带有热量集成的乙醇-水萃取精馏过程模拟

第32卷第2期计算机与应用化学Vol 32. No.22015年2月28日Computers and Applied ChemistryFebruary 28, 2015带有热量集成的乙醇-水萃取精馏过程模拟朱炜1,张少伟1,金文叶,蔡信彬2,樊增禄2(1.西安工程大学环境与化学工程学院,陕西,西安,7100482.西安工程大学纺织与材料学院,陕西,西安,710048)摘要:使用 Aspen Plus,首先对乙醇水萃取精馏过程的7种萃取剂的分离效能进行了模拟比较,结果显示:丙三醇>DMSO>乙二醇>DMF>糠醛>苯甲醛丶NMP:接着,以丙三醇为萃取剂,设计了最优的萃取精馏工艺流程,并确定了萃取精馏过程中萃取精馏塔(理论板数:16,回流比:2,原料进料位置:2,萃取剂的进料量:230kmol/hr和进料位置:4)和溶剂回收塔(理论板数:7,进料位置:3和回流比:3)的最佳工艺条件:最后,本文还利用热量集成的方法对系统的废热进行了回收利用,不但节约能耗326272kW,还顺产1MPa低压蒸汽127 kmol/hr。本研究为乙醇-水萃取精馏分离工艺的工业化提供了理论依据和设计参数。键词: Aspen Plus,萃取精馏,乙醇-水,丙三醇,热量集成中图分类号:TQ0159文献标识码:A文章编号:1001-41602015)02-208-212DOI: 10. 11719/com. app. chem201502181引言补充溶剂(溶剂)无水乙醇是极其重要的有机化工原料,广泛应用于乙醇+水混合器医药、农药、油漆、食品、化妆品、橡胶、电子工业等加热器(水将剂行业12。随着绿色能源的推广,在无水乙醇中添加改性萃取精馏塔剂可形成变性燃料乙醇,再将变性燃料乙醇以一定比例与汽油调和,形成车用乙醇汽油,可用作汽车的环保燃回收溶剂)溶剂回收塔料4。近年来,随着能源价格的持续走高,节约石油资冷却器源的举措已列入国家科技发展计划纲要,车用无水乙醇Fig1 The process of extractive distillation of ethanol+ water system项目正在得到积极推广。常压下乙醇水体系为共沸物图1乙醇-水萃取精馏工艺流程图系,目前的分离方法有:分子筛分离法、膜分离法、3萃取精馏过程的模拟附法、加盐萃取精馏法等6ν。其中,萃取精馏制取无水乙醇具有低能耗、无污染、设备简单、操作方便等优点3.1模块与分析工具的选择而备受关注。随着无水乙醇需求的不断增加对其生产过表1模拟中用到的模块和分析工具程进行优化变得十分重要。Table 1 The model and analysis tools used in this worl萃取精馏溶剂回收冷却器/加混合本文以丙三醇为最佳萃取剂,设计出了最优的乙醇热器分析工具水体系萃取精馏工艺流程,并通过 Aspen Plus模拟得到RadfracDSTWU其最佳工艺参数RadfracHeaterSpecificationCalculato2萃取精馏流程3.2物性方法的选择使用 Aspen内置参数,分别使用Wlon,NRTL分离乙醇水的萃取精馏工艺流程如图1所示。乙醇- UNIQUAC及 UNIFAC4种热力学模型计算得到乙醇水水混合物经过加热器预热进入萃取精馏塔中部,萃取剂共沸物系的气液平衡数据,并将其与实验数据进行了从萃取塔的上部进入,在萃取精馏塔的塔顶得到纯度较对比,结果见图2,相应的误差分析见表2。比较可知,高的乙醇产品,塔釜得到萃取剂与水的混合物,接着塔NRTL模型误差最小,因此模拟中选用NRTL物性方法。釜的混合物进入溶剂回收塔,其塔顶得到高纯度的水,33萃取剂的选择塔釜则获得回收的萃取剂,再使回收萃取剂流过冷却器,以丙三醇、乙二醇、DMF、糠醛、苯甲醛、NMP,进入混合器和补充的新鲜萃取剂混合后进入萃取精馏塔DMSO7种物质为萃取剂,在相同操作条件下分别对其循环使用分离效能进行了模拟计算和比较。稿日期:201407-08;修回日期:2014-1109基金项目:西安工程大学博士启动基金资助项目(BS1309):西安工程大学2013年省级大学生创新创业训练计划项目资助项目(1412作者简介:朱炜(1982),男,讲师,E-mal: zhuwei@ xpu. edu联系人:樊增禄,男,硕士生导师,E-mail:zw198204@163.2015,32(2朱炜,等:带有热量集成的乙醇水萃取精馏过程模拟209模拟条件:原料进料流率为100kmol/hr,水与乙醇以3:7(摩尔比)进料,萃取剂的进料流率为80kmol/hr,0.999精馏塔操作温度为80°C,压力为1atm,塔顶采出率为月0.99870kmol/hr,全塔塔板总数为16,回流比2,原料进料板为第12块板,萃取剂进料板为第4块板。模拟计算结果如表3所示。