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热泵自夹带共沸精馏分离乙醇-甲苯-水三元共沸混合物

来源：微智科技网

第29卷第6期2017年11月

常州大学学报(自然科学版)

()JournalofChanzhouUniversitNaturalScienceEditiongy

Vol.29No.6

Nov.2017

()文章编号:2095-0411201706-0026-06

热泵自夹带共沸精馏分离乙醇甲苯水三元--共沸混合物

()常州大学石油化工学院,江苏常州2131

摘要:基于乙醇甲苯水共沸物系中的甲苯可以作为夹带剂的特点,采用自夹带共沸精馏工艺分离乙醇甲苯----水共沸物系。为了降低自夹带共沸精馏工艺的能耗,提出了热泵自夹带共沸精馏工艺。选择NRTL物性方法,使用A对自夹带共沸精馏工艺和热泵自夹带共沸精馏工艺进行稳态严格模拟。为了得到senPlus软件,p最优条件,提出经济优化方案,并建立优化迭代流程。结果表明:乙醇、甲苯和水的质量分数分别达到相比于普通自夹带共沸精馏工艺,热泵自夹带共沸精馏工艺能耗降低6全99.9%,99.9%和99.5%;2.70%,年总费用降低8.09%。

关键词:乙醇;甲苯;水;三元共沸物;热泵共沸精馏;经济优化

:/中图分类号:TQ028 文献标志码:A doi10.3969.issn.2095-0411.2017.06.004 j

吕新宇,赵磊,汪文丞,单俊,邱滔

Heat-PumzeotroicDistillationforTernarzeotroepApyAp

Ethanol-Toluene-WaterSearationp

,,WANGW,,LYUXinuZHAOLeienchenSHANJunQIUTaoyg

(,,)SchoolofPetrochemicalEnineerinChanzhouUniversitChanzhou2131,Chinagggyg:AbstractBasedonthecharacteristicsoftolueneinethanoltoluenewaterazeotroesstemasanentrai-py

,rocess.Inordertosaveenerheat-umzeotroicdistillationisproosed.Theprocessandeco-pgyppappnomicotimizationforazeotroicdistillationandheat-umzeotroicdistillationareperformedbppppapyAsenPlussoftware.NRTLmodelischosenastheproertackaeinthesimulation.Accordinoppypggt

,nerethanoltoluenewaterazeotroesstemwassearatedbelfentrainmentazeotroicdistillationpypysp

,lationmethods.Theresultshowsthatthepuritfethanoltolueneandwaterproductcanreachyosave61.94%and9.20%intheeneronsumtionandtotalannualcostresectivelomaredwithgycppycp

,thetotalannualcostotimizationproramsareusedtogetotimalconfiurationsofthetwodistil-pgpg99.9%,99.9%and99.5%resectivel.Itconcludesthattheheat-umzeotroicdistillationcanpyppap

theazeotroicdistillation.p

收稿日期:2017-05-05。

,:人:邱滔(1967—)E-mailiutao@cczu.edu.cnq

,作者简介:吕新宇(男,江苏泰兴人,工程师,主要从事药物合成和分离工程与计算机模拟研究。通讯联系1977—)

·27·

economicotimizationp

:e;t;w;t;h;Keordsthanololueneaterernarzeotroeeat-umzeotroicdistillationyapppapyw

乙醇和甲苯是广泛使用在化工、染料、制药以及其他领域的重要有机溶剂。乙醇和甲苯被当作共用

。因为氢键的原因,溶剂和浸泡剂来精制阿维菌素[无水乙醇会很容易潮解并从空气中吸取水分。所2-6]

,个三元共沸物,常规精馏无法高效的分离这3个组分。共沸精馏在分离共沸混合物中应用广泛[本

以,工业生产中会生成乙醇甲苯水的三元混合物。但是,乙醇甲苯水体系形成3个两元共沸物和1----文根据乙醇、甲苯和水共沸的特点,采用以原料自身含有的甲苯为夹带剂的自夹带非均相共沸精馏流程

