理論與實踐：含醇酯廢水恒沸精餾分離工藝的模擬研究
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作者：張毅
乙酸乙酯和乙醇是均是重要的工業(yè)溶劑，廣泛應(yīng)用于食品、紡織、醫(yī)藥、染料等行業(yè)。在乙醇和乙酸制取乙酸乙酯的生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生含有少量乙酸乙酯和乙醇的有機廢水，不僅造成環(huán)境污染，而且會造成乙酸乙酯和乙醇的損失。由于乙酸乙酯與乙醇、水會形成二元和三元共沸物，給有機廢水的凈化回收造成了困難。常用的共沸物分離方法有萃取精餾、共沸精餾等方法，本文中在已有文獻的基礎(chǔ)上，提出一種新型的三塔一層析分離工藝，對其可行性和最佳工藝條件進行模擬研究，以期為工業(yè)生產(chǎn)提供一定指導(dǎo)。
1工藝概述
以某廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一股2 t/h低濃度有機廢水的處理為例，其組成（質(zhì)量分數(shù)）：醋酸乙酯5%，乙醇10%，水85%，欲得到質(zhì)量分數(shù)為95%的乙酸乙酯的產(chǎn)品，且水中乙醇和乙酸乙酯質(zhì)量分數(shù)均小于1 x10-4。用于含有少量乙醇和乙酸乙酯的有機廢水凈化回收的三塔一層析分離工藝流程如圖1所示。
有機廢水0101與層析器S0102的水相物流0113在混合器M0101混合，混合物流0114進入粗餾塔T0101，塔頂含有全部乙酸乙酯、少量的水和乙醇的物流0102進入冷卻器H0101，冷卻物流0103進入層析器S0101分層后，水相0104作為該塔液相回流，油相0109與層析器S0102的油相0112在混合器M0102中混合，混合物流01 15進入酯精制塔T0102進一步提純，該塔塔頂混合相回流，塔頂物流0110為水、乙醇、乙酸乙酯的三元共沸物，進入層析器S0102冷卻分層后，油相0112返回混合器M0102，水相返回混合器M0101，塔底得到質(zhì)量分數(shù)為95%乙酸乙酯產(chǎn)品0111；粗餾塔TOl01塔底得到的不含乙酸乙酯的物流0105進入脫醇塔T0103，該塔塔底采用低壓蒸汽0106進行直接加熱，塔頂?shù)玫襟w積分數(shù)為95%的工業(yè)乙醇產(chǎn)品0107，塔底得到凈化水0108。
2概念設(shè)計
對水一乙醇一乙酸乙酯強極性的非理想體系，采用UNIQUAC活度系數(shù)模型對其進行物性計算，得到純組分和共沸物的溫度及組成，并與文獻[8 -9]數(shù)據(jù)比較，如表1所示。
由表1可以看出，模擬預(yù)測的組分的沸點和質(zhì)量組成數(shù)據(jù)與文獻數(shù)據(jù)對比誤差均比較小，因此采用UNIQUAC物性模型對本工藝流程模擬是可行的。
由精餾原理可知，對存在共沸物的三元物系而言，在三元殘余曲線圖中存在精餾邊界將其分成不同的區(qū)域，精餾塔的進料組成、塔頂產(chǎn)品組成和塔底產(chǎn)品組成在同一個精餾區(qū)域且在一條直線上。若獲得其他精餾區(qū)域的產(chǎn)品，則需采用加入萃取劑、恒沸劑或?qū)游龅确椒ㄊ惯M料點跨過精餾邊界進入該區(qū)域。
使用Aspen Plus繪制的乙酸乙酯一水一乙醇體系的蒸餾殘余曲線( RCM)及三塔一層析工藝分離過程如圖2所示。
三元平衡相圖由精餾邊界線D、C、E劃分為I、Ⅱ、Ⅲ3個精餾區(qū)域，液液相平衡線F和坐標軸圍成的陰影區(qū)域為兩相區(qū)且跨越精餾邊界，區(qū)域之外為均相區(qū)。
粗餾塔分離過程為進料點Fl與層析器S0101的水相回流組成點Wl的混合組成點、塔底產(chǎn)品組成點Bl、塔頂產(chǎn)品組成點Sl的連線，該線位于精餾區(qū)域I；酯精制塔的分離過程為進料點F2、塔底產(chǎn)品組成點B2和塔頂產(chǎn)品組成點D2的連線，該線位于精餾區(qū)域Ⅲ；脫醇塔的分離過程為進料點Bl、塔底產(chǎn)品組成點B3和塔頂產(chǎn)品組成點D3的連線，該線位于精餾區(qū)域I；層析器S0101的分離過程為進料點Sl、油相組成點01和水相組成點Wl的液液連接線，層析器S0102的分離過程為進料點D2、油相組成點02和水相組成點W2的液液聯(lián)結(jié)線，該兩線跨越精餾邊界，使各自油相點01和02進入精餾區(qū)域Ⅲ，兩者的混合點F2作為酯精制塔的進料，在該區(qū)域可獲得組成為B2的乙酸乙酯產(chǎn)品。
通過以上分析，只要合理確定粗餾塔和酯精制塔的塔頂產(chǎn)品組成使其處于兩相區(qū)，分層后的油相進入精餾區(qū)域Ⅲ，即可在精餾區(qū)域I得到工業(yè)乙醇和純水，在精餾區(qū)域Ⅲ得到乙酸乙酯。因此，上述充分證實了三塔一層析分離工藝的可行性。
3流程模擬
3.1模擬過程
