减压间歇萃取精馏分离乙酸乙酯-乙醇的过程数学模型.pdf

2010 年第 29 卷第 11 期 化 工 进 展 C H E M IC A L 咖U S T R Y A N D E N G IN E E R IN G P R 0 G R E S S 20 53 减压间歇萃取精馏分离乙酸乙酯 乙醇的过程数学模型 冯惠生 李文秀 余国琮 天津大学化工学院 天津 300072 沈 阳化工大学化学工程学院 辽宁 沈阳 110 142 摘要 减压间歇萃取精馏是一种用于分离近沸点混合物及共沸物分离的极具发展潜力的技术 本文分别以 一 二甲基甲酰胺作为简单溶剂和由 二 甲基 甲酰胺与二甲基亚砜组成的混合物作为混合溶剂 建立了减压间歇 萃取精馏分离乙酸乙酯和 乙醇共沸体物系的过程数学模型 利用追赶法求解了描述该过程的一组刚性较强的方 程组 并通过实验对所建模型进行 了验证 结果表明 模拟计算结果与实验结果吻合较好 另外 通过图示 过程模拟结果表明减压操作能够强化萃取精馏的分离过程 关键词 减压间歇萃取精馏 数学模型 恒摩 尔持液 中图分类号 TQ 028 1 文献标志码 A 文章编号 1000 66 13 20 10 l 1 2053 04 Ma th em ati c a l p ro c e ss m o d el i n g fo r E A E tO H sep a ra ti o n b y v a c u u m b a tc h ex tra c ti v e d i sti l l ati o n F E N GH ui shen g LI W enxi u Y U G uoc on g 1Sc hool of C hem i c al E ngi neeri ng Ti anji n U ni versi ty Ti anji n 300072 Chi na C ol l ege of C hem i c al Engi neeri ng Shenyang U ni versi ty of C hem i c al Tec hnol ogy Shenyang 110142 L i aoni ng C hi na A b stra c t V ac uu m b atc h extrac ti ve di sti l l ati on i s a potenti al tec h nol og y for the sep arati o n o f c om poun ds w i th c l ose boi l i ng poi nt an d azeotropi c m i xtu res B y u si ng N N di m ethy l m eth anam i de D M F as a si n gl e ex trac ti v e sol v ent an d the m i xture of D M F an d di m eth yl sul fo x i de D M S O as a m i xed sol vent th e v ac uum batc h extr ac ti v e di sti l l ati on proc ess fo r eth yl ac etate ethanol sep ar ati on w as si m ul ated b y a c on stant m ol ar hol du p m o de1 T h e m ath em ati c al m od el i s a group of sti ff equ ati o ns and w as resol v ed b y the pursu i t m eth od T h e si m ul ati o n agreed w el l w i th experi m ent resul ts The si m u l ati on resul ts i l l u str ated th at vac uum op eration c o ul d i nten si fy th e batc h extrac ti ve di stil l ati on proc ess K ey w o rd s vac uu m b atc h extr ac ti ve di stil l ati on m ath em ati c al m odel i ng c o nstant m ol ar h ol dup 间歇萃取精馏是一种特殊的精馏方法u J 间歇 萃取精馏技术结合 了间歇精馏和萃取精馏的优点 设备投资小 可用相对连续精馏尽量少的塔设备分 离多组分混合物为多个产品 适用于近沸物和共沸 物等难分离物系的分离 