分隔壁共沸精馏塔分离叔丁醇水混合物的模拟研究

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第5期
叶 青:分隔壁共沸精馏塔分离叔丁醇水混合物的模拟研究
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分隔壁共沸精馏塔分离叔丁醇水混合物的模拟研究
叶青
(江苏工业学院化工系,江苏 常州 213164)
摘 要 : 提 出 了 一 种 单 塔 共 沸 精 馏 分 离 叔 丁 醇 水 混 合 物 的 新 工 艺 , 新 工 艺 采 用 分 隔 壁 共 沸 精 馏 塔 (DWC-A) 替 代 常 规 共 沸 精
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天然气化工
2009 年第 34 卷
在共沸精馏塔的塔釜得到纯的叔丁醇,塔顶得到三 元共沸物,该三元共沸物为非均相共沸物,经过冷 凝冷却后进入分层器分为两个液相,富含环己烷的 液相回流回塔中, 富水相进入回收塔中进行分离, 回收塔底得到纯水,塔顶同样得到共沸物进入分层 器。
图 2 常规萃取精馏流程 Fig.2 Conventional azeotropic distillation process
由图 4、5 可以看出,常规共沸精馏流程中回收 塔与分隔壁共沸精馏副塔的温度分布的趋势基本
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相同, 由于塔釜都得到产物水, 故其塔釜温度为 100℃。 在常规共沸流程的回收塔中,进料为经过分 层器分层后的富水相, 根据其相平衡数据可知,塔 顶出料中除了少量能形成三元共沸物外,大部分均 为叔丁醇与水的两元共沸物,故塔顶温度为 79.6℃, 而在分隔壁的副塔进料中即有从分层器下来的富 水相,还有一部分为从主塔过来的物料,故整个进 料中环己烷的量较多,导致了在塔顶三元共沸物的 量较多,塔顶温度较低为 78.5℃。 在分隔壁共沸精 馏塔中,部分环己烷没有经过分层器,直接进入副塔 中,导致副塔的操作温度比常规精馏塔的回收塔的 操作温度低,从而其能耗较低。
1 体系的基本性质
叔丁醇-水能形成均相恒沸物,加入共沸剂环己 烷后可形成三相非均相共沸物。 其剩余曲线图如图 1 所示。 在图 1 中,常压下叔丁醇和水的共沸温度为 87.0℃,三组分非均相共沸物的共沸点为 65.2℃,为 最低共沸点。 最低共沸点与其它三个二元共沸点的 连线为精馏边界线,一般精馏塔的组成分部不能穿
共沸精馏是一种特殊精馏方法。 它是向不易分 离的混合物中加入共沸剂,共沸剂与原混合物中的 一个组分或几个组分形成共沸物,使难分离组分间 的相对挥发度增大,从而达到所需的分离要求。 叔 丁醇水形成最低均相共沸物,工业上可采用加入共 沸剂环已烷来进行分离[7,8]。 本文将分隔壁精馏塔用 于共沸精馏分离叔丁醇水混合物 , 经过模拟计算, 获得了支持新工艺技术可行性和节能降耗性能的 定量结果。
由于常规共沸精馏流程中共沸精馏塔和分隔 壁共沸精馏塔主塔的塔顶及塔釜的出料组成基本 相同。 故这两个塔的温度分布的趋势基本相同。 3.3 常规共沸精馏流程与分隔壁共沸精馏塔内组 成的比较
图 6、 图 7 为常规共沸精馏流程中共沸精馏塔 和分隔壁共沸精馏塔主塔的组成分布图, 由其可 知,各组分的浓度分布基本相同,塔顶均为接近于 三元共沸物的混合物,塔釜为纯叔丁醇。
表 1 常规共沸精馏流程与 DWC-A 塔模拟结果 Table 1 Simulation results of DWC-A and conventional
azeotropic distillation process
常规塔
分隔壁共沸精馏塔
理论板数 回流量 /kmol/h 塔顶 x(叔丁醇) /%
x(水) /% x(环己烷) /% 塔釜 x(叔丁醇) /% x(水) /% x(环己烷) /% 冷凝器的热值 /106kJ/h 再沸器的热值 /106kJ/h
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图 8 为常规共沸精馏流程中回收塔组成分布
图,由图 8 可知,经分层器分层后的富水相进入常
