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特殊精馏分离甲乙酮-水共沸物系的工艺模拟与优化_周诚.pdf
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1、第 卷 第 期 年北京化工大学学报(自然科学版)(),引用格式:周诚,郑宇洋,胡南,等 特殊精馏分离甲乙酮水共沸物系的工艺模拟与优化 北京化工大学学报(自然科学版),():,(),():特殊精馏分离甲乙酮水共沸物系的工艺模拟与优化周 诚 郑宇洋 胡 南 谷俊杰 李群生(北京化工大学 化学工程学院,北京;卡尔顿大学 工程与应用科学学院,渥太华)摘 要:由于共沸物的存在,甲乙酮水混合物的分离在工业生产上一直是一个具有挑战性的问题。采用萃取精馏和变压精馏对分离工艺进行流程模拟与优化,得到摩尔分数为.的甲乙酮产品,以年度总费用()最小为目标函数,采用序贯迭代法对其进行优化,得到最小 为.美元。通过分析
2、比较 种常用萃取剂无限稀释相对挥发度的大小,筛选出乙二醇作为萃取剂,得到最佳萃取剂用量、理论板数及进料位置;针对常规变压精馏工艺提出热集成方案,与采用方案前相比,年度总费用降低了.。最后,对萃取精馏、变压精馏和热集成变压精馏 种分离工艺年度总费用进行对比,萃取精馏工艺比热集成变压精馏工艺年度总费用降低了.。结果表明,在经济性方面,萃取精馏相比于热集成变压精馏更适合甲乙酮水共沸物系的分离。关键词:萃取精馏;变压精馏;甲乙酮;模拟优化;能量集成;年度总费用()中图分类号:.:收稿日期:基金项目:国家重点研发计划()第一作者:男,年生,硕士生通信联系人:引 言甲乙酮()是一种重要的有机溶剂,可用作醋
3、酸纤维素、丙烯酸树脂、涂料、油墨等高分子化合物的溶剂,同时甲乙酮还是一种重要的有机合成原料,常用于制备医药、染料、洗涤剂、香料、抗氧化剂以及某些催化剂的中间体。目前国内外用于生产甲乙酮的工艺主要是正丁烯水合法,该生产工艺具有稳定性强、生产效益高等优点,但是在生产过程中会产生大量甲乙酮和水的混合物。常压下,甲乙酮和水会形成最低共沸物,共沸物组成中含甲乙酮.(摩尔分数,下同),共沸温度为.,通过普通精馏无法将其与水分离,因此必须考虑特殊精馏方法,如萃取精馏、共沸精馏、变压精馏等。目前工业上对甲乙酮水的分离主要采用共沸精馏方法,但由于达到分离要求时的回流比很大,操作费用较高。陈小平等采用加盐萃取精馏
4、的方法对甲乙酮水共沸物系进行分离,得到纯度为.的甲乙酮产品,但存在设备易腐蚀等问题。对甲乙酮水共沸物进行分离时,在得到满足分离要求的产品纯度的前提下,还应对不同工艺能耗进行比较,选择最佳的分离工艺,然而目前尚没有针对甲乙酮水共沸物分离工艺进行能耗比较的相关研究。因此,本文采用萃取精馏、变压精馏和热集成变压精馏对甲乙酮水共沸物系的分离进行流程模拟,以年度总费用()最低为目标函数,对萃取剂用量、总理论板数、原料进料位置及萃取剂进料位置等参数进行优化,获得最佳工艺操作参数。并将上述 种工艺的年度总费用进行对比,为工业上分离甲乙酮水共沸物系提供理论指导。模拟.原料组成及分离要求原料进料量为 ,其中甲乙
