萃取精馏分离甲基环己烷和甲苯工艺过程的模拟.docx

萃取精馏分离甲基环己烷和甲苯工艺过程的模拟 张春勇，郑纯智，唐江宏，张国华，单万建( 江苏技术师范学院 江苏省贵金属深加工技术及应用重点建设实验室，江苏 常州 213001)摘要 利用 Aspen Plus 流程模拟软件，采用双塔流程，以苯酚为萃取剂，对萃取精馏分离甲基环己烷 ( M C ) 和甲苯 ( M B ) 的过程进行模拟计算，并用实验验证。考察了萃取精馏塔的萃取剂进料位置、原料进料位置、萃取剂与原料的摩尔比 ( 溶剂比) 和回流比等因素对分离效果的影响。在满足 M C 产品的纯度和收率均达到 99% 的条件下，模拟优化的结果为: 理论塔板数为 24 块，原料在 第 17 块板进料，萃取剂在第 5 块板进料，溶剂比 3 08，回流比 5。模拟结果与实验数据吻合较好，说明采用的模拟方法适用于 M C 和 M B 混合物萃取精馏过程的模拟。关键词 Aspen Plus 软件; 模拟; 萃取精馏; 甲基环己烷; 甲苯文章编号 1000 8144( 2011) 05 0532 04中图分类号 TQ 028 1文献标识码 AProcess Simulation of Extractive Distillation for Methylcyclohexane and Toluene SystemZhang Chunyong，Zheng Chunzhi，Tang Jianghong，Zhang G uohua，Shan Wanjian( Jiangsu Key Laboratory of Precious M etal Chemistry and Technology，Jiangsu Teachers University of Technology，Changzhou Jiangsu 213001，China)Abstract Extractive distillation process for methylcyclohexane( M C) and toluene( M B) system w assimulated by using Aspen Plus softw are Phenol w as chosen as the extractant A process w ith tw ocolumns，namely extractive distillation column and solvent recovery column， w as designed forseparating the mixture Effects of the extractant feed position and the mixture feed position on theextractive distillation column，the mole ratio of extractant to feedstock( solvent ratio ) ，and the refluxratio on the extractive distillation w ere investigated Aimed at the M C mole fraction of 99% in theproducts and the M C recovery of 99% ，the extractive distillation process w as simulated to obtain theoptimal conditions for the extractive distillation column as follow s，number of theoretical plates 24，themixture feed at 17th plate，the extractant feed at 5th plate，the solvent ratio 3 08 and reflux ratio 5The extractive distillation simulation result w as verified by the experiment dataKeywords Aspen Plus; simulation; extractive distillation; methylcyclohexane; toluene甲基环己烷 ( M C ) 和甲苯 ( M B ) 是非常重要的精细有机化工原料和有机 溶 剂1 3，其 混 合 物 作 为反应原料和溶剂普遍存在于有机合成、印刷和医药 等行业4 5。开发经济的分离 M C 和 M B 技术具有 十分重要的意义。混合物的常见分离方法有普 通 精 馏、萃 取、萃 取精馏和膜分离等。常压下纯 M C 与 M B 的沸点分 别为 100 9 和 110 68 ，两者的挥发度差别很 小。