RTL T-X-P-UNIQUAC T-y- wilson -x卡 UNIFAFig 3 The effect of theoretical plate number on the purity of ethanol-UNIFAC T-y图3理论板数对乙醇摩尔浓度的影响35534.1.2原料进料位置设置原料进料位置时,应尽可能使原料组成与塔板上脱除萃取剂后两组分的组成尽量相近。否则,进料位mole fraction of ethanol x, y置的不合理选取会直接影响分离效果,使分离效果变差The T-x-y dystem obtained from取回流比为2,塔顶流率为70kmol/hr,溶剂比为1.0,our thermodynamic models calculation and experiment value萃取剂进料位置为第4块板,全塔理论板数为16,原料图24种热力学模型计算的乙醇-水的图与实验值的比较进料位置对塔顶乙醇的浓度影响如图4示。表24种热力学模型的误差分析1.01Table 2 Error analysis of four thermododels00Wilson NRTL UNIQUAC UNIFAC平均相对误差ARD1.29860.74520.9324it:: ARD= I Texp-Tcal- 100+ 1-Yexp.097其中,T为平衡温度,Y为气相中乙醇的摩尔分数N为实验点数,exp表示实验值,cal表示计算值表3不同萃取剂的模拟结果able 3 The simulation results for 7 different extractants萃取剂丙三DMF糠醛苯甲 NMP DMSO塔顶乙feed stage0.99909520.8810.7610.5990.5930981Fig 4 The effect of feed position on the purity of ethanol.由模拟结果可知7种萃取剂的分离效能顺序为:图4原料进料位置对乙醇浓度的影响醇>DMSO>乙二醇>DMF>糠醛>苯甲醛>从图中可以看出,当进料位置在1-11之间时,乙醇NMP;因此,从萃取剂成本和分离效能两方面综合考虑,的浓度一直在增加,当进料板数为12时,乙醇浓度已经选择丙三醇为最佳萃取剂。达到99.91%,之后再增加板数,乙醇浓度几乎不变。所34工艺参数的优化以原料进料板位置选择第12块板3.4.1萃取精馏塔3413萃取剂进料位置3.4.1.1理论板数取回流比为2,塔顶流率为70kmol/hr,溶剂比为1.0,在萃取精馏中,全塔理论板数对萃取分离效果至关原料进料位置为第12块板,全塔理论板数为16,萃取剂重要。取回流比为20,溶剂比为10,萃取剂进料位置进料位置对塔顶乙醇的浓度影响如图5所示为第4块板,原料进料位置为第12块板,萃取精馏塔理从图5中可以看到,当萃取剂进料位置为2时,乙醇论板数对塔顶乙醇浓度的影响如图3所示浓度达到最大。若再增加板数对应的乙醇浓度反而降低从图3中可知,当全塔理论板数在1-15之间的时候,但是过高的进料位置,会增加输送萃取剂的能耗。因此乙醇浓度不断上升,当理论板数为16时,乙醇浓度已达在选择萃取剂进料位置时除了考虑乙醇产品的浓度,还到991%,而当理论板数大于16时,乙醇浓度的增加要考虑能耗。本例中选择第4块塔板为萃取剂的进料位不显著。因此,萃取精馏塔理论板数选为16块。置,对应的乙醇纯度为9991%210计算机与应用化学015,32(2)0.950.800.9920.982103504004505005Fig. 5 The effect of solvent feed position on the purity of ethanolFig. 7 The effect of solvent amount on the purity of ethanol图5萃取剂进料位置对乙醇浓度的影响图7萃取剂加入量对乙醇浓度的影响34.14回流比342溶剂回收塔一般来说,回流比越大,分离效果越显著。但是在溶剂回收塔主要是对萃取剂丙三醇进行回收,并循萃取精馏塔中,为增大被分离组分的相对挥发度,就应环利用。对于溶剂回收塔先采用 DSTWU模块对其进行简该使各个塔板的液相均保持足够的萃取剂浓度。若回流捷计算,可得溶剂回收塔的参数见表4。并以表4结果作比过大,不但不能提高乙醇的分离提纯,反而会降低塔为 Radfrac模块严格模拟的初值内萃取剂的浓度而使分离变得困难,因此,必须选择最表4用 DSTWU对溶剂回收塔的模拟结果佳的回流比。取溶剂比是1.0,塔顶流率为70 kmol/hr,溶Table 4 The simulation results for solvent recovery column剂比为0,原料进料位置为第14块板,全塔理论板数为最小回流实际回流最小理论极理论板进料板位置16,萃取剂进料位置为第4块板,得到回流比对塔顶乙醇数NmnFeedsta的浓度影响如图6所示。