帶有熱量集成的乙醇-水萃取精餾過(guò)程模擬

第32卷第2期計算機與應用化學(xué)Vol 32. No.22015年2月28日Computers and Applied ChemistryFebruary 28, 2015帶有熱量集成的乙醇-水萃取精餾過(guò)程模擬朱煒1,張少偉1,金文葉,蔡信彬2,樊增祿2(1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西,西安,7100482.西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院,陜西,西安,710048)摘要:使用 Aspen Plus,首先對乙醇水萃取精餾過(guò)程的7種萃取劑的分離效能進(jìn)行了模擬比較,結果顯示:丙三醇>DMSO>乙二醇>DMF>糠醛>苯甲醛丶NMP:接著(zhù),以丙三醇為萃取劑,設計了最優(yōu)的萃取精餾工藝流程,并確定了萃取精餾過(guò)程中萃取精餾塔(理論板數:16,回流比:2,原料進(jìn)料位置:2,萃取劑的進(jìn)料量:230kmol/hr和進(jìn)料位置:4)和溶劑回收塔(理論板數:7,進(jìn)料位置:3和回流比:3)的最佳工藝條件:最后,本文還利用熱量集成的方法對系統的廢熱進(jìn)行了回收利用,不但節約能耗326272kW,還順產(chǎn)1MPa低壓蒸汽127 kmol/hr。本研究為乙醇-水萃取精餾分離工藝的工業(yè)化提供了理論依據和設計參數。鍵詞: Aspen Plus,萃取精餾,乙醇-水,丙三醇,熱量集成中圖分類(lèi)號:TQ0159文獻標識碼:A文章編號:1001-41602015)02-208-212DOI: 10. 11719/com. app. chem201502181引言補充溶劑(溶劑)無(wú)水乙醇是極其重要的有機化工原料,廣泛應用于乙醇+水混合器醫藥、農藥、油漆、食品、化妝品、橡膠、電子工業(yè)等加熱器(水將劑行業(yè)12。隨著(zhù)綠色能源的推廣,在無(wú)水乙醇中添加改性萃取精餾塔劑可形成變性燃料乙醇,再將變性燃料乙醇以一定比例與汽油調和,形成車(chē)用乙醇汽油,可用作汽車(chē)的環(huán)保燃回收溶劑)溶劑回收塔料4。近年來(lái),隨著(zhù)能源價(jià)格的持續走高,節約石油資冷卻器源的舉措已列入國家科技發(fā)展計劃綱要,車(chē)用無(wú)水乙醇Fig1 The process of extractive distillation of ethanol+ water system項目正在得到積極推廣。常壓下乙醇水體系為共沸物圖1乙醇-水萃取精餾工藝流程圖系,目前的分離方法有:分子篩分離法、膜分離法、3萃取精餾過(guò)程的模擬附法、加鹽萃取精餾法等6ν。其中,萃取精餾制取無(wú)水乙醇具有低能耗、無(wú)污染、設備簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)3.1模塊與分析工具的選擇而備受關(guān)注。隨著(zhù)無(wú)水乙醇需求的不斷增加對其生產(chǎn)過(guò)表1模擬中用到的模塊和分析工具程進(jìn)行優(yōu)化變得十分重要。Table 1 The model and analysis tools used in this worl萃取精餾溶劑回收冷卻器/加混合本文以丙三醇為最佳萃取劑,設計出了最優(yōu)的乙醇熱器分析工具水體系萃取精餾工藝流程,并通過(guò) Aspen Plus模擬得到RadfracDSTWU其最佳工藝參數RadfracHeaterSpecificationCalculato2萃取精餾流程3.2物性方法的選擇使用 Aspen內置參數,分別使用Wlon,NRTL分離乙醇水的萃取精餾工藝流程如圖1所示。乙醇- UNIQUAC及 UNIFAC4種熱力學(xué)模型計算得到乙醇水水混合物經(jīng)過(guò)加熱器預熱進(jìn)入萃取精餾塔中部,萃取劑共沸物系的氣液平衡數據,并將其與實(shí)驗數據進(jìn)行了從萃取塔的上部進(jìn)入,在萃取精餾塔的塔頂得到純度較對比,結果見(jiàn)圖2,相應的誤差分析見(jiàn)表2。