丙酮―甲醇混合物萃取精馏分离过程合成与模拟

1、丙酮甲醇混合物萃取精馏分离过程合成与模拟当混合物组分之间的挥发性相近并且形成非理想溶液， 组分 间的 相对挥发度可能小于 1.1 ，采用常规精馏分离就可能不经济， 若组分 间形成恒沸物， 仅采用常规精馏达不能实现相应组分的锐 分离，这种 情况可考虑采用强化精馏来实现相应组分之间的分 离。强化精馏包括 萃取精馏、变压精馏、反应精馏、均相及非均 相恒沸精馏等， 其中萃 取精馏是采用相对高沸点的溶剂改变混合 物的液相活度系数， 从而增 大关键组分的相对挥发度以有利于分 离，若进料为具有最低恒沸点的 恒沸物，则溶剂从进料板之上、 塔顶之下某适当位置加入，这样流向 塔底的液相中都存在溶剂， 并且气提到塔

2、顶的溶剂少；若进料为具有 最高恒沸点的恒沸物， 则溶剂和进料从同一块进料板入塔。 溶剂不可 与组分间形成恒沸 物，从萃取精馏塔底部出料后还需进一步分离，循 环使用。本文采用萃取精馏法， 对丙酮一甲醇混合物流股进行了分离 过程 的合成与模拟计算， 合成的流程和模拟计算结构可以作为此 物系实际 分离过程设计和操作过程的指导或参考。1. 混合物性质及溶剂和物性方程丙酮和甲醇的正常沸点分别为56.2 C、64.7 C,在1atm下，丙酮和甲醇形成最低恒沸物，最低恒沸点为55.7 C,恒沸物组成为80%mol丙酮。水的正常沸点是 100C，而且在常压下，水 不与丙酮和 / 或甲醇形成二元或三元恒沸物，丙

3、酮一甲醇一水的蒸馏残留曲线图表明， 丙酮一甲醇恒沸物与水混合蒸馏进程为从 恒沸物组成点指 向纯水， 没有蒸馏界限存在， 这种情况非常适合 采用萃取精馏的分 离方法。 由于物系含有极性组分， 操作压力为 常压，本文选用基团 贡献法物性方程 UNIFAC 计算液相组分的活 度系数，相应气相物性方 程为理想气体状态方程。2. 混合物分离过程合成与模拟 丙酮一甲醇在常压下形成恒沸物， 仅采用普通精馏方法不能 得到纯净的丙酮和甲醇组分， 许多研究者对 采用强化精馏技术分 离此类恒沸物进行了研究。 由于丙酮一甲醇混合 物流股的组成为 丙酮含量为 75% ，进料组成与恒沸物组成接近，因此 分离过程流 程合成

4、的第一个塔采用萃取塔。若进料组成偏离恒沸物组 成较 远，则第一塔需要采用常规精馏塔将进料分离为一较纯组分塔底 产物丙酮（当进料组成小于 80%m ol 丙酮时）和接近恒沸物组成 的塔 顶产物， 或将进料分离为一较纯组分塔底产物甲醇 （当进料 组成大 于 80%mol 丙酮时）和接近恒沸物组成的塔顶产物，此种 情况下， 整 个流程为三塔结构： 即常规精馏塔一萃取精馏塔一常 规精馏塔（用于 分离溶剂和回收另一组分）；本文整个流程只需 要两塔结构：即萃取 精馏塔一常规精馏塔。2.1 分离过程合成与模拟方法 整个流程确定为两塔结构以后， 接 下来的任务是着手对萃取 精馏塔和溶剂回收塔作详细设计。采用试

5、探 法合成萃取精馏塔， 运用 Aspen Plus 11.1 作为设计模拟工具，通过 多次尝试计算， 最后确定采用 30 块理论板（包括塔顶全凝器和塔底再沸器）， 溶剂进料板为第 7 块（从上往下数），丙酮一甲醇混合物进 料板 为第 13 块，回流比为 4，塔顶产物 31.226mol/s ，可以得到较 为 纯净的丙酮产物；溶剂回收塔为简单精馏塔，采用Aspen Plus 11.1中的简捷法设计模块 DSTW 进行设计，采用 16 块理论板（包 括塔顶 全凝器和塔底再沸器），进料位置为第 12 块，回流比为 3，塔顶产物 流量为 10mol/s ，可以得到较为纯净的甲醇产物和 溶剂产物。2.2

6、 流程结构图和模拟计算结果整体流程结构如图 1所示， EXTR-DIS 为萃取精馏塔，共有30 块理论板， SOLV-RE （为溶剂回收塔，共有 16 块理论板。其中1 为补充新鲜溶剂水进料， 6 为循环水物流， 1 和 6 两个流股均 从第 7 块理论板加人。 2 为丙酮 - 甲醇混合物进料，进料位置为 第 13 块理 论板。 3 为萃取塔顶产物丙酮， 4 为萃取塔底产物（水 和甲醇混合物， 含微量丙酮）， 4 作为溶剂回收塔进料，从第 12 块理论进入， 5 为溶 剂回收塔顶产物甲醇， 6 为溶剂水循环物流。表 1 给出了分别对萃取精馏塔和溶剂回收塔模拟计算的主 要结果。 其中精馏塔总效率

7、计算采用 O' Connell 关联式： Eo=50.3 （ a u） -0.226 ，相对挥发度采用塔顶、塔底和进料板条件下的几何平均值（没有单位）， u 为进料粘度，单位采用 cp ； 塔板内 径计算中采用 Fair 关联式计算液泛速率，接近液泛分率 取 0.8 。需要 特别指出的是，对萃取精馏塔进行效率估算时，进 料粘度采用 1 和 2 两个进料流股的几何平均值， 关键组分丙酮一 甲醇的相对挥发度采用塔顶、 进料 1 和 2 以及塔底四个位置相对 挥发度的几何平均值由图 2 知，萃取京馏嗒顶丙酮浓度达到95.5% ，第 7 块板上丙酮浓度突降， 这是因为溶剂水的加入稀释的结果，

8、丙酮一甲醇 混 合物进料后丙酮浓度略有上升， 可见进料对丙酮组分液相浓度 有少许 增浓作用， 往下到 20 块板以后， 丙酮浓度开始加速下降， 到再沸器 中只有微量丙酮存在， 可见这一段对丙酮具有明显的气 提效果； 溶 剂水浓度的变化趋势正好与丙酮的变化趋势相反， 这 是因为水是最难 挥发的组分， 丙酮是最容挥发的组分； 甲醇的浓 度分布由丙酮和水 的浓度分布差减法确定，在第 28 块板处出现 最大值，高浓区在塔的中 下部。溶剂回收塔内的液相浓度分布为常规精馏塔典型的浓度分 布模式， 此处不再给出，塔顶产物甲醇含量 99.8% ，塔底产物中 水含量达到 99.9% 。最后要特别说明的是：以上计

9、算结果均为对 两塔 单独模拟的结果，萃取精馏塔溶剂进料为 60mol?S-1 ，实际 操作溶剂 循环时，补充大约 1mol?S-1 溶剂即可达到模拟计算的 分离效果，因 为其中有 59mol?S-1 的水循环。3. 结论以水作为溶剂，采用试探法合成了丙酮一甲醇（ 75%mol 丙 酮） 混合物萃取精馏分离流程的两塔拓扑结构， 采用 Aspen Plus 11.1 对 两塔分别进行了模拟计算，得到如下结论：1）萃取精馏塔 30 块理论板， 补充新鲜溶剂和循环溶剂均从 第 7 块板加入，丙酮一甲醇混合物流股从第 13 块板加入，回流 比 4（mOD ， 塔顶丙酮浓度达到 95.5% , 回收率达到 99%