。因为不引入其他杂质,来分离乙醇甲苯水体系[所以自夹带共沸精馏在分离三元共沸体系上具有--

优势。热泵精馏将精馏塔的塔顶蒸汽加压使温度上升,然后作为塔底再沸器热源,从而达到节能的目

]8-14

。的。由于热泵精馏能显著的降低精馏过程的能耗,所以其研究应用受到了广泛关注[

元共沸混合物的研究有很多,但是使用特殊精馏分离三元共沸混合物的研究比较少。本文提出使用自夹带共沸精馏分离乙醇甲苯水三元共沸混合物;在此基础上,为了使共沸精馏的能耗有所下降,提出--了热泵自夹带共沸精馏;最后,使用AsenPlus对自夹带共沸精馏以及热泵自夹带共沸精馏工艺进行p模拟和经济优化,并得到流程操作参数,为其他三元共沸混合物的分离提供借鉴。

分离乙醇甲苯水三元共沸混合物具有明显的经济、社会和环境效益。目前使用特殊精馏分离二--

1 分离原理

1.1 分离物料及分离要求

规定乙醇质量分数≥9甲苯质量分数≥9水质量分数≥99.9%,9.9%,9.5%。

/进料量10其中乙醇、甲苯和水的质量分数分别是600kh,298.15K,1.25%,32.97%和5.51%。g

1.2 物性方法选择

],系,依据体系的这一特点以及类似体系的分离文献[本文选用N15RTL物性方法进行模拟。

物性方法的选择对精馏模拟结果的准确性有很大的影响。乙醇甲苯水混合物是含水非理想体--

甲苯水可行性分析1.3 自夹带共沸精馏分离乙醇--沸混合物和3个两元共沸混合物的共沸组成和共沸温度见表1。其中的1个三元共沸混合物的性质令人满意,因为它是非均相的,并且它的共沸温度(是体系中最小的。另外3个两元共沸物347K)所以可以使用共沸精馏来分离乙醇甲苯水三元--共沸混合物,并得到高纯度的乙醇、甲苯以及符合排放标准的水。

乙醇、甲苯和水的沸点分别是3甲苯水体系,51.45,383.75K和373.15K。对于乙醇--1个三元共

表1 乙醇甲苯水体系的共沸温度和共沸组成--类型

组分数

甲苯

3222

47.4980.0931.920

/%ω乙醇42.7595.6268.080

水9.774.380

温度/K

的共沸温度分别是357.68,351.30K和350.01K。

347.00非均相357.68非均相351.30350.01

均相均相

19.91

1.4 经济优化函数

[6]

(,在化工优化设计中常采用D提出的“全年总费用”作为参考依oulas1TotalAnnualCostCT,gA)

常州大学学报(自然科学版)

2017年

据。本文将CT,对3个塔的塔板数、进料位置和回流比进行优化,使CT,从而得A作为目标函数,A最小,到最优参数值。通常情况下,CT,A包括操作费用和设备费用两部分。热泵精馏体系中最主要的设备包、括塔器(高度和直径分别为L和D)换热器(冷凝器和再沸器,换热面积为A)以及热泵(压缩机,功率

。因为分相器、为P)回流罐、泵、管路、阀的费用比塔器、换热器和热泵便宜的多,所以其费用一般不考

虑。全年总费用经济核算依据见表2。表2 经济核算依据

2 自夹带共沸精馏流程模拟

2.1 工艺流程

参数数值

2)/(传热系数:K=0.852kWK·m.65设备成本(＄)=7296×A0

冷凝器

传热面积:A=

程主要由3个精馏塔和1个分相器组成,即乙醇回、。乙收塔(甲苯回收塔(和水回收塔(TTT1)2)3)醇甲苯水混合物物流F进入T--T1塔,1塔塔底采是接近乙醇甲苯水三元共沸温度和共沸组成的--非均相混合物。物流D其中含1在分相器中分相,甲苯多的有机相物流F含水多的水相2进入T2塔,物流F3进入T3塔。T2塔和T3塔的塔底采出的物塔的塔顶采出的物流DD2,3混合到一起并循环回到T1塔。