上述模擬流程當中各塔均采用RadFrac嚴格模塊，其關(guān)鍵參數(shù)如表2所示，層析器S0101和S0102采用Decanter模塊，層析溫度分別為35℃和30C，各模塊均忽略壓降。
由于該模擬物系為強非理想極性物系，模擬過程較難收斂，粗餾塔和酯精制塔的收斂方法均采用Strongly non -ideal Liquid，脫醇塔的收斂方法為Aze-otropic。
3.2工藝參數(shù)分析
為了確定最佳工藝流程參數(shù)，分析各塔幾個工藝參數(shù)對產(chǎn)品純度和再沸器熱負荷的影響，從而確定最佳的工藝參數(shù)。
3.2.1 粗餾塔進料位置的影響
在理論板數(shù)、塔底再沸器熱負荷和塔頂回流量一定，保證乙酸乙酯全部進入塔頂時，進料位置對塔頂乙酸乙酯組成和塔底乙醇含量的影響如圖3所示。
從圖3可以看出，當進料位置大于第4塊理論板時，塔頂乙酸乙酯組成和塔底乙醇組成變化不大，故選擇最佳進料位置為第4塊理論板。
3.2.2 酯精制塔理論塔板數(shù)的影響
在進料位置、回流比等條件不變的情況下，理論板數(shù)與塔底再沸器熱負荷、塔底乙酸乙酯組成的關(guān)系如圖4所示。
從圖4可以看出，隨著塔板數(shù)逐漸增多，塔底再沸器熱負荷逐漸降低，塔底乙酸乙酯的質(zhì)量分數(shù)逐漸增多，塔板數(shù)為33時，乙酸乙酯的質(zhì)量分數(shù)大于95 %，滿足分離要求。
3.2.3 酯精制塔塔頂采出比的影響
固定塔板數(shù)為33，進料位置為第6塊塔板時，塔頂采出比與塔底乙酸乙酯組成的關(guān)系如圖5所示。
從圖5可以看出，隨著塔頂采出比的增加，塔底乙酸乙酯組成逐漸增加，當塔頂采出比大于0. 82時，其值大于95%，滿足分離要求。
3.2.4脫醇塔進料位置的影響
在理論板數(shù)為22，回流比為5.9時，進料板位置與塔頂乙醇組成和塔底水質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系如圖6所示。
從圖6可以看出，隨著進料位置從塔頂移到塔底位置時，塔頂乙醇的質(zhì)量分數(shù)和塔底水的質(zhì)量分數(shù)逐漸增多，進料位置為第17塊塔板時，水中乙醇和乙酸乙酯的質(zhì)量分數(shù)均小于100×10-4，塔頂乙醇的體積分數(shù)達到0. 95，滿足分離要求。
3.2.5 脫醇塔汽提水蒸汽流量的影響
在塔板數(shù)為22塊板，回流比為5.9時，汽提水蒸汽用量和塔底水組成的關(guān)系如圖7所示。
從圖7可以看出，隨著汽提水蒸汽用量的增加，塔底水的質(zhì)量分數(shù)增加，汽提水蒸汽用量為30 kmol/h時，塔底水的質(zhì)量分數(shù)基本不變且滿足分離要求。
3.3模擬結(jié)果與討論
利用以上分析得出的工藝參數(shù)對工藝流程進行模擬，可得各物流結(jié)果（表3）以及各塔濃度分布（圖8—圖10）。由表3可知，酯精制塔T0102塔底物流0111中乙酸乙酯的質(zhì)量分數(shù)為95%，脫醇塔T0103塔頂物流0107中乙醇質(zhì)量分數(shù)為93. 8%，塔底物流0108中水的質(zhì)量分數(shù)為1，滿足了分離要求，實現(xiàn)了凈化有機廢水和回收乙酸乙酯、乙醇的目的。
從圖8可以看出，從塔頂?shù)降?塊板乙醇和乙酸乙酯的摩爾分數(shù)逐漸降低，水的摩爾分數(shù)逐漸增加，這是因為乙酸乙酯全部蒸出的同時夾帶了大量水和少量乙醇，需進入酯精制塔進一步提純，從進料板第6塊板到第15塊板乙酸乙酯的摩爾分數(shù)逐漸降低，水的摩爾分數(shù)逐漸增加，乙醇的摩爾分數(shù)先增加后降低，塔底得到幾乎不含乙酸乙酯的乙醇和水混合物，需進入脫醇塔進一步凈化。
從圖9可以看出，從塔頂?shù)降?0塊塔板，乙醇、乙酸乙酯、水的摩爾分數(shù)基本不變，從第30塊塔板到塔底乙醇和水的摩爾分數(shù)逐漸降低，乙酸乙酯的摩爾分數(shù)逐漸升高。
由圖10可知，從塔頂?shù)剿字幸宜嵋阴サ哪柗謹?shù)基本不變，接近為0，乙醇的摩爾分數(shù)逐漸降低，水的摩爾分數(shù)逐漸增大，塔頂?shù)玫襟w積分數(shù)為95%乙醇與水的共沸物即工業(yè)乙醇，塔底得到凈化水。
4結(jié)論
采用三塔流程可以實現(xiàn)有機廢水的凈化并回收其中的乙酸乙酯、乙醇等有用組分，并能達到規(guī)定的要求。利用Aspen Plus流程模擬軟件能夠有效模擬該非理想物系的分離，為工業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)研究。通過概念設(shè)計能夠為分離過程提供理論基礎(chǔ)。
5摘要：
為了對含有少量乙酸乙酯和乙醇的有機廢水進行有效凈化回收，提出非均相共沸精餾三塔一層析分離工藝，并基于Aspen Plus的概念設(shè)計對該方案進行了可行性驗證，通過考察粗餾塔、脫醇塔和酯精制塔的工藝參數(shù)對分離效果的影響，得到了最佳工藝操作條件。模擬結(jié)果表明，該工藝可達到分離要求，具有工藝簡單、能耗低、易操作的特點。
