精餾法分離乙酸乙酯和乙醇共沸物系

精餾法分離乙酸乙酯和乙醇共沸物系

乙酸乙酯（ae）是一種重要而廣泛的精細(xì)化工產(chǎn)品。這是工業(yè)上的重要溶劑。它廣泛用于生產(chǎn)人工香煙、澄清、涂料和人造纖維。本工作通過(guò)對(duì)萃取劑的篩選，選擇了DMSO為萃取劑，通過(guò)AspenPlus模擬軟件研究了EA和乙醇分離的連續(xù)萃取精餾過(guò)程及最佳條件，以期為工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)。1萃取劑的篩選1.1汽液平衡相模擬萃取精餾分離EA和乙醇物系的常用萃取劑有DMF和DMSO等。通過(guò)AspenPlus軟件進(jìn)行模擬，選用NRTL模型，模擬的汽液平衡相圖見(jiàn)圖1。圖1a為EA與乙醇的汽液平衡相圖，可以看到有一個(gè)共沸點(diǎn)，EA與乙醇的共沸組成和共沸溫度與文獻(xiàn)1.2dmso為萃取劑的精餾過(guò)程采用AspenPlus軟件繪制了EA-乙醇-DMSO在常壓下的剩余曲線，分析以DMSO為萃取劑的萃取精餾過(guò)程，見(jiàn)圖2。由圖2可知，不穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)只有EA和乙醇的共沸點(diǎn)，且剩余曲線都由這一共沸點(diǎn)出發(fā)指向萃取劑DMSO處，沒(méi)有精餾邊界的存在，這意味著塔頂會(huì)得到EA，塔釜為乙醇和DMSO。因此，以DMSO為萃取劑的萃取精餾過(guò)程可行。2為了驗(yàn)證和模擬間歇性萃取和精細(xì)蒸餾的實(shí)驗(yàn)2.1回收裝置的制備采用自制的實(shí)驗(yàn)室小試填料精餾塔（理論板數(shù)約為25）進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證以DMSO為萃取劑分離EA和乙醇的可行性。實(shí)驗(yàn)步驟為：1）將EA和乙醇（分析純，元立化工有限公司）配制成質(zhì)量比為7∶3的溶液，倒入塔釜，進(jìn)行全回流操作，全回流時(shí)間為1h;2）以15mL/min的速率加入萃取劑DMSO，以回流比為3采出，每隔5min測(cè)定塔頂采出組分；3）當(dāng)塔頂EA純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）達(dá)到最大值并開(kāi)始下降時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，塔頂EA純度最高可達(dá)0.914，說(shuō)明DMSO可有效打破共沸，萃取精餾可行。2.2不加萃取劑的普通精餾過(guò)程采用AspenPlus軟件BatchModeler模塊對(duì)EA和乙醇的萃取精餾過(guò)程進(jìn)行了模擬。模擬選定與間歇實(shí)驗(yàn)相同條件，塔板數(shù)為25塊，回流比為3，使用盤(pán)管加熱，加熱介質(zhì)溫度設(shè)定為130℃。圖3a為不加萃取劑下的普通精餾過(guò)程。由圖3a可知，普通精餾下，塔頂EA純度最高為0.69，達(dá)到共沸物下標(biāo)準(zhǔn)組成，這與預(yù)期的結(jié)果相同。圖3b和圖3c分別為在第2塊塔板上加入DMF或DMSO萃取劑時(shí)，塔頂EA純度變化曲線。由圖3b和圖3c可知，在相同條件下，以DMSO為萃取劑時(shí)，塔頂可得到更高純度的EA，說(shuō)明以DMSO為萃取劑的效果更好。3連續(xù)萃取和精餾過(guò)程的模擬3.1連續(xù)萃取精餾過(guò)程模擬圖4為采用AspenPlus軟件建立的EA和乙醇連續(xù)萃取精餾模擬流程。由圖4可知，將原料加入萃取精餾（T）塔精餾，塔頂產(chǎn)品（D1）為高純度EA，塔釜產(chǎn)品主要為乙醇和DMSO；塔釜物流（W1）進(jìn)入溶劑回收（H）塔，由于乙醇和DMSO相對(duì)揮發(fā)度較大，H塔塔頂產(chǎn)品（D2）為純度較高的乙醇，塔釜可得到高純度的DMSO，塔釜物流（W2）再循環(huán)到T塔加以利用，由于過(guò)程中會(huì)在H和T兩塔塔頂損失少量DMSO，為了保持平衡，需要補(bǔ)充萃取劑。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)置T,H塔的初始參數(shù)進(jìn)行連續(xù)萃取精餾過(guò)程模擬。T塔：萃取劑進(jìn)料量800kg/h，塔板數(shù)30，餾出比0.7，質(zhì)量回流比3，原料進(jìn)料板數(shù)20，萃取劑進(jìn)料板數(shù)10;H塔：塔板數(shù)10，進(jìn)料板數(shù)5，質(zhì)量回流比1。設(shè)定原料組成為30%(w）乙醇和70%(w)EA，進(jìn)料量1000kg/h,20℃，0.1MPa。