因此采用普通精馏方法分离 M C 和 M B 所需理 论塔板数 非 常 多，经 济 上 不 合 理，也 难 以 操 作。萃 取精馏操作具有装置相对简单、可立足现有装置改 装、处理量大 和 可 连续有效地分离等优点，是 最 为精馏分离 MC 和 MB 的工艺过程，并进行了实验验证。模拟部分11 1工艺条件和流程萃取精 馏 分 离 M C 的 工 艺 条 件 为: M C 和 M B混合物的进料量 0 702 mol / min，n( MC) n( MB)=1 1 5，进料温度 25 。要求分离得到 M C 产品的纯度( 摩 尔 分 数，xM C ) 和 收 率 ( YM C ) 都 要 大 于 等 于99% 。以苯酚为萃取剂。收稿日期 2010 12 13; 修改稿日期 2011 01 24。作者简介 张春勇 ( 1978) ，男，江 苏 省 东 台 市 人，硕 士，讲 师，电话 0519 86953273，电邮 zhangchunyong 126 com。基金项目 江苏省教育厅高校高新技术产业发展指导性计划项目( JHZD05 036) ; 江苏技术师范学院基金项目( KYX10025) 。6 9。广泛使用的分离方法之一本工作采用 Aspen Plus 流程模拟软件模拟萃取533第 5 期张春勇等 . 萃取精馏分离甲基环己烷和甲苯工艺过程的模拟萃取精馏分离 M C 和 M B 的工艺流程( 见图 1)主要包括 萃 取 精 馏塔和溶剂回收塔。用 萃 取 精 馏塔首先分离出 M C，再用普通精馏塔分离 M B 和萃 取剂。2。由图 2 可见，萃取剂在第 1 块塔板上进料时，YM C为 99 90% ，但 xM C 只有 34 68% ; 当萃取剂进料位置从第 2 块塔板下移到第 5 块塔板时，xM C 和 YM C 都逐渐增大; 当萃 取 剂进料位置从第 5 块 塔 板 下 移 时，xM C 和 YM C 都逐 渐 降 低。萃 取 剂进料位置在第 5 块塔板时，xM C 和 YM C 分别为 99 01% 和 99 00% ，均可达到 99% 的要求，因此选取萃取剂进料位置为第 5块塔板。图 1 萃取精馏分离流程Fig 1 Flow sheet of the extractive distillation萃取剂在萃取精馏塔的上部加入，以使各塔板上的液相中保持一定比例的萃取剂，原料在萃取精 馏塔的中 部 加 入。在萃取精馏塔塔顶得到高纯度 的 M C 产品，塔釜排出 M B 和萃取剂的混合物，送入 普通精 馏 塔。 在普通精馏塔塔顶得到高纯度的 M B，塔釜得到萃取剂，并通过混合器与新鲜萃取剂 混合后返回萃取精馏塔循环使用。萃取精馏塔和普通精馏塔的理论塔板数均为 24 块，塔顶冷凝器均 为 全 凝 器，全凝器压力均为 81 06 kPa，再沸器 功 率 均 为 2 kW 。萃 取 精 馏 塔 塔釜压力为 111 46 kPa; 普通精馏塔原料进料位置为第 14 块塔板，回流比为 8。对萃取精馏塔采用 Aspen Plus 流程模拟软件进行模拟，应 用 灵 敏 度分析模块对萃取剂进料位置、原料进料位置、萃取剂与原料的摩尔比 ( 溶剂比) 和 回流比进行优化，确定最佳工艺参数。在萃取精馏 塔模拟计算结果的基础上，对萃取剂苯酚回收工艺 进行模拟计算。图 2 萃取剂进料位置对萃取精馏的影响Fig 2 Effects of the extractant feed position on the column onthe extractive distillationConditions: feedstock position 17th plate，mole ratio of extractant tofeedstock( solvent ratio) 3 08，reflux ratio 52 1 2原料进料位置的影响原料进料位置对萃取精馏的影响见图 3。1 2数学模型在利 用 Aspen Plus 流程模拟软件建 立 工 艺 流程过程 中，选用严格精馏模块 Aspen RadFrac 塔 模型和混合模块 M ixer 模型。对于 M C M B 非理想物系，活度系数模型选择 UNIFAC 模 型10 15。因此，在模拟计算中采用 UNIFAC 模型作为汽液平衡的计算模型。