应用Aspen Plus分离共沸物

研小慧

. }. a; `/ [3 a引言
) E) Y' b$ [! ~; C8 X非均相共沸精馏法[1]是适用于难分离物系的一种常用方法，而Aspen Plus流程模拟软件的应用为这一方法的实施提供了简便有效的验证途径，并在乙二醇独乙醚/甲基异丁基酮/水分离、工厂有机废液中的1,1,2-三氯乙烷的回收、高纯乙腈生产、乙醇/水共沸物分离[2]、回收废液中丙二醇甲醚与丙二醇甲醚醋酸酯[3,4]等领域均取得了成功的应用。
以2-氯乙醇/水共沸物的分离为例，采用非均相共沸精馏法，对Aspen Plus流程模拟软件的分离过程进行介绍。
1 过程模拟

, i0 A$ ^5 ?+ ^9 j' g# Y+ I1.1物性分析
; f8 ^$ ]( Z; X查阅资料，选取环己烷、甲苯和1,2-二氯乙烷为分离2-氯乙醇/水共沸物[5]的共沸剂。利用Aspen Plus的共沸物搜索功能获得了三种共沸剂与待分离物系形成的最低共沸物情况，如下表1所示，选择物性方法NRTL。
& `0 h3 C5 d  W) |& j. s表1共沸剂与2-氯乙醇/水体系的共沸物情况


由表1可知，环己烷做共沸剂时，与2-氯乙醇、水形成最低三元非均相共沸物，但共沸物中2-氯乙醇与水的质量比约为1:1.5，与待分离体系中2-氯乙醇/水共沸物的比例（1:1.5）相近，因而塔釜不能获得高浓度2-氯乙醇，所以环己烷不宜作为共沸剂分离2-氯乙醇/水共沸物。
另外，由共沸数据可知，带出等质量的水，需要的1,2-二氯乙烷的量远大于甲苯；但甲苯与2-氯乙醇、水形成三元共沸物，提纯过程中会带出部分2-氯乙醇产品，而1,2-二氯乙烷则只与水形成二元共沸物，不会带出2-氯乙醇，因此仅凭借共沸剂与2-氯乙醇、水的共沸情况，难以从甲苯与1,2-二氯乙烷中选取更为适合的共沸剂。下文将通过Aspen Plus的模拟和设计功能，以年度总费用[6]（Total annual cost, TAC）为指标在甲苯和1,2-二氯乙烷中选择较优共沸剂。
1.2共沸剂甲苯与1,2-二氯乙烷的比较
借助Aspen Ternary Map功能，选择物性方法NRTL，可分别做出共沸剂甲苯、1,2-二氯乙烷与2-氯乙醇-水在三角形相图[7]上的残余曲线与40℃液-液相平衡曲线，图中给出了三种组分所形成的二元、三元共沸点，可知甲苯、2-氯乙醇和水形成最低三元非均相共沸物，而1,2-二氯乙烷仅与水形成最低二元非均相共沸物，两者作为共沸剂皆可通过共沸塔与油水分离器的组合将2-氯乙醇与水分离。

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图2 1,2-二氯乙烷-2-氯乙醇-水三元相图

8 D- r$ g* S, ^6 Y( ]2 j4 ?% [0 ?图1甲苯-2-氯乙醇-水三元相图
+ s# L$ c' m' a& l0 _5 c$ [根据图1、2可设计出图3所示的非均相共沸精馏概念流程：2-氯乙醇/水共沸物进入共沸塔，塔釜出料为合格的2-氯乙醇，塔顶蒸汽被冷凝至40℃后进入层析器进行油水分离，含少量水的油相出料返回共沸塔塔顶；含少量共沸剂与2-氯乙醇的水相出料进入脱水塔，塔釜出料为含ppm级有机物的废水，塔顶出料为共沸剂和2-氯乙醇与水形成的二元或三元共沸物，此共沸物循环回层析器继续反应。

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) l4 ]+ {: R6 r% T# w图3 非均相共沸精馏分离2-氯乙醇/水流程
$ N) ~5 I- }4 M4 M" l* h上述流程中，共沸塔的总塔板数和进料位置、脱水塔的总板数、进料位置和回流比影响了整个过程的投资费用和能耗，为获得上述参数的最优值，对于使用不同共沸剂的非均相共沸精馏流程，以TAC为目标函数，采用Luyben提出的序贯迭代法[8]进行参数优化，结果如下表2所示，其中TAC =(资本成本+塔器成本)/回收期+蒸汽成本，详细说明见文献[6]，单位为美元。
表2 序贯迭代法参数优化结果
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/ l( A7 M  Z/ h. P( C! \+ r
2 模拟结果与讨论
+ L# }3 m7 i; ^) @. S- l, m2.1 共沸剂分离结果
根据表2所示的参数，采用Aspen Plus对图3所示的20000t/a2-氯乙醇/水混合物分离过程进行了模拟，得出共沸塔及脱水塔的尺寸参数及待分离物系的分离情况，模拟结果如表3、4所示。
表3塔尺寸参数
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* q0 S* J3 m8 K6 n表4 不同共沸剂的模拟结果比较