比較可知,高的乙醇產(chǎn)品,塔釜得到萃取劑與水的混合物,接著(zhù)塔NRTL模型誤差最小,因此模擬中選用NRTL物性方法。釜的混合物進(jìn)入溶劑回收塔,其塔頂得到高純度的水,33萃取劑的選擇塔釜則獲得回收的萃取劑,再使回收萃取劑流過(guò)冷卻器,以丙三醇、乙二醇、DMF、糠醛、苯甲醛、NMP,進(jìn)入混合器和補充的新鮮萃取劑混合后進(jìn)入萃取精餾塔DMSO7種物質(zhì)為萃取劑,在相同操作條件下分別對其循環(huán)使用分離效能進(jìn)行了模擬計算和比較。稿日期:201407-08;修回日期:2014-1109基金項目:西安工程大學(xué)博士啟動(dòng)基金資助項目(BS1309):西安工程大學(xué)2013年省級大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃項目資助項目(1412作者簡(jiǎn)介:朱煒(1982),男,講師,E-mal: zhuwei@ xpu. edu聯(lián)系人:樊增祿,男,碩士生導師,E-mail:zw198204@163.2015,32(2朱煒,等:帶有熱量集成的乙醇水萃取精餾過(guò)程模擬209模擬條件:原料進(jìn)料流率為100kmol/hr,水與乙醇以3:7(摩爾比)進(jìn)料,萃取劑的進(jìn)料流率為80kmol/hr,0.999精餾塔操作溫度為80°C,壓力為1atm,塔頂采出率為月0.99870kmol/hr,全塔塔板總數為16,回流比2,原料進(jìn)料板為第12塊板,萃取劑進(jìn)料板為第4塊板。模擬計算結果如表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圖3理論板數對乙醇摩爾濃度的影響35534.1.2原料進(jìn)料位置設置原料進(jìn)料位置時(shí),應盡可能使原料組成與塔板上脫除萃取劑后兩組分的組成盡量相近。否則,進(jìn)料位mole fraction of ethanol x, y置的不合理選取會(huì )直接影響分離效果,使分離效果變差The T-x-y dystem obtained from取回流比為2,塔頂流率為70kmol/hr,溶劑比為1.0,our thermodynamic models calculation and experiment value萃取劑進(jìn)料位置為第4塊板,全塔理論板數為16,原料圖24種熱力學(xué)模型計算的乙醇-水的圖與實(shí)驗值的比較進(jìn)料位置對塔頂乙醇的濃度影響如圖4示。表24種熱力學(xué)模型的誤差分析1.01Table 2 Error analysis of four thermododels00Wilson NRTL UNIQUAC UNIFAC平均相對誤差ARD1.29860.74520.9324it:: ARD= I Texp-Tcal- 100+ 1-Yexp.097其中,T為平衡溫度,Y為氣相中乙醇的摩爾分數N為實(shí)驗點(diǎn)數,exp表示實(shí)驗值,cal表示計算值表3不同萃取劑的模擬結果able 3 The simulation results for 7 different extractants萃取劑丙三DMF糠醛苯甲 NMP DMSO塔頂乙feed stage0.99909520.8810.7610.5990.5930981Fig 4 The effect of feed position on the purity of ethanol.由模擬結果可知7種萃取劑的分離效能順序為:圖4原料進(jìn)料位置對乙醇濃度的影響醇>DMSO>乙二醇>DMF>糠醛>苯甲醛>從圖中可以看出,當進(jìn)料位置在1-11之間時(shí),乙醇NMP;因此,從萃取劑成本和分離效能兩方面綜合考慮,的濃度一直在增加,當進(jìn)料板數為12時(shí),乙醇濃度已經(jīng)選擇丙三醇為最佳萃取劑。達到99.91%,之后再增加板數,乙醇濃度幾乎不變。所34工藝參數的優(yōu)化以原料進(jìn)料板位置選擇第12塊板3.4.1萃取精餾塔3413萃取劑進(jìn)料位置3.4.1.1理論板數取回流比為2,塔頂流率為70kmol/hr,溶劑比為1.0,在萃取精餾中,全塔理論板數對萃取分離效果至關(guān)原料進(jìn)料位置為第12塊板,全塔理論板數為16,萃取劑重要。