由此选择最佳回流比为1.034.2.1理论板数1.0001取回流比为2,进料板为第3块塔板,得到溶剂回收塔塔板总数对塔顶水浓度的影响如图8所示1.010.9998reflux ratio0.9Fig. 6 The effect of reflux ratio on the purity of ethanol图6回流比对乙醇浓度的影响theoretical plate number34.1.5萃取剂加入量取溶剂比是1.0,回流比为1.0,塔顶流率为70Fig 8 The effect of theoretical plate number on the purity of water.图8理论板数对乙醇摩尔浓度的影响kmol/hr,原料进料位置为第14块板,全塔理论板数为16,萃取剂进料位置为第4块板,得到萃取剂加入量对塔顶乙从图8中可以看到当板数为大于7时,曲线已经持平。醇的浓度影响如图7所示当再增加理论板数时,塔顶水的浓度基本已经没有显著可以看到,萃取剂的加入量在1-230 kmol/hr时,随变化,所以,选择溶剂回收塔的理论板数为7。着加入量的增大,乙醇的纯度也变得越高,即萃取分离34.22进料板位置效果越显著。当萃取剂大于230kmol/hr后曲线变化基本取回流比为2,塔板总数为7块,得到进料板位置对持平,若再增加,不仅分离效果变化不再明显,反而会塔顶水浓度的影响如图9所示增加萃取塔的负荷和溶剂回收塔的分离负担。因此,选由图可见,进料板为3时,塔顶乙醇含量的最高。因择萃取剂的加入量为230kmo/hr此,进料板位置选第3块板。2015,32(2)朱炜,等:带有热量集成的乙醇水萃取精馏过程模拟1.005与流程1相比,流程1最大的区别就是对被回收萃取剂剂中的热量进行了回收利用:利用它来加热原料和产生低压蒸汽对热量的模拟优化过程中除了使用表1中所用到的模块和分析工具外,还要使用HeaX模块来模拟加热器和废热锅炉,Pump模块来模拟加压泵采用流程11进行热量的模拟优化,结果如表5所示。表5新工艺流程的热量模拟结果feed stageTable 5 The simulation results for heFig9图9进料位置对塔顶水浓度的影响物料:回收溶剂物料:锅炉水进温:287.73°C进温:25%出温:233.70°3079.55k3423回流比流量:230.05 kmol/hr流量:217kmol/hr取进料板位置为2,塔板总数为7块,得到溶剂回收塔回流比对塔顶水浓度的影响如图10所示。当回流比取3物料:回收溶剂物料:原料加热进温:9493°C时,塔顶水的含量已达到99.96%,当再增加回流比时,出温:81.55183.l7kW塔顶水浓度增加的幅度已不是很大,更重要的是分离过流量:23005km/r流量:100mo程中的能耗会因此大幅增加。因此,选择最优回流比为3。由表5可得本流程的热交换网络,如图12所示。其中1.0000H1l表示萃取剂回收热物流,C1表示废热锅炉的锅炉给水冷物流,C2表示原料进料冷物流0.99985结论0.99920.99880.9986图H2新工network of improved process.程的热交换网络Fig 10 The effect of reflux ratio on the purity of water.图10回流比对塔顶水浓度的影响(1)对乙醇-水共沸物系萃取精馏过程中所用的7种4萃取精馏过程中的热量集成萃取剂的分离效能力进行了模拟比较,大小顺序为:丙三醇>DMSO>乙二醇>DMF>糠醛>苯甲醛>经过以上模拟步骤后,虽然流程1整个过程中萃取剂NMP得到了最大程度上的回收利用,但是被回收溶剂中所带(2)以丙三醇为萃取剂,利用 Aspen Plus模拟计算和有的热量却被白白浪费。与此同时,原料在进入萃取精馏塔时,却需要外界热源进行加热。有鉴于此,本文采优化,确定了萃取精馏塔和溶剂回收塔的的最佳操作条用热量集成的方法对系统的废热进行了回收。通过在原件如表6所示。流程的基础上考虑热量的循环利用而设计了新的工艺流最佳工艺参数程图,如图11所示。6 The o原料进溶剂进数比料位置料位置品浓度(补加溶剂)萃取16混合器萃取精馏塔精馏kmol/hr 99.98 o(乙醇+水)(水+溶剂剂回收塔锅炉给水)低压燕汽)。3废热锅炉回收溶剂)Q增压泵(3)使用热量集成的方法,采用流程11对萃取精馏过Fig. Il The process of extractive distillation with heat程中的热量进行了回收利用,节约能量3262.72kW,并图11带有废热回收系统的流程图产生1MPa的低压蒸汽217kmo/hr212计算机与应用化学015,32(2)References:1016-1026.8 Li Qunsheng Zhu Wei, and wang Haichuan. Isobaric ValI Santosh Kumar, Neetu Singh and Ram Prasad, Anhydrous ethanol:uid equilibrium for the ethanol water 1, 3-dimethylimidazolA renewable source of energy Renewable