图 3 原料进料位置对萃取精馏的影响Fig 3 Effects of the feedstock position on the extractive distillationConditions: extractant feed position 5th plate，solvent ratio 3 08，reflux ratio 5由图 3 可见，原料在第 1 块塔板上进料时，YM C为94 68% ，但 xM C 只有 61 55% ; 当原料进料位置从第 2 块塔板下 移 到 第 17 块 塔 板 时，xM C 和 YM C 都 逐2结果与讨论2 1萃取精馏塔模拟结果2 1 1萃取剂进料位置的影响萃取剂进料位置对塔顶 xM C 和 YM C 的影响见图渐增大; 当原料进料位置从第 17 块塔板下移时，xM C;和 YM C 都逐渐降低 原料进料位置在第12 21块塔;板之间时对 xM C 和YM C 影响不大 但当原料进料位置石油 化工PETROCHEM ICAL TECHNOLOGY5342011 年第 40 卷偏高或偏低时，xM C 和 YM C 下 降 较 快，这 是 因 为 原 料进料位置偏高或偏低时，完成精馏任务需要更多的理论塔板，预设的 24 块理论塔板对原料的分离不够 完全，从而导致 xM C 下降并进而影响 YM C 。原料进料 位置在第 17 块塔板时，xM C 和 YM C 分别为 99 01% 和99 00% ，均可达到 99% 的要求，因此选取原料进料位置为第 17 块塔板。回流比而保持 YM C 不变，则需增大加热功率，同时塔径也要增加，则操作成本和设备成本都将增 加16。若塔项、塔釜 采 出 量不变而加热功率增加时，塔 顶 冷凝器功率要增加，总能耗增大。由图 5 还可见，塔 釜萃取剂 浓 度 随 回流比的增加而减小。减 小 萃 取 剂浓度会降低 ，所需理论塔板数会增加，同时萃取剂的回收成本会增加。综合考虑，选择 YM C 、塔内萃 取剂浓度和 xM C ，选择回流比为 5 较适宜。2 1 3溶剂比的影响溶剂比对萃取精馏的影响见图 4。由 图 4 可见，当溶剂比较小时，虽然 YM C 较高，但 xM C 达不到要求，这是由于 萃 取 剂 用 量 少 时，没有足够的萃取剂 分子与 M C 作 用，使 得 M C 对 M B 的 相 对 挥 发 度( ) 较小，xM C 较 低; 当溶剂比较高时，xM C 较 高，但YM C 却下降较快，这是由于溶剂比过大时，虽然 较大，但溶剂量大，釜液沸点升高较多，在塔釜加热功率固定的情 况 下，产生的上升蒸气量减少，不 能 使 易挥发组分充分汽化，导致其随釜液流失较多。若 采用较大的 溶 剂 比，萃取精馏塔的液相负荷增大， 会阻碍气液相在塔板上的传质，从而使塔板效率降 低。提高加热功率可在保证 xM C 满足要求的情况下提高 YM C ，但这 将 增 大 能 耗。当 溶 剂 比 为 3 08 时，xM C 和 YM C 分 别 为 99 01% 和 99 00% ，均 可 达 到99% 的要求，因此选取溶剂比为 3 08。图 5 回流比对萃取精馏的影响Fig 5 Effects of the reflux ratio on the extractive distillationConditions: extractant feed position 5th plate，feedstock position 17th plate，solvent ratio 3 08xM C ;YM C ;M ole fraction of extractant( xPhenol )2 2溶剂回收塔模拟结果溶剂回收 塔 的 进 料 量 为 2 574 mol / min，其 中M C 0 002 mol / min，M B 0 418 mol / min，萃 取 剂 苯酚 2 154 mol / min，进料温度 151 63 ，模拟结果见表 1。表 1 溶剂回收塔的模拟结果Simulation result for the solvent recovery columnTable 1x，%Y，%ItemOverheadBottomOverheadBottomM BPhenolM C99 2800 721 7798 23090 710100 009 29100 000图 4 溶剂比对萃取精馏的影响Fig 4 Effects of the solvent ratio on the extractive distillationConditions: extractant feed position 5th plate，feedstock position 17th plate，reflux ratio 53验证实验验证实验在实验室玻 璃精馏塔中进行，塔 径2 1 4回流比的影响回流比对萃取精馏的影响见图 5。由 图 5 可见，随回流比增 大，xM C 逐 渐 增 大，但 YM C 逐 渐 降 低。YM C 降低是因为在固定加热功率 的 情 况 下，上 升 蒸气量固定，塔 顶 冷 凝 液 量 亦 固 定，回流比增大则塔 顶馏出物减 少，为 维持塔物料平衡，塔 釜 采 出 量 增 多，从而带出更多的 M C，导致 YM C 降低。如要增大40 mm，塔身有多个进料口，内装 6 mm 6 mm 的 丝网填料( 天津大学填料研究所) ，填料高 1 5 m。