LTTMS 混合物在乙醇-水体系分离中的应用

2020-07-17

乙醇是一种应用广泛的有机溶剂和化工原料,比如在汽车防冻剂、航天燃料、制药等方面。近年来随着工艺的发展,乙醇在使用过程中对浓度的要求越来越高。但是常压下乙醇和水容易形成共沸物,共沸点78.15 ℃,采用普通精馏难以分离。目前针对乙醇和水的分离常采用的方式有普通萃取精馏、加盐萃取精馏、共沸萃取、膜分离等。其中萃取精馏因其操作简单、能耗低得到了广泛应用。

低共熔溶剂(LTTMs)最早是2003 年由英国人Andrew首次报道,后来得到较为广泛发展。其应用主要集中在低共熔溶剂制备、气液相平衡数据的测定、生物分离中应用等,在化工萃取精馏中应用研究较为少见。本文以两种典型的低共熔溶剂氯化胆碱/乙二醇(命名为DES1)和氯化胆碱/乙醇酸(命名为DES2)以及乙二醇(EG)为萃取剂进行乙醇和水体系萃取精馏和隔壁塔萃取精馏,探讨LTTMs 在化工萃取精馏中的应用价值,为其工业应用提供思路。

1 物系探讨

1.1 物系组成与物性方法

由于乙醇与水为高度非理想体系,乙醇-水分离选择NRTL-RK 模型进行模拟,NRTL-RK 主要是用来进行非理想性比较强的体系的热力学性能的计算,在乙醇-水模拟系统中采用NRTL-RK 物性方法可以得到合适的结果。

使用乙二醇、氯化胆碱+乙二醇(摩尔比1∶2,DES1)、氯化胆碱+乙醇酸(摩尔比1∶3,DES2)分别作为萃取剂萃,分离乙醇-水共沸体系。对于乙醇、水、低共熔溶剂体系的模拟,基于NRTL 活度系数模型,采用Aspen plus 得到二元交互参数见表1 和表2。其中低共熔溶剂的临界物性参数来源于文献。

1.2 普通萃取精馏流程设计

1.2.1 萃取精馏工艺

原料由塔中下部塔板进料,萃取剂乙二醇由中上部塔板进入T0101 萃取精馏塔,通过萃取精馏于塔顶采出质量分数大于99.9%(wt)的乙醇,塔釜采出乙二醇及水进入T0102 溶剂回收塔。在溶剂回收塔塔顶采出质量分数大于99.9%的水,塔釜采出乙二醇的纯度为99.9%,乙二醇经过冷却后可以直接返回T0101 萃取精馏塔循环使用(图1)。

 

同理设计乙醇水-DES2 萃取精馏工艺流程(图2)。

1.2.2 流程优化

以乙二醇萃取剂为例进行参数优化分析:

(1)T0101 理论板数对乙醇纯度/采出量的影响,见图3 所示。

(2)结果显示,当塔板数达到第17 块时,乙醇的纯度及采出率达到工艺要求,确定塔板数为第17 块。

(3)T0101 原料进料板对乙醇纯度/采出量的影响,见图4 所示。

结果显示,进料板为第12 块时水的纯度最高,采出量达最高。

同理得到萃取剂乙二醇的进料位置为第5 块板。(4)萃取剂乙二醇流量对乙醇纯度/采出量的影响,见图5。

结果显示在乙二醇流量为1 600 kg/h 时,乙醇的纯度大于99.99%(wt),采出量为699.8 kg/h,确定乙二醇流量为1 600 kg/h。

1.2.3 不同萃取剂时,常规萃取精馏工艺参数一览(表3)

1.3 隔壁塔萃取精馏工艺

1.3.1 流程建立

根据常规萃取精馏工艺,建立隔壁塔萃取精馏。本文不考虑氯化胆碱+乙醇酸这种萃取剂的隔壁塔精馏工艺(能耗高,对隔壁塔要求特别高)。乙二醇及DES1 的流程图如图6。

1.3.2 流程优化

本文以氯化胆碱+乙二醇为例进行参数优化分析T0701A 侧线采出位置优化,见图7。

通过优化结果分析,当侧线采出位置为12 块板时,T0701A 与T0701B 采出的乙醇及水的纯度均大于99.9%(wt),并且在12 块板时全塔的总负荷最低。

(2)T0701A 侧线采出量优化,见图8 所示。

分析结果可以看出当侧线采出流量380 kg/h 时,乙醇及水的纯度明显增高,且符合工艺要求,继续增大侧线采出量全塔负荷显著增加,确定侧线采出流量为380 kg/h。

1.3.3 隔壁塔萃取精馏工艺参数一览(表4)

1.4 萃取精馏工艺经济分析

为了确定分离乙醇-水共沸物的最优工艺,分析各工艺的经济效益,本文以年度总费用(TotalAnnual Cost, TAC )为最小为目标,引入了Turtonde[19,20]的费用模型计算方法。回收期假定为3年,操作费用主要为蒸汽费用,电力成本低忽略。依据以上费用模型对比乙二醇、DES1、DES2常规萃取精馏及隔壁塔萃取精馏工艺的年度总费用高低。此表格中以DES1 代表萃取精馏工艺,以DES1DWC 代表隔壁塔萃取精馏工艺,其他物质同理,结果见表5。

分析表可知,与乙二醇萃取精馏流程相比,使用低共熔溶剂DES1 并不能有效降低能耗和费用,低共熔溶剂DES2 总操作费用降低28.8%,年度总费用(TAC)降低了9.73%;采用隔壁塔萃取精馏与各自普通萃取精馏工艺相比,乙二醇为萃取剂时操作费用不能降低,TAC 降低3.0%;低共熔溶剂DES1,操作费用降低5.76%,TAC 降低10.7%。采用隔壁塔后在一定程度上能节能,采用DES1 为萃取剂的萃取隔壁塔精馏优势最为明显。

2 结论

(1)乙二醇作为萃取剂,能够实现乙醇和水共沸体系的分离。以氯化胆碱/乙二醇(1∶2)作为萃取剂模拟乙醇和水的分离过程。结果表明:萃取剂用量明显减少,节能减耗效果不明显。以氯化胆碱/乙醇酸(1∶3)低共熔溶剂模拟乙腈和水的分离过程,结果表明:萃取剂用量减少明显,节能优势明显。

(2)采用隔壁塔萃取精馏工艺对乙醇/水体系进行了模拟。同普通萃取精馏相比,采用乙二醇萃取隔壁塔精馏能在一定程度上节能减耗,采用氯化胆碱/乙二醇萃取隔壁塔精馏节能优势明显。

(3)比较几种工艺,可以看出氯化胆碱/乙二醇(摩尔比1∶2)低共熔溶剂作为萃取剂的隔壁塔萃取精馏是最优工艺,可以为低共熔溶剂的工业使用提供一定的理论支持。

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