 塔板数为16, 异丙醚收集阶段溶剂比为1.72, 回流比为5, 异丙醇收集阶段溶剂比为0.63, 回流比为5的条件下, 改变间歇萃取精馏中乙二醇进料位置, 考察溶剂进料位置对产品质量分数的影响。模拟结果如图 5所示。
由图 5可知, 当溶剂直接从接近塔釜处加入时, 不能很好地分离物系。进料位置越高, 越能使塔内各板的液相中均保持一定比例的溶剂, 改变组分间相对挥发度效果越好, 分离越彻底。综合考虑, 溶剂进料位置为第3块塔板时比较好, 此时异丙醚的质量分数达0.996, 异丙醇质量分数达0.978。
在原料进料量为100 kmol, 塔板数为16, 溶剂进料板为3, 异丙醚收集阶段溶剂比为1.72, 回流比为5, 异丙醇收集阶段溶剂比为0.63, 回流比为5的条件下, 改变间歇萃取精馏的乙二醇进料温度, 考察乙二醇进料温度对产品质量分数的影响。模拟结果如图 6所示。
由图 6可知, 溶剂入塔温度应与塔内该处的温度相近或稍低, 以减少塔釜供热量。而溶剂进料处塔板温度为60.2℃, 故溶剂进料温度适宜取为60℃。
间歇萃取精馏分离异丙醚-异丙醇-水体系在最佳条件下进行模拟后, 精馏塔内各组分组成随时间的变化情况如图 7所示。
从图 7中可以看出在整个精馏过程中, 塔内轻组分异丙醚、异丙醇和重组分水组成的变化情况。在精馏进行的前1.6 h内, 异丙醚、异丙醇和水的组成基本保持不变, 该时间段为异丙醚的收集阶段。随后, 塔内组成发生明显变化, 异丙醚含量急剧下降, 至2.0 h后, 开始缓慢下降, 最终接近0。塔内异丙醇组成从1.6 h开始急剧上升, 1.8 h至2.2 h内, 异丙醇和水的组成基本不变, 该阶段为异丙醇收集阶段, 之后异丙醇含量急剧下降, 最终接近0。塔内水的组成从2.2 h开始急剧上升, 3.0 h至4.0 h内, 组成基本保持不变, 该阶段为水的收集阶段, 该阶段中, 主要是将塔釜剩余的水与溶剂乙二醇分离开来, 并收集产品水。
模拟所得最佳工艺参数如下:原料进料量为100 kmol, 塔板数为16, 溶剂进料板位置为3, 溶剂进料温度60℃, 异丙醚收集阶段溶剂比为1.72, 回流比为5, 异丙醇收集阶段溶剂比为0.63, 回流比为5时, 塔顶产品异丙醚最终出料时的质量分数可达99.6%, 总出料量为4344.2 kg/h, 收率达98.6%, 异丙醇最终出料时质量分数为97.8%, 总出料量为716.7 kg/h, 收率可达71.7%。
可见, 模拟结果较好地达到了预期的实验效果, 所做模拟很好地反映了整个间歇萃取精馏的过程, 所得实验参数优化了实验操作, 对实际条件下的间歇萃取精馏应用提供了一定的指导作用。
2010, Vol. 39 Issue (6): 472-474, 486
2010, Vol. 39 Issue (6): 472-474, 486