四氢呋喃-乙醇变压精馏分离

第42卷第10期化学工程Vol 42 No 102014年10月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Oct.2014四氢呋喃-乙醇变压精馏分离纪智玲,王志恒,李文秀,于三三,张志刚,李双明,范俊刚,张弢(沈阳化工大学辽宁省化工分离技术重点实验室,辽宁沈阳110142)摘要:共沸混合物分离是化工过程中常见的分离难题。变压精馏是根据物系压力改变而使液体混合物共沸点组成发生变化,进而使共沸物系得以分离的一种有效分离方法。在热力学分析基础上,提出了四氢呋喃乙醇液体混合物变压精馏分离双塔工艺流程。以 NRTL-RK为物性计算方法,利用 Aspen Plus模拟软件对变压精馏分离工艺过程进行分析及模拟,并对工艺参数进行优化。研究结果表明:在常压塔和0.8MPa高压塔组成的双塔流程中变压精馏可将四氢呋喃-乙醇最低共沸混合物进行较好的分离。关键词:汽液平衡;共沸物;变压精馏;模拟中图分类号:TQ028.3文献标识码:A文章编号:10059954(2014)100020-05DOI:10.3969/j.isn.10059954.2014.10.005Pressure-swing distillation separation oftetrahydrofuran-ethanol azeotropeJI Zhi-ling, WANG Zhi-heng, LI Wen-xiu, YU San-san, ZHANG Zhi-gang, LI Shuang-mingFAN Jun-gang, ZHANG TaoKey Lab of Chemical Separation Technology of Liaoning Province, Shenyang University of Chemical TechnologyShenyang 110142, Liaoning Province, ChinaAbstract: Azeotrope separations are tough issues commonly confronted in chemical processes. Pressure-swingdistillation( PSD)is based on the fact that azeotropic composition varies with the operational pressure, by whichazeotrope is then separated effectively. The azeotrope of tetrahydrofuran-ethanol characters that azeotropic pointappears in the vapor-liquid equilibrium, which makes it hard to separate tetrahydrofuran-ethanol liquid mixtureexperimentally and industrially. PSD is expected to fix this kind of separations effectively. In the research a dualcolumn process flow of tetrahydrofuran-ethanol pressure-swing distillation was put forward based on thermodynamicsanalysis. Aspen Plus simulation of pressure-swing distillation process of tetrahydrofuran-ethanol azeotrope wascarried out via NRTL-RK method. The technological parameters were optimized based on the process analysis. Itshows that tetrahydrofuran-ethanol azeotrope can be well separated by means of a two-column pressure-swingdistillation process, which is composed of atmospheric tower and high pressure tower(0. 8 MPa). It is helpful inguiding the process design for separation of tetrahydrofuran-ethanol azeotropeKey words: vapor-liquid equilibria; azeotrope; pressure-swing distillation; simulation四氢呋喃与乙醇是重要的有机溶剂,广泛应用优点12。于化工、制药、染料等领域。工业生产中产生的四氢应用 Aspen Plus模拟软件,依据四氢呋喃呋喃和乙醇液体混合物具有最低共沸点,采用普通乙醇体系汽液平衡数据研究了其变压精馏分离精馏无法对其实现有效分离。具有最低共沸点的难过程特性,并对过程工艺参数进行优化分析,提出分离混合物,可以采用恒沸精馏,萃取精馏,加盐精个具有较高分窣效率的四氢呋喃-κ醇双塔变压精馏等6特殊精馏方法。