由表4可知，无论甲苯还是1,2-二氯乙烷作为共沸剂，皆可在共沸塔的塔釜获得合格的2-氯乙醇产品，但以1,2-二氯乙烷为共沸剂时，由于其带水较少，导致油相回流量远高于甲苯为共沸剂的情况。
2.2 模拟流程TAC计算数据
甲苯、1,2-二氯乙烷作为共沸剂，皆可实现共沸物2-氯乙醇/水的分离，在共沸塔的塔釜获得合格的产品。在此情况下，以表3所示共沸塔、脱水塔尺寸参数进行TAC计算，得出下表5所示数据。

2 ?. t9 @& P& C: X% F3 Q( I5 w) m表5 TAC比较

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6 Y  P  O. ~( K. U8 S7 N8 {2 f由表5可知，对于两种共沸剂，流程的能耗主要由共沸塔决定。甲苯为共沸剂时，由于共沸塔的油相回流量远小于1,2-二氯乙烷为共沸剂时，使得其共沸塔能耗更低；而且由于以1,2-二氯乙烷为共沸剂时共沸塔的油相回流量远大于以甲苯为共沸剂时，这两点皆使得以甲苯为共沸剂的非均相共沸精馏流程的TAC较1,2-二氯乙烷更低，因此本文选择甲苯为共沸剂。

1 ?# z  D  A2 I, ]3 结论
针对非均相共沸精馏法提纯2-氯乙醇的过程，应用通用过程模拟软件Aspen Plus，通过其物性分析功能，无需模拟即可排除环己烷为共沸剂，节省了过程开发时间；根据对三元相图的分析，进行了使用不同共沸剂的分离过程的概念设计；最后，通过模拟和优化确定了最佳共沸剂为甲苯，并确定了最优工艺条件。

研小慧

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课程内容：
第一章 Aspen Plus 软件功能概述，应用领域，软件特点及功能：
第二章 Aspen Plus 物性篇：
查询纯组分物性、物性估算；
& q, v) G% j* U% T7 o计算溶液传递物性；
) t4 u! j/ ?2 w泡、露点计算；
利用软件画二元相图；
查询共沸物及共沸点；
8 G1 c+ B, |$ ~) _  o% X三元体系相图；
3 b3 ^% R7 e: i  O$ Y物性回归液液二元交互参数；
6 i. s# M7 b6 j+ ^电解质溶液计算及 PH 值求取。
第三章 Aspen Plus 物料与能量横算篇
氨气吸收实例；
甲醇汽化热求取；
废热锅炉产气量计算；
第四章 Aspen Plus 物料与能量横算篇
; Y" ?9 T  G. F7 L3 `( F气-液-液三相平衡计算（苯乙烯 sensitivity考察相变点温度）；
  I7 o9 h8 B6 L. {$ m液-液平衡醋酸萃取计算（Design Spec设计规定功能调整溶剂用量）；
液-固平衡计算（十水硫酸钠晶体析出温度）；
6 e. j& R2 f, w- |甲烷水蒸气重整制氢（Calculator +Sensitivity）
第五章 Aspen Plus 应用篇
Pipeline 模块和设计规定功能，进行水高位输送模拟和泵/阀门选型设计。
第六章 Aspen Plus 精馏篇
. u7 [" o% |. n3 [1 L甲醇-水精馏塔设计计算；
# {. j3 E& W( t) f/ r采用设计规定 Design Spec 快速求解；
: r2 e& e; B4 X8 N; Z) O采用灵敏度分析优化进料板位置；
采用填料和塔板计算塔径；
  m7 J& f7 `( c, Z0 D塔顶冷凝器/塔底再沸器求解。在初级班精馏篇基础上加入复杂精馏的案例。
: P" t" x9 s- F2 B  P6 ^( Z第七章 Aspen Plus 换热篇
' ^- o4 ^* V) R9 F- \: ~模拟水-空气-乙醇的换热流程。
1 v6 J) G0 v: J计算锅炉热负荷和蒸汽富裕量，计算换热面积和所需的蒸汽量（设计规定），进行换热器的设计/校核。
第八章 Aspen Plus 石油篇
石油化验数据分析 ADA 和虚拟组分系统 PCS：石油油品切割，计算原油性质及
/ z% H* F$ _8 P+ z3 f混合油品的 TBP 曲线。
/ M0 L6 Y8 `# G7 o& C第九章 Aspen Plus 其它
3 U" m: K2 d1 m' r! g, @+ Q1 Z结合课堂学员需求，讲解新的知识点。
" Q+ M! C, m$ e; o  E' ?% Q课程时间及地点：    2017年8月11-13日        上海
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