间歇萃取精馏技术的研究主要集 中在 以下两 个方面 2 技术的强化 如萃取剂的选择及操作 参数的优化等 关于间歇萃取精馏 的数学模型及 其计算方法的研究 随着计算机的普及与应用 对 间歇精馏过程进行操作模拟是国内外许多学者的研 究内容 间歇精馏模拟所采用 的模型可分为 简 捷模型 改进的简捷计算 半严格模型 严 格模型 M eadow s 31首次提出了多组分间歇精馏的 数学模型 D i stefano 等 对 M eadow s 提 出的多组 分 间歇精馏严格模型进行 了改进 Furl onge 等 J 提 出了简捷模型用于间歇精馏塔 的设计 利用简 收稿 日期 2010 04 26 修改稿 日期 2010 07 22 第一作者简介 冯惠生 1962一 男 副研究员 在职博士 主要 研 究方 向为传质与分离工程 精细化学 品合成与分离技术 E m ai l hshfeng tju edu c rl 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2054 化 工 进 展 2010 年第 29 卷 捷模型可 以容易地计算 出最佳理论板数和最佳回 流 比 本文作者针对萃取精馏可分离共沸物 变压可 改变共沸组成和降低温度可提高萃取剂选择性的特 点 提出了减压间歇萃取精馏技术 并对减压间歇 萃取精馏分离乙酸乙酯一 乙醇典型的二元共沸物系 过程进行 了模拟 在严格计算的基础上提出了一个 可用于减压间歇萃取精馏的恒摩尔持液模型 其流 程示意图如 图 1 所示 卢2 s k D 图 1减压 间歇萃取精馏流程及理论级 示意图 1 减压间歇萃取精馏过程的模拟 1 1模型的假设 1 恒摩尔持液假设 假设塔身每块理论板的 摩尔持液量相等而且恒定 2 平衡级假设 假设在精馏过程中每块理论 板的气液两相达到相平衡 3 塔身绝热操作 4 忽略气相滞料量 5 忽略流体力学滞后 6 塔釜相 当于 一个平 衡级 7 在一块塔板上气液平衡关系为 y Kx 1 2数学模型的建立 减压间歇精馏塔模型的数学描述如下 将塔分 为冷凝器 塔顶实际第一块板 一般理论级和塔釜 四部分分别描述 各部分的描述方程式均包括总物 料衡算式 组分物料衡算式和焓衡算式 1 2 1塔板的物料衡算方程 根据恒摩尔持液的假设 各级塔板的总物料平 衡式为零 令塔顶冷凝器为第 1 级 塔顶第一块塔 板为第 2 级 塔釜为第 级 1 j l 冷 凝器 d U 1 一 D 0 1 d t d U l X l i K 2 f v2 一 D f 2 d t 2 j 2 塔顶回流的第一块理论板 一v2 一L2 S 2 0 3 T d U 2x2 i 一 K 2 iV2 G x2 f K3 V 3 x3 i S 2 Xs 2 4 3 户3 4 f 1 l JV 塔身任一理论板 卜 l 一L j L j l X j I i K j i Vj Lj xj f Kj 1 v j IXj 1 i S j Xs J 6 4 M塔釜 一 SN 7 L N I X N I i K V N L N l XN 1i K N VN X N i a N X s N 8 一 十 d t 由于系统处于减压状态 系统内的压力在常压 附近 萃取精馏物系可视为气相为理想气体 液相 为非理想溶液 则相平衡常数见式 9 K i Y i r p s at 9 X i P 式 中 为组分 在一定温度下的饱和蒸气 压 通过 Lee K esl er 估算式计算 m m H g P 为总 压 在这里为常压 近似为 1 0 1x 10 Pa ri 为组分 i 的活度系数 由修正 U N IFA C 方程计算求得 1 2 2塔板的热量衡算方程 1 j l 冷凝器 日 一H 厶 D 一Q 10 2 j 2 塔顶回流的第一块理论板 L 1H L l v 3 u v 厂v 2n v 0 f L 2 S 2H s 2 11 3 j 3 4 M l l 塔身任一理论板 L j H L j 1 v j H 一 v i v i Li H L S s i 12 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 11 期 冯惠生等 减压 间歇萃取精馏分离 乙酸 乙酯一 乙醇的过程数学模 型 4 j N t 塔 釜 H 一vN t Iv SNH s N QH 13 纯组分气液相的焓通过式 14 计算 c A 十B T C T 2 D T 3 E T 4 14 式中 A C D E 为方程回归系数 对于非理想溶液 混合热则必须予以考虑 非 理想溶液 的混合热也称为溶液 的过剩焓或超额焓 的计算用 U N IFA C 模型 15 i k l u V J 摩尔蒸发焓 H J m