and Sustainable Energyeviews.2010,14(7):1830-1844ium dimethylphosphate system at 101.3 kPa. Journal of ChemicalEngineering Data, 2012, 57: 696-7002 Ravagnani M.A.SS, Reis M.H.M and Filho Maciel R Anhydrous 9Ica ntara-Avila J. Rafael, Kano Manabu and Hasebe Shinjithanol production by extractive distillation: A solvent case studProcess Safety and Environmental Protection, 2010, 88(1): 67-73Environmental and economic optimization of distillationstructures to produce anhydrous ethanol. Computer Aided3 Ma Xiaojian, Wu Yong and Niu Qingchuan. Progress inChemical Engineering. 2012, 30: 712-716manufacture of anhydrous ethanol, Modern Chemical Industry10 Arce Alberto, Martinez-Ageitos Jose and Ana Soto VLE for water2005,25(1):26-29+ethanol 1-octanol mixtures. Experimental measurements andcorrelations. 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Textiles and Materials College, XI'an Polytechnic University, Xi an 710048, Shanxi Province, China)bstract: Firstly, the separation efficiency of seven different extractants for the ethanol water extractive distillation process was evaluatedusing Aspen plus process simulation software. The results showed: glycerol >DMSO> DMF furfural glycol benzaldehyde NMPSecondly, glycerol was used as extractant and the best separation process was designed for the ethanol water extractive distillation. Moreoverthe optional process conditions were determined for the extractive distillation column(including theoretical plate number(16), reflux ratio (2.0)feed stage(12), solvent amount(230kmol/hr )and solvent feed stage (4)and solvent recovery column(including theoretical plate number (7).feed stage (3)and reflux ration (3.0)). Finally, the system waste heat was recycled using heat integration method: not only save energyconsumption 3263. 72 kw, but also produce low pressure(I MPa) steam 127 kmoWhr. These works can provide a theoretical basis and designparameters for the ethanol+ water extractive distillation separation processKeywords: Aspen Plus; extractive distillation; ethanol-water: glycerin; heat integration( Received:201407-08; Revised:201411-09)