但与之相比,变压精馏更馏分离路中国煤化工录该类共沸体系具有工艺简单、不引入杂质以及节约能耗等独特分离过程CNMHG收稿日期:20140作者简介:纪智玲(1962—),女,副教授,主要研究传质过程及新型分离技术,电话:1860419780,E-mail:yizhiling@163.com。纪智玲等四氢呋喃-乙醇变压精馏分离211四氢呋喃-乙醇变压精馏精馏,塔底物流4为所得到的高纯度的四氢呋喃产变压精馏是利用二元混合物系对拉乌尔定律产品,塔顶共沸物料经物料路线2返回到常压塔LOW生偏差的特点,改变体系压力可以移动常压下形成继续精馏。的二元物系共沸点或改变其共沸组成,通过不同操作压力的精馏过程组合可以在塔顶或者塔底得到高纯度组分。1.1四氢呋喃-乙醇物系在不同压力下汽液相平衡FEEDH LOWHIGH从图1和表1可以看出,随着压力的增加四氢呋喃-乙醇的共沸点沿参考线向左移动,四氢呋喃在共沸物中的摩尔分数减少。常压以下,压力的减小EED原料;3-乙醇;4四氢呋喃;LOW常压塔;HGH高压塔;使四氢呋喃-乙醇的相对挥发度增大,但是对设备的B1-减压阀;B2输送泵气密性要求增加,为了降低操作成本,选择使用常压图2变压精馏工艺流程Fig 2 PSD Flowchart塔。在加压条件下,随着压力的增加,四氢呋喃-乙醇相对挥发度增加,但增加到一定程度时,压力的增2模拟计算与优化分析加对相对挥发度的影响明显变小,为了降低设备的2.1模拟规定投资费用。高压塔选择操作压力为810.6kPa。气液平衡采用 NRTL-RK模型,模拟计算依据见表20.8表2变压精馏模拟计算依据Table 2 basic facts for pSd simulation0.6参数名称进料量/进料组成乙kmol·h-2)醇摩尔分数进料温度分离要求乙丽0.4醇摩尔分数d506.625kPa数值0.7常温0.995以上e 810.6kPaf 1 000 k Pa2.2模拟过程分析与优化液相四氢呋喃摩尔分数对分离过程工艺而言,产品纯度、产量与能耗之图1压力对物系汽液平衡的影响间互相制约。因此需要选择满足生产工艺条件下投Fig. 1 Pressure effect on system vapor-liquid equilibrium入较小能耗的操作条件。表1压力对共沸组成的影响2.2.1常压塔总塔板数对乙醇产品纯度(摩尔分Table 1 Effect of pressure on azeotrope composition数)与再沸器热负荷Q的影响常压塔总塔板数对塔底乙醇产品纯度(摩尔分60.795kPa100kPa506.625kPa810.6kPa1000kPa乙醇摩数)及再沸器热负荷Q影响见图30.0250.09350.6360.902尔分数共沸温51.0465.35122.33141.97150.830.99922700.99乙醇摩尔再沸器热贫萄1.2变压精馏常规工艺流程0.992240依据1.1节的分析可设计变压精馏流程如图2所示。在图2中,循环高压共沸组成混合物2引入0.993中国煤化工3032220常压塔IoW循环进料,塔顶物流1为常压条件下的CNMHG共沸物,塔底物流3可以得到高纯度的乙醇产品;常图3总塔板数的影响压塔塔顶的共沸物即物流1进入高压塔HGH进行Fig 3 Effects of total number of trays化学工程2014年第42卷第10期由图3可以看出,乙醇产品纯度(摩尔分数)随由图5可知,随循环物流进料位置的下移,乙醇着总塔板数的増加而增大,但塔底乙醇产品纯度达产品纯度降低而所需的再沸器热负荷増加。到一定程度,其随塔板数增加的幅度趋缓,之后保持由图6可知,原料的进料位置过低或过高时,乙定值。同样随着塔总板数的増加,再沸器热负荷φα醇产品纯度玓降低且再沸器热负荷增加。降低。综合考虑,常压塔理论塔板数选择为22块,可避免塔板数增加导致的设备投资费用。1.012.2.2常压塔回流比对乙醇产品纯度与能耗Q的影响0.98乙醇摩尔分数沸器热负荷在常压塔理论塔板数为22的情况下,研究回流21400.96比对产品纯度及再沸器热负荷的影响见图4。21200.9421000.931.0020802800246810121516182022进料位置图6主进料位置的影响0.98Fig 6 Effects of feed location乙醇摩尔分数0-再沸器热负何0.96故常压塔循环进料最佳进料位置在第3块塔0.95板,主进料最佳进料位置在第9块塔板00.20.40.60.81.01.2回流比R2常压塔循环进料量对乙醇产品纯度及再沸图4回流比的影响器热负荷的影响Fig 4 Effects of reflux ratioqb/q表示常压塔塔顶产品摩尔流量与主进料摩尔流量之比,它也可反映循环进料量对常压塔操图4可知随着回流比R1的增加,塔底乙醇产品作的影响。选用前述适宜的操作参数,研究循环进料量对产品纯度及再沸器热负荷的影响。纯度(摩尔分数)及再沸器热负荷Qε均显著增加,但乙醇产品纯度达到一定值后趋于稳定,而再沸器热负荷却是线性增大。在满足分离要求前提下尽可能选择较小的回流比,故常压塔选择回流比为0.6。20002.2.3进料位置的影响1800选择常压塔理论塔板数为22,回流比为0.6,常0.96乙醇摩0-再沸器1600压塔循环进料1和主进料FEED位置对产品纯度及1400再沸器热负荷Q的影响如图5和图6所示。0.91.1131.51.71.92.12240qq图7常压塔循环进料量的影响Fig. 7 Effects of reflux feeding flow rate21800.94长如图7所示,随常压塔循环进料量增大,即常压2140塔塔顶采出量增大,乙醇产品纯度高显著增加,但相一乙醉摩尔分数再沸器热负荷2100应再沸器热负荷也明显增大。