取回流比為20,溶劑比為10,萃取劑進(jìn)料位置進(jìn)料位置對塔頂乙醇的濃度影響如圖5所示為第4塊板,原料進(jìn)料位置為第12塊板,萃取精餾塔理從圖5中可以看到,當萃取劑進(jìn)料位置為2時(shí),乙醇論板數對塔頂乙醇濃度的影響如圖3所示濃度達到最大。若再增加板數對應的乙醇濃度反而降低從圖3中可知,當全塔理論板數在1-15之間的時(shí)候,但是過(guò)高的進(jìn)料位置,會(huì )增加輸送萃取劑的能耗。因此乙醇濃度不斷上升,當理論板數為16時(shí),乙醇濃度已達在選擇萃取劑進(jìn)料位置時(shí)除了考慮乙醇產(chǎn)品的濃度,還到991%,而當理論板數大于16時(shí),乙醇濃度的增加要考慮能耗。本例中選擇第4塊塔板為萃取劑的進(jìn)料位不顯著(zhù)。因此,萃取精餾塔理論板數選為16塊。置,對應的乙醇純度為9991%210計算機與應用化學(xué)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圖5萃取劑進(jìn)料位置對乙醇濃度的影響圖7萃取劑加入量對乙醇濃度的影響34.14回流比342溶劑回收塔一般來(lái)說(shuō),回流比越大,分離效果越顯著(zhù)。但是在溶劑回收塔主要是對萃取劑丙三醇進(jìn)行回收,并循萃取精餾塔中,為增大被分離組分的相對揮發(fā)度,就應環(huán)利用。對于溶劑回收塔先采用 DSTWU模塊對其進(jìn)行簡(jiǎn)該使各個(gè)塔板的液相均保持足夠的萃取劑濃度。若回流捷計算,可得溶劑回收塔的參數見(jiàn)表4。并以表4結果作比過(guò)大,不但不能提高乙醇的分離提純,反而會(huì )降低塔為 Radfrac模塊嚴格模擬的初值內萃取劑的濃度而使分離變得困難,因此,必須選擇最表4用 DSTWU對溶劑回收塔的模擬結果佳的回流比。取溶劑比是1.0,塔頂流率為70 kmol/hr,溶Table 4 The simulation results for solvent recovery column劑比為0,原料進(jìn)料位置為第14塊板,全塔理論板數為最小回流實(shí)際回流最小理論極理論板進(jìn)料板位置16,萃取劑進(jìn)料位置為第4塊板,得到回流比對塔頂乙醇數NmnFeedsta的濃度影響如圖6所示。由此選擇最佳回流比為1.034.2.1理論板數1.0001取回流比為2,進(jìn)料板為第3塊塔板,得到溶劑回收塔塔板總數對塔頂水濃度的影響如圖8所示1.010.9998reflux ratio0.9Fig. 6 The effect of reflux ratio on the purity of ethanol圖6回流比對乙醇濃度的影響theoretical plate number34.1.5萃取劑加入量取溶劑比是1.0,回流比為1.0,塔頂流率為70Fig 8 The effect of theoretical plate number on the purity of water.圖8理論板數對乙醇摩爾濃度的影響kmol/hr,原料進(jìn)料位置為第14塊板,全塔理論板數為16,萃取劑進(jìn)料位置為第4塊板,得到萃取劑加入量對塔頂乙從圖8中可以看到當板數為大于7時(shí),曲線(xiàn)已經(jīng)持平。醇的濃度影響如圖7所示當再增加理論板數時(shí),塔頂水的濃度基本已經(jīng)沒(méi)有顯著(zhù)可以看到,萃取劑的加入量在1-230 kmol/hr時(shí),隨變化,所以,選擇溶劑回收塔的理論板數為7。著(zhù)加入量的增大,乙醇的純度也變得越高,即萃取分離34.22進(jìn)料板位置效果越顯著(zhù)。當萃取劑大于230kmol/hr后曲線(xiàn)變化基本取回流比為2,塔板總數為7塊,得到進(jìn)料板位置對持平,若再增加,不僅分離效果變化不再明顯,反而會(huì )塔頂水濃度的影響如圖9所示增加萃取塔的負荷和溶劑回收塔的分離負擔。因此,選由圖可見(jiàn),進(jìn)料板為3時(shí),塔頂乙醇含量的最高。因擇萃取劑的加入量為230kmo/hr此,進(jìn)料板位置選第3塊板。