规共沸精馏流程的回收塔中,此时环己烷的浓度很
低,经分离后,塔顶主要为叔丁醇及水的二元共沸
物,塔釜为纯水。 图 9 为分隔壁共沸精馏塔副塔的
组成分布图,进入副塔的物料主要的两股,一股为
馏流程的共沸精馏塔及回收塔,不仅节省了设备投资,而且降低了总能耗。 利用 ASPENPLUS 模拟软件,对分隔壁共沸精馏塔
及常规萃取流程进行了模拟。 分隔壁共沸精馏塔的操作条件为:主塔理论板数为 25 块,副塔理论板数为 10 块,环已烷为共沸
剂,在此条件下,比较了常规萃取精馏流程与分隔壁精馏塔内温度、液相组成及汽液相流量的变化。 结果表明,分隔壁共沸精馏
本文从进一步节能降耗的角度出发,提出了采 用新的共沸精馏新工艺。 新工艺以分隔壁精馏塔替 代原来的共沸精馏塔及回收塔,在一个分隔壁共沸 精馏塔内完成了两组分的分离。 流程如图 3 所示。
时在塔内可实现能量集成。
3 新工艺性能的模拟研究
3.1 模拟条件 为了对新工艺的节能降耗性能有定量的认识,
采用 Aspenplus 软件对常规共沸精馏流程及分隔壁 共沸精馏塔的共沸精馏工艺进行了模拟,初步确定 了工艺参数。 案例所需分离的物系为叔丁醇和水, 进 料 中 叔 丁 醇 摩 尔 分 数 为 90% , 原 料 进 料 量 为 100mol/h,原料为泡点进料,共沸剂为环己烷。 3.2 常规共沸精馏流程与分隔壁共沸精馏塔内温 度的比较
在常规共沸精馏流程共沸精馏塔中, 自塔釜向 上, 随着叔丁醇的浓度逐渐减少, 水的浓度逐渐增 大;在第三、第四块板处, 水的浓度达到最大, 然后 水的浓度又重新降低,产生返混现象。 返混效应是 精馏过程热力学效率低下的重要原因。 但在分隔壁 共沸精馏塔中,在主塔上部第三、四块板处水的液 相浓度达到最大时, 有部分混合物直接进入副塔中 去分水,故对分隔壁共沸精馏塔可减少组分返混的 问题,同时此时进入副塔的环己烷浓度较高,有利 于副塔塔顶叔丁醇及水从塔顶带出,故达到相同的 分离要求,分隔壁共沸精馏塔应比常规共沸精馏流 程更节能。
收 稿 日 期 :收 稿 日 期 :2009-04-01; 作 者 简 介 : 叶 青 (1968-), 女,副教授,电话 13815066967,电邮 yeqing@em.jpu.edu.cn。
越精馏边界线。虚线部分为环己烷和水的液-液部分 互溶区,其间的连线是液、液相平衡线,点划线为剩 余曲线。 由图 1 可知,叔丁醇和水位于精馏边界线 AB 的两端, 而一个精馏塔的产物是无法越过此精 馏边界线,故无法得到这两个物质,但由于加入环 己烷后能形成三元非均相共沸物,经过冷凝冷却后 分为两相,这两相跨越了这条边界线,故可通过增 加一个分层器和精馏塔得到叔丁醇和水。
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由表 1 可以看出,采用分隔壁共沸精馏新工艺
后,将常规共沸精馏流程的二塔变为一个塔,由于
在分离过程中减少了常规流程中共沸精馏塔塔顶
物料的返混,及由于在分隔壁共沸精馏塔副塔中环
己烷的浓度提高, 导致副塔塔顶的物料温度降低,
故在达到相同的分离要求时,分隔壁共沸精馏塔更
节能,再沸器所需能耗下降了 14.5%。若考虑冷凝器
从分层器分层的富水相,还有部分从主塔直接进入
副塔的物料,这股物料中由于有部分环己烷,经分
离后,塔顶出料应为两元恒沸物及少量三元恒沸物
的混合物,塔釜得到纯水。
3.4 常规共沸精馏流程与分隔壁共沸工艺的比较
用 ASPEN 模拟了常规共沸精馏流程和新工艺
流程,这两种流程所采用的共沸剂均为环己烷,结果
见表 1。
共沸精馏塔 汽提塔
25
10
400
3.0
40.57 60.16
11.00 39.61
48.43 0.23
99.96 0.90
0.04 99.10


17.88 5.17
20.12 6.48
主塔
副塔
25
10
400
40,55
11.27
48.17
99.96
0.94
0.04 99.06


18.06
19.21
塔比常规的两塔萃取精馏流程节能 17.8%。
关键词:分隔壁塔;共沸精馏;叔丁醇水混合物;环己烷;流程模拟
中图分类号:TQ 018
文 献 标 识 码 :A
文 章 编 号 :1001-9219(2009)05-17-04