o1 用修正 W atson 方程 计算 1 2 3组分的摩尔分数加和方程 即归一化 Yi 1 1 2 一 c j l 2 一 16 Xi 1 1 2 一 c j 1 2 17 1 2 4 求解方法 以上各式描述精馏塔 的数学模 型是一组 刚性 微分方程 先将其转化为代数方程 再通过追赶法 进行解决 计算框图如图 2 所示 2 实验验证 利用一内装 m m x3 i i l i n 的不锈钢 D IX O N 填 料的间歇萃取精馏装置 选择 乙酸 乙酯 乙醇共沸物 系 萃取剂为 二 甲基 甲酰胺 D M F 和 由D M F 与二甲基亚砜 D M SO 组成 的混合溶剂 6J 比照 模拟条件 操作压力为 50 kPa 回流比 尺为 3 等所 有参数相同 对分离过程进行 了实验 分析通过 G C 7890 II型气相色谱仪 FID检测完成 实验及模 拟结果如图 3 及图 4 所示 其 中图中起始时间为达 到无溶剂全回流稳定状态时间 散点为实验值 曲 线为模拟结果 从图中可 以看出 所建过程模型的 模拟计算值和实验值吻合较好 说明所建模型能够 较好地反映涉及强非理想体系的该分离过程 还可 以从图中看出 由于体系具有一定的真空度 无溶 剂全回流 10 m i n 后 共沸体系的共沸组成发生了变 化 而且从所做的较多模型验证实验中也发现 操 作压力的降低有利于减弱共沸现象 但没有得到纯 度较高的轻组分产品 氆 婪 世 婪 图 2主程序计算框 图 图 3塔顶物料组成随时问的变化 萃取剂为单一萃取剂 D M F 时 间 m i n 图 4 塔顶物料组成随时间的变化 萃取剂为组成摩尔比为 D M F D M SO I 的混合溶剂 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2056 化 工 进 展 2010 年第 29 卷 3结论 1 采用减压塔进行间歇萃取精馏操作可行 分离含有共沸物系效果明显 2 减压间歇精馏的操作模拟计算和实验验证 结果表 明 实验值与理论计算结果吻合较好 说明 了数学模型的适用性和计算方法 的可靠性 塔板数 P 饱和蒸气压 Pa 活度系数 下角标 组分序号 一 塔板序号 参考文献 符 号 说 明 1 崔 现宝 杨志才 等 萃取精馏及进展fJ 化学工业与工程 200 1 D 塔顶馏 出量 m 21王 18 浩 平 4 2 项 1 5 曙 2 光 2 0 间歇精馏过程模拟优化研究进展 JJ 计算机仿 持液量 m ol 真 20o4 21 2 4 6 液相流量 m ol h 131 M eadow s E L M ul ti c om ponent batc h di sti ll ati on c al c ul ati ons OII a 气相流量 m ol h di gi tal c om puter J Chem ic al Engi neering Progress Symposi um 平衡常数 一 9 Jv r一汽相焓 J m ol m c m p 0n en t b atc h d i stil l ati o n e q 4 D i stefan o G P M athe m ati c al m od e u l i n g a n n s d IJ1 n u m A e J r c i c h al J i n teg r 9 a 6 t 8 i o n 1 o 4 f f 1 液相焓 J m ol 1 190 199 Q c 冷凝器热负荷 J m ol 5 Furl onge H I Pnatel i des C C Sorensen E opti m operati on ofm ul ti Q H一再沸器热负荷 J m ol vessel ba sti l c l umns JJ c 把 1999 一 溶剂流量 m 1 h 61张 78 志 1 8 刚 0 1 李文秀 刘云义 混合溶剂间歇萃取精馏分离过程的模 一 液相摩尔分数 拟 J 化学工程 20 0 8 36 1 9 12 气相摩尔分数 征订启事 欢迎 订 阅 2011 年 当代 化工 月刊 当代化工 杂志是经国家新闻出版总署 科技部批准 国内外公开发行的石油和化工类科技月刊 主要报道国内外石 油和化工领域最新科技成果 应用技术 行业现状和发展趋势等 其办刊宗旨 展示前沿化工 介绍最新成果 铺就成才之 路 构筑供需桥梁 当代化工 设有 专家论坛 科研与开发 石油化工 工业 催化 化工设计 综合评述 分析测试 粉 体工程 微机与 自动化 化工环保 行业精英 节能减排 国内外动态 等栏 目 当代化工 的读者对象为石油和化工行业科研院所的研究 设计 情报信息咨询等工程技术人员 石油和化工企业的 技术管理