2015,32(2)朱煒,等:帶有熱量集成的乙醇水萃取精餾過(guò)程模擬1.005與流程1相比,流程1最大的區別就是對被回收萃取劑劑中的熱量進(jìn)行了回收利用:利用它來(lái)加熱原料和產(chǎn)生低壓蒸汽對熱量的模擬優(yōu)化過(guò)程中除了使用表1中所用到的模塊和分析工具外,還要使用HeaX模塊來(lái)模擬加熱器和廢熱鍋爐,Pump模塊來(lái)模擬加壓泵采用流程11進(jìn)行熱量的模擬優(yōu)化,結果如表5所示。表5新工藝流程的熱量模擬結果feed stageTable 5 The simulation results for heFig9圖9進(jìn)料位置對塔頂水濃度的影響物料:回收溶劑物料:鍋爐水進(jìn)溫:287.73°C進(jìn)溫:25%出溫:233.70°3079.55k3423回流比流量:230.05 kmol/hr流量:217kmol/hr取進(jìn)料板位置為2,塔板總數為7塊,得到溶劑回收塔回流比對塔頂水濃度的影響如圖10所示。當回流比取3物料:回收溶劑物料:原料加熱進(jìn)溫:9493°C時(shí),塔頂水的含量已達到99.96%,當再增加回流比時(shí),出溫:81.55183.l7kW塔頂水濃度增加的幅度已不是很大,更重要的是分離過(guò)流量:23005km/r流量:100mo程中的能耗會(huì )因此大幅增加。因此,選擇最優(yōu)回流比為3。由表5可得本流程的熱交換網(wǎng)絡(luò ),如圖12所示。其中1.0000H1l表示萃取劑回收熱物流,C1表示廢熱鍋爐的鍋爐給水冷物流,C2表示原料進(jìn)料冷物流0.99985結論0.99920.99880.9986圖H2新工network of improved process.程的熱交換網(wǎng)絡(luò )Fig 10 The effect of reflux ratio on the purity of water.圖10回流比對塔頂水濃度的影響(1)對乙醇-水共沸物系萃取精餾過(guò)程中所用的7種4萃取精餾過(guò)程中的熱量集成萃取劑的分離效能力進(jìn)行了模擬比較,大小順序為:丙三醇>DMSO>乙二醇>DMF>糠醛>苯甲醛>經(jīng)過(guò)以上模擬步驟后,雖然流程1整個(gè)過(guò)程中萃取劑NMP得到了最大程度上的回收利用,但是被回收溶劑中所帶(2)以丙三醇為萃取劑,利用 Aspen Plus模擬計算和有的熱量卻被白白浪費。與此同時(shí),原料在進(jìn)入萃取精餾塔時(shí),卻需要外界熱源進(jìn)行加熱。有鑒于此,本文采優(yōu)化,確定了萃取精餾塔和溶劑回收塔的的最佳操作條用熱量集成的方法對系統的廢熱進(jìn)行了回收。通過(guò)在原件如表6所示。流程的基礎上考慮熱量的循環(huán)利用而設計了新的工藝流最佳工藝參數程圖,如圖11所示。6 The o原料進(jìn)溶劑進(jìn)數比料位置料位置品濃度(補加溶劑)萃取16混合器萃取精餾塔精餾kmol/hr 99.98 o(乙醇+水)(水+溶劑劑回收塔鍋爐給水)低壓燕汽)。3廢熱鍋爐回收溶劑)Q增壓泵(3)使用熱量集成的方法,采用流程11對萃取精餾過(guò)Fig. Il The process of extractive distillation with heat程中的熱量進(jìn)行了回收利用,節約能量3262.72kW,并圖11帶有廢熱回收系統的流程圖產(chǎn)生1MPa的低壓蒸汽217kmo/hr212計算機與應用化學(xué)015,32(2)References:1016-1026.8 Li Qunsheng Zhu Wei, and wang Haichuan. 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Environmental and Chemical Engineering College, Xi'an Polytechnic University, Xi an 710048, Shanvince. China(2. 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)