用苯 四氯化碳物系对精馏塔进行标定，测得精馏塔的理论板数为 24 块。萃 取 精 馏 实 验 条 件 为: 萃 取 剂 的 进 料 量2 154 mol / min，M C 和 M B 摩 尔 比 为 1 1 5 的 混535第 5 期张春勇等 . 萃取精馏分离甲基环己烷和甲苯工艺过程的模拟合物 ( 原 料 ) 的 进 料 量 0 702 mol / min，进 料 温 度25 ，塔顶为全凝器，回流比 5，原料进料口距填料顶部约 100 cm，萃取剂进料口距填料顶部约 30 cm，冷凝器压力 81 06 kPa，塔釜压力 111 46 kPa，再沸器功率 2 kW 。溶剂回收 实 验 条 件 为: 塔 顶 为 全 凝 器，回 流 比8，萃取精馏塔塔釜液为原料，原料进料口位置距填 料顶部约 80 cm，冷凝器压力 81 06 kPa，再 沸 器 功 率 2 kW 。实验结果见 表 2。由 表 2 可 见，实 验 值 与 模 拟参 考 文 献1M artiin A，Lucke B Ammoxidation and Oxidation of Substitu-ted M ethyl Aromatics on Vanadium-Containing CatalystsJCatal Today，2000，57( 1 2) : 61 70Dai Shiyao，Xu Guohua，An Yue，et al Kinetics of Liquid-Phase Hydrogenation of Benzene in a M etal Hydride SlurrySystem Formed by M lNi5 and BenzeneJ Chin J Chem Eng，2003，11( 5) : 571 576Yuan Huajun，An Yue，Xu Guohua，et al Kinetics of Liquid-Phase Hydrogenation of Toluene Catalyzed by Hydrogen StorageAlloy M lNi5J J Rare Earths ，2004，22( 3) : 385 389Cacciola G，Giordano N Cyclohexane as a Liquid Phase Carrierin Hydrogen Storage and TransportJ Int J Hydrogen Energy，1984，9( 5) : 411 419Grunenfelder N F，Schvcan T H Seasonal Storage of Hydrogenin Liquid Organic Hydrides: Description of the Second PrototypeVehicleJ Int J Hydrogen Energy，1989，14( 8) : 579 586段占庭，雷良恒，周荣琪 加盐萃取精馏的研究: ( ) 用乙二醇醋酸钾制取无水乙醇J 石油化工，1980，9( 6) : 350 355王孝科，田枚 离子液体萃取精馏分离苯 环己烷物系J 石油化工，2008，37( 9) : 905 909董红星，杨晓光，姚春艳，等 糠醛加盐复合萃取剂萃取精馏分离苯和正庚烷J 石油化工，2008，37( 4) : 356 358Samejkal Q，Soos M Comparison of Computer Simulation ofReactive Distillation Using Aspen Plus and Hysys Softw areJChem Eng Process ，2002 ，41( 5) : 413 418Prausnitz J M ，Lichtenthaler R N，De Azevedo E G M olecularThermodynamics of Fluid-Phase Equilibria M 3rd edLondon: Prentice-Hall，1999: 2 28赵跃强，杨振帮，金 丽 萍，等 萃取精馏分离丙醇 水 乙 酸丙酯混合物J 化学工程，2010，38( 8) : 9 12张军亮，王峰，彭伟 才，等 分离碳酸二甲酯和甲醇的常压 加压精 馏 工 艺 流 程 的 模 拟J 石 油 化 工，2010，39 ( 6 ) :646 650廖丽华，张祝蒙，程建民，等 加盐 NM P 法萃取精馏分离裂解碳五馏分J 石油化工，2010，39( 2) : 167 172王洪海，李春利，方 静，等 加盐萃取精馏制取 无 水乙醇 过 程的模拟J 石油化工，2008，37( 3) : 258 261姜泰熙，金承 哲，陶 春 晓，等 减 压 下 甲 基 环 己 烷 ( 1 ) 甲 苯( 2) 系的汽液平衡研究J 吉林化工学院学报，19