連續(xù)側(cè)線精餾分離甲醇一二甲基苯胺一三甲基苯胺-水的方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究
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曹曉艷，顧正桂*，馮微，蔡其行
（南京師范大學(xué)江蘇省萃取分離工程技術(shù)研究中心，江蘇南京210097）
摘要：建立精制N，N-_甲基苯胺和提取甲醇的方法，采用Aspen Plus模擬軟件對連續(xù)側(cè)線精餾精制N，N-二甲基苯胺和提取甲醇的工藝進(jìn)行模擬計(jì)算，考察塔板數(shù)、