图1表示自夹带共沸精馏工艺流程。这个流

2)/(传热系数:K=0.568kWK·m

QK×Δt再沸器

.65设备成本(＄)=7296×A0

传热面积:A=

塔器热泵

出的物流B塔顶采出的物流D1是高纯度的乙醇,1

.066.802设备成本(＄)=170×D1×L0

QK×Δt)塔高=1.2×0.61×(NT-2

.82设备成本(＄)=5840.43×P0

低压蒸汽:＄7.78中压蒸汽:＄8.22高压蒸汽:＄9.88电费:＄16.8

每吉焦耳能耗

流D2和D3分别是高纯度的甲苯和水。T2塔和T3

CT,A

回收期

总设备成本

+能耗成本

回收期

2.2 经济优化方法

(、、原料进料位置(循环液进料位置(NTNFNFR)1)1)和回流比R1。在甲苯回收塔T优化变量包括2塔中,、塔板数(原料进料位置(和回流比R2。在NTNF2)2)、水回收塔T优化变量包括塔板数(原料NT3塔中,3)进料位置(和回流比R3。由于需要优化的变量NF3)多,所以需要设计合适的迭代过程。图2表示整个迭代过程。

在乙醇回收塔T优化变量包括塔板数1塔中,

2.3 模拟结果

自夹带共沸精馏流程进行模拟,以CT,A最低为目的,

使用AsenPlus中的RadFrac严格精馏模块对p

图1 自夹带共沸精馏工艺流程

对塔板数、进料位置和回流比进行优化。优化后,并且乙醇的质量分数达到9甲苯的CT,9.9%,A最低,表4显示优化后的自夹带共沸精馏流程物流参数。

质量分数达到9水的质量分数达到99.9%,9.5%。表3显示优化后的自夹带共沸精馏流程操作参数。

第6期吕新宇,等:热泵自夹带共沸精馏分离乙醇甲苯水三元共沸混合物--

·29·

图2 优化迭代流程

3 热泵自夹带共沸精馏

3.1 热泵自夹带共沸精馏流程

为了利用精馏塔塔顶蒸汽的冷凝潜热以达到降低能耗的目的,本文在自夹带共沸精馏工艺的T1塔和T3塔上各增加一个热泵。由于T2塔再沸器所需的热负荷很少,所以T甲-2塔不添加热泵。乙醇苯水混合物物流F进入T-T1塔,1塔塔底采出的物甲苯水三元共沸温度和共沸组成的气相物流S-1进入热泵C1增压。增压后的气相物流S2作为T1塔的再沸热源为T经过再沸器H1冷凝1塔提供热量,成液相物流S辅助冷3。物流S3经过减压阀减压、一部分作为采出物流DT1塔,1进入分相器。凝器冷凝成物流SS4。4一部分作为回流液S5回到

图3表示的是热泵自夹带共沸精馏工艺流程。

表3 自夹带共沸精馏流程工艺操作参数

59T1

T2101.325

1246.34349.38384.6729.29-5

理论板数操作压力/kPa

回流比原料进料位置循环液进料位置再沸器热负荷/kW冷凝器热负荷/kW塔顶温度/K塔底温度/K

22T3

101.3251.849

101.3251.815-

流BT-1是高纯度的乙醇,1塔塔顶得到的接近乙醇

699.80657.10347.08360.154.902.444.08

466.33434.56348.25376.32

5·-1)(操作费用/＄10a5·-1)/(CT,＄10aA

5)(设备费用/＄10

常州大学学报(自然科学版)

表4 自夹带共沸精馏流程工艺物流参数

2017年

(·h-1)10流量/00.0kg/%乙醇)w(/%甲苯)w(/%水)w(温度/K

298.261.533.05.51

615.2360.32.8×10-35.7×10-2

99.9

1139.0347.244.846.58.7

412.6313.291.60.28.2

329.7386.4-1-

359.440.858.30.9

82.9

726.6313.265.620.913.5

376.70.5-

55.1671.5348.570.922.66.5

754.4349.067.626.55.9

99.5

含水多的水相FF2进入T2塔,3进入T3塔。T3塔塔顶得到的气相物流S6进入热泵C3增压。加压升温后的气相物流S物7为T3塔的塔底提供热量,流S7通过再沸器H3冷凝成液相物流S8。物流S8物流S一部分9一部分作为回流液S10回到T3塔,作为采出物流D3和T2塔塔顶采出物流D2混合到一起并循环回到T1塔。T2塔和T3塔的塔底采出的物流D2和D3分别是高纯度的甲苯和水。