在以上初始參數(shù)條件下，D1為93.4%(w)EA,D2為84.67%(w）乙醇，而經(jīng)過(guò)H塔精餾得到的W2中萃取劑DMSO含量高達(dá)99.99%(w），可循環(huán)利用。因此，連續(xù)萃取精餾過(guò)程可行。3.2流程靈敏度分析為了得到更高純度的EA和乙醇，采用AspenPlus軟件中靈敏度分析功能，對(duì)工藝流程的各指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。固定T塔餾出比為0.7，考察其他指標(biāo)；采取的策略為逐個(gè)因素優(yōu)化，每次確定其他因素不變，考察其中一個(gè)因素的變化對(duì)產(chǎn)品純度的影響。3.2.1dmso加入量在原料進(jìn)料量一定的情況下，優(yōu)化DMSO的進(jìn)料量，即考察溶劑比的影響。圖5為DMSO進(jìn)料量對(duì)EA純度及再沸器熱負(fù)荷影響。由圖5可知，EA純度隨著DMSO加入量的增加而增加，但增加速度逐漸減緩，在DMSO加入量為1600kg/h時(shí)，EA純度可達(dá)0.99；同時(shí)看到再沸器熱負(fù)荷隨著DMSO加入量的增加也是不斷增加的，在DMSO加入量為700～1000kg/h時(shí)增加較緩慢，之后再沸器熱負(fù)荷迅速增加。綜合考慮EA純度及再沸器熱負(fù)荷增加產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)影響，確定DMSO進(jìn)料量為1600kg/h。3.2.2塔板比的確定圖6為T塔理論塔板數(shù)對(duì)EA純度的影響。由圖6可知，在理論塔板數(shù)為30塊時(shí)，EA純度達(dá)到了0.99，之后隨著塔板數(shù)增加，EA純度幾乎不再變化，同時(shí)考慮到塔板數(shù)增加會(huì)使造價(jià)增加，因此最終選擇T塔理論塔板數(shù)為30塊板。在以上確定的參數(shù)條件下模擬，通過(guò)H塔的乙醇初始含量?jī)H為84.67%(w），最終可得到99.96%(w）的乙醇，H塔理論塔板數(shù)仍確定為10塊。3.2.3萃取劑回用量不易造成溶劑比不適宜圖7為T塔質(zhì)量回流比對(duì)EA純度及再沸器熱負(fù)荷的影響。由圖7可知，EA純度隨質(zhì)量回流比的增加呈先增加后減小趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)質(zhì)量回流比過(guò)大時(shí)，回流的EA增加，而萃取劑進(jìn)料量不變，在一定區(qū)域內(nèi)會(huì)造成溶劑比減小的現(xiàn)象，使EA純度減小。因此，選擇質(zhì)量回流比為0.9（峰值）較適宜。圖8為H塔質(zhì)量回流比對(duì)乙醇含量的影響。由圖8可知，乙醇含量與H塔質(zhì)量回流比呈正相關(guān)趨勢(shì)，在質(zhì)量回流比大于0.6后增加緩慢。因此，選擇質(zhì)量回流比為0.6較適宜。3.2.4塔板位置對(duì)數(shù)的影響圖9為T塔原料進(jìn)料位置及萃取劑進(jìn)料位置對(duì)EA純度的影響。由圖9可知，EA純度隨原料進(jìn)料板數(shù)和萃取劑進(jìn)料板數(shù)的增加都呈先增大后減小趨勢(shì)，分別在塔板位置為21和5時(shí)達(dá)到最大。因此，確定原料進(jìn)料位置為第21塊板，萃取劑進(jìn)料位置為第5塊板，此時(shí)塔頂EA純度高達(dá)0.9993。圖10為H塔原料進(jìn)料位置對(duì)乙醇含量的影響。由圖10可知，曲線上乙醇含量存在著一個(gè)峰值，此時(shí)原料進(jìn)料板數(shù)為5。因此，選擇原料進(jìn)料位置為第5塊塔板較適宜。3.3原料進(jìn)料綜上所述，確定在參數(shù)優(yōu)化次序下的最優(yōu)操作參數(shù)。T塔：萃取劑進(jìn)料量1600kg/h，塔板數(shù)30，餾出比0.7，質(zhì)量回流比0.9，原料進(jìn)料位置第21塊板，萃取劑進(jìn)料位置第5塊板；H塔：塔板數(shù)10，進(jìn)料位置第5塊板，質(zhì)量回流比0.6。優(yōu)化后的結(jié)果見(jiàn)表1。4連續(xù)精餾過(guò)程模擬1）通過(guò)萃取劑篩選和剩余曲線分析，初步確定了DMSO為最適宜萃取精餾的萃取劑，再通過(guò)間歇萃取精餾實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了以DMSO為萃取劑進(jìn)行EA和乙醇物系的萃取精餾是可行的。2）通過(guò)連續(xù)精餾過(guò)程的模擬找到了最佳的操作條件為：原料組成為30%(w）乙醇、70%(w)EA，進(jìn)料量為1000kg/h,DMSO