分隔壁精馏塔(DWC)是在 塔 内 部 设 一 垂 直 隔 板,将精馏塔分成下部公共提馏段、及隔板两边的 精馏进料段和中间采出段三部分。 对于某些给定的 物料,分隔壁精馏塔与常规精馏塔相比,节能最高 可达到 60%以上,可省设备投资 30%[1-3]。 目前,国外 已 有 BASF、Kellogg、BP、Sumitomo 重 工 、Kyowa Yuka、Linde AG 等公司的 40 多座 DWC 成功应用于商 业化生产[4,5]。 此外,将分隔壁延伸至塔顶或塔釜,可 用于萃取精馏过程[6]及共沸精馏过程。
在精馏塔的中部,增加一块隔板,隔板的下方 延伸到塔釜,在此塔中,分隔壁将塔分为两部分,此 塔需两个再沸器,但只需一个冷凝器。 在分隔壁共 沸精馏塔中, 分隔壁两侧的塔釜分别得到产物水和 叔丁醇,塔顶得到共沸物进入分层器。 在分隔壁共 沸精馏塔的上部可以减少部分物料的返混产生,同
图 5 分隔壁共沸精馏副塔温度分布 Fig.5 Temperature profile in auxiliary column in DWC-A
在相同的操作条件下,分别得到了两种流程塔 内温度分布、组成分布及汽液相流率分布,结果见 图 4~9。
Fig.4
图 4 常规流程中回收塔温度分布 Temperature profile in conventional azeotropic distillation column
图 3 分隔壁萃取精馏塔 Fig.3 Dividing-wall azeotropic distillation column
所消耗的能量,则分隔壁萃取精馏流程比常规流程 节能 17.8%。同时,由于将常规流程的二塔变为了一 个塔,设备投资也将下降。
4 结论
提出了以环己烷为共沸剂分离叔丁醇水混合 物的分隔壁共沸精馏的新工艺流程, 并用 ASPENPLUS 对该流程进行了模拟。
对于分隔壁共沸精馏的新工艺流程,提出了其 操作的工艺参数:主塔理论板数为 25 块,副塔理论 板数为 10 块板,回流量为 400kmol/h。 在此操作条 件下,比较了常规共沸精馏流程与分隔壁精馏塔内 温度、液相组成及汽液相流量的变化。 并得出分隔 壁共沸精馏工艺相比常规的萃取精馏流程节能 17.8%,并且能降低设备投资。
参考文献
[1] Ennenbach F, Kolbe B, Ranke U. Divided Wall Columns: A novel distillation concept[J].Process Technol Quart,2000, 5 (3): 97-103.
[2] Abdul M I, Smith R.Operation and control of dividing wall columns[J]. Chem Eng Res Des, 1998,76(3): 308-334.
图 6 常规流程共沸精馏塔液相组成分布 Fig.6 Liquid composition profiles in conventional azeotropic
Fig.8
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图 8 常规流程回收塔液相组成分布 Liquid composition profiles in conventional azeotropic
图 1 叔丁醇-水-环己烷剩余曲线 Fig.1 Residual curve map for tert-butanol-water-cyclohexane
2 采用分隔壁精馏塔进行共沸精馏 的新工艺
以环己烷为共沸剂分离叔丁醇-水的常规共沸 精馏流程如图 2 所示。 叔丁醇和水的混合物从共沸 精馏塔的中部进料, 共沸剂环己烷从分层器进料。
Fig.7
图 7 分隔壁共沸精馏塔主塔液相组成分布 Liquid composition Profiles in main column in DWC-A distillation column
Fig.9
图 9 分隔壁共沸精馏塔副塔液相组成分布 Liquid composition profiles in auxiliary column in DWC-A distillation column
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