精馏塔塔顶蒸汽压缩比决定热泵的能耗和被

其中含甲苯多的有机相 D1在分相器中分相,

经过减压阀减压辅助冷凝器冷凝后生成物流S9。

压缩蒸汽所能达到的温度,所以热泵的压缩比是热泵精馏设计的重要参数。本研究将压缩蒸汽冷

凝后的温度高于塔底温度5将CK左右为标准,1压缩比设置为2,C.2。3的压缩比设置为3

表5 热泵自夹带共沸精馏流程工艺操作参数

59T1

T251246.34349.38384.67----29.29-理论板数操作压力/kPa

回流比原料进料位置循环液进料位置再沸器热负荷/kW冷凝器热负荷/kW塔顶温度/K塔底温度/K

22T3

图3 热泵自夹带共沸精馏工艺流程

3.2 经济优化方案

热泵自夹带共沸精馏的经济最优操作参数是使用上一章普通自夹带共沸精馏的最优操作参数并在此基础上添加2个热泵。

101.325101.325101.3251.849

1.815---

3.3 模拟结果

块对热泵自夹带共沸精馏流程进行模拟,模拟结果显示乙醇的质量分数达到9甲苯的质量9.9%,5显示优化后的热泵自夹带共沸精馏工艺操作参数。表6显示优化后的热泵自夹带共沸精馏工艺部分物流参数。

对比表3和表5,可以看出:热泵自夹带共沸分数达到9水的质量分数达到99.9%,9.5%。表

使用AsenPlus中的RadFrac严格精馏模p

347.08360.15202.6550.0742.0053.118.530.913.75

348.25376.32324.1656.1533.6352.30

压缩机出口压力/kPa辅助再沸器热负荷/kW辅助冷凝器热负荷/kW

5·-1)(操作费用/＄10a5·-1)/(CT,＄10aA5)(设备费用/＄10

压缩机功率/kW

表6 热泵自夹带共沸精馏流程工艺物流参数

压力/kPa101.325202.65202.65101.325324.24324.24温度/K

347.2

383.5

365.5

349.8

414.3

381.8S8

精馏工艺中,分别将T1塔和T3塔的塔顶蒸汽加压升温,然后分别作为T1塔和T3塔的塔底再沸

第6期吕新宇,等:热泵自夹带共沸精馏分离乙醇甲苯水三元共沸混合物--

·31·

塔塔底再沸器热负荷从6塔顶的冷凝负荷从699.80kW降低到42.00kW,57.10kW降到53.11kW。T3塔塔底再沸器热负荷从4塔顶的冷凝负荷从466.33kW降低到33.63kW,34.56kW降到52.30kW。

将热泵自夹带共沸精馏与自夹带共沸精馏的

表7 自夹带共沸精馏与热泵自夹带共沸精馏结果比较

热负荷进行对比,表7显示,热泵自夹带共沸精馏比自夹带共沸精馏再沸器节能10冷凝90.50kW;TAC降低8.09%。

自夹带

热泵自夹带共沸精馏121.97134.70106.228.530.913.75

器可节能9操作费用降低686.25kW;2.70%,

共沸精馏

再沸器热负荷冷凝器热负荷

5)(设备费用/＄10

1212.471120.954.902.4462.708.094.08-

4 结论

压缩机功率/kW

自夹带共沸精馏能够很好的分离乙醇甲苯水三--元共沸混合物,并且乙醇的纯度达到9甲苯9.9%,的纯度达到9水的纯度达到99.9%,9.5%。

)不引入第4组分的自夹带共沸精馏和热泵1

5·-1)(操作费用/＄10a5·-1)/(CT,＄10aA

节省操作费用/%节省年总费用/%

操作费用降低6986.25kW;2.70%,CT,.09%。A降低8

)热泵自夹带共沸精馏相比于自夹带共沸精馏,再沸器节能10冷凝器可节能290.5kW;)利用体系含有的甲苯作为夹带剂的自夹带热泵共沸精馏分离乙醇甲苯水三元共沸混合物的工3--

艺,可以为特殊精馏分离其他三元共沸混合物提供参考。

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