从图7中可以得出,0.84合适的循环02468101215161820中国煤化工2.2.5高CNMHG图5循环进料位置的影响继续这力同阳行优化分析,优Fig 5 Effects of reflux feeding location化工艺条件总结果如表3所示。纪智玲等四氢呋喃-乙醇变压精馏分离表3工艺流程优化操作参数Table 3 Optimization of operating parameters设备名称参数名称参数值平四氢呋喃汽相总塔板数四氢呋喃液相循环物流进料位置2390000乙醇液相乙醇汽相常压塔LOW主进料位置回流比0.6操作压力/kPa0246810121416182022总塔板数塔板数进料位置高压塔HGH图8常压塔汽液摩尔分数分布回流比8 Mole fraction distribution of atmospheric column操作压力/kPa810.63模拟结果与讨论0.93.1变压精馏流程模拟结果采用表3所示优化工艺参数,对图2所示流程0-四氢呋喃液相0.5乙醇汽相进行模拟优化,模拟结果如表4所示。勤0.4一乙醇液相表4变压精馏流程模拟结果0.2Table 4 PSD simulation results468101214161820222426流股FEED塔板数图9高压塔汽液摩尔分数分布温度/566.9478.98Fig9 Mole fraction distribution of high pressure column压力/kPa102.925811.8101.725104.24摩尔流量100150120kmol h)4结论四氢呋喃0.30.7330.670.00120.997(1)由汽液相平衡数据分析可知,压力改变可摩尔分数以较大程度上移动四氢呋喃-乙醇共沸点,使得变压精馏可以较好地分离四氢呋喃-乙醇二元共沸物系。乙醇摩0.70.2670.3330.99880.003尔分数(2)应用 Aspen Plus模拟软件对变压精馏分离四氢呋喃-乙醇共沸物系双塔工艺流程进行研究,得由表4结果可知,变压精馏分离后,常压塔底可该双塔工艺流程,可得到纯度为99.7%的四氢呋喃得到摩尔分数99.88%的乙醇,高压塔底可得到与99.5%的乙醇产品99.7%的四氢呋喃。(3)本研究提出的四氢呋喃-乙醇变压精馏流3.2塔内汽液摩尔分数分布程对共沸物系分离工艺优化分析和对相应现有工艺常压塔LOW和高压塔HCH塔内汽液相摩尔装置改造具有重要的指导意义。分数分布分别如图8和图9所示。由图8和图9可见,常压塔DOW和加压塔参考文献:HlH塔顶区域汽液二相均接近共沸组成;而分别(1 BRUNNER E, SCHOLZ A G R.orir在塔釜区域,汽液二相摩尔分数均趋近于1,反映该中国煤化工 system at25,50变压精馏流程可在常压塔底得到高纯乙醇和在高压塔底得到高纯四氢呋喃,该结论与变压精馏流程模2]YOSHCNMHG4,29:2831.AAGI A. AAIU M. Indirect determi拟结果互为印证,工艺操作条件设置合理,变压精馏nation of vapor-liquid equilibria by a small ebulliometer流程方案可行。Tetrahydrofuran-alcohol binary systems[ J. J Chem Eng24·化学工程2014年第42卷第10期Data,1980.25:344.(7):1495-1499[3 YUAN Huajun, AN Yue, XU Guohua, et al. Kinetics of [ 10] LI Weisong, SHI Lei, YU Baoru, et al. New pressure-swingquid-phase hydrogenation of toluene catalyzed by hydro-distillation for separating pressure-insensitive maximumgen storage alloy MIN is[J]. J Rare Earths, 2004, 2boiling azeotrope via introducing a heavy entrainer: design(3):385389g Chem Res. 2013. 524]董营,肖颖,黄耀东,等.萃取精馏分离碳酸二甲酯-乙7836-7853醇二元共沸物[J].化工进展,2013,23(4):750-756[11 MODLA G, LANG P. Removal and recovery of organic5]刘伟明,程庆来,刘丽波,等.萃取精馏分离四氢呋喃solvents from aqueous waste mixtures by extractive and乙醇共沸物系[J].天津化工,2009,23(3):1921pressure swing distillation J]. Ind Eng Chem Res[6]杨慧,陈砺,严宗诚,等.燃料乙醇萃取精馏工艺的有2012,51:11473-11481效能分析[J].华南理工大学学报:自然科学版,201038(8):4043[12]纪智玲,王志恒,李文秀,等.具有最低共沸点的难分[7 SEADER J D, HENLEY E J. 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