5、酮和水摩尔分 数 各 占,进 料 温 度,压 力.。经 过 分 离 提 纯,得 到 摩 尔 分 数.的甲乙酮产品和水,产品回收率为.。.热力学模型选择在流程模拟过程中,热力学模型的选择对最终模拟结果的准确性起着至关重要的作用。常见的分离二元共沸物系的热力学模型有非随机两流体(,)模型、模 型、模型等。文献选用 模型对隔壁塔分离甲乙酮水工艺进行模拟,并将模拟结果与实验结果进行比较,结果表明,模型能较好地预测甲乙酮 水物系的热力学性质。因此,本文采用 模型对甲乙酮水分离工艺进行流程模拟,该模型下甲乙酮水物系的二元交互参数如表 所示。表 甲乙酮水物系 模型二元交互作用参数 组分 组分 甲乙酮水.甲乙
6、酮乙二醇.水乙二醇.经济评价指标本文以年度总费用最小为评价指标,用来综合评估萃取精馏与变压精馏两种分离工艺的经济效益。年度总费用包括设备费用和操作费用,其中设备费用包括精馏塔、换热器等设备成本;操作费用仅考虑塔釜加热蒸汽消耗,塔顶冷凝水消耗费用较小,与蒸汽消耗费用相比可以忽略。年操作时间为 ,计算公式如下。()式中,为操作费用,为设备费用,为投资回收期,一般为 年。具体的 计算公式见表,其中塔径(单位为)由 中 功能计算得到,板间距设置为 ,塔高(单位为)由式()计算,换热面积(单位为)由式()计算,塔顶冷凝器传热系数 (),塔釜再沸器传热系数 为 (),低压蒸汽单价.美元,中压蒸汽单价为.美
7、元,高压蒸汽单价为.美元。.()()()式中,为总理论板数;为换热器负荷,;为换热温差,。表 的计算方法 名称公式塔体 .设备费用 美元塔板 .()冷凝器 .再沸器 .操作费用 美元.冷凝器换热面积,;再沸器换热面积,;再沸器热负荷,。萃取精馏工艺.萃取剂的选择萃取精馏原理是通过引入萃取剂来改变待分离共沸物系的相对挥发度,从而达到消除共沸、实现共沸物分离的目的。在萃取精馏工艺中,萃取剂的选择对降低过程能耗极其重要。萃取剂的选择依据为在萃取剂的作用下,共沸物的相对挥发度 越大则分离越容易。相对挥发度 计算公式如下。()图 不同萃取剂对甲乙酮水体系 相图的影响 式中,和 分别代表组分 的汽相和液相
8、组成,和 分别代表组分 的汽相和液相组成。本文选取乙二醇()、,二甲基甲酰胺()和 甲基吡咯烷酮()这 种工业上常用的萃取剂,通过 中的 功能计算出相同溶剂比下 种萃取剂对甲乙酮水物系的相对挥发度,得到().,().,()北京化工大学学报(自然科学版)年.。由图 可以看出,与 和 相比,乙二醇能显著增大甲乙酮水的相对挥发度,因此选择乙二醇作为分离甲乙酮水共沸体系的萃取剂。.萃取精馏工艺流程萃取精馏分离甲乙酮水工艺流程如图 所示。原料甲乙酮和水从萃取精馏塔()中下部进料,与从塔上部进料的萃取剂乙二醇逆流接触,塔顶得到纯度为.的甲乙酮产品。塔釜采出乙二醇和水混合物送入萃取剂回收塔()进行分离,萃取
9、剂回收塔塔顶得到纯度为.的水,塔釜得到纯度接近于 的萃取剂乙二醇返回萃取精馏塔再利用。塔顶采出量;塔釜采出量;回流比。图 萃取精馏工艺流程 .萃取精馏过程优化采用序贯迭代法,以年度总费用最小为目标函数对萃取剂用量、总理论板数、原料进料位置和萃取剂进料位置 的工艺流程进行优化,具体优化工艺流程如图 所示。在优化过程中通过满足设计规定来调节塔顶采出量 和回流比,其中萃取精馏塔设计规定塔顶甲乙酮纯度为.,回收率为.;萃取剂回收塔设计规定塔顶水纯度为.,塔釜萃取剂乙二醇纯度为.。优化过程如图 所示。从 关系图中可以看出,随着萃取剂流量的增加,年度总费用先减小后增大。萃取剂流量增加,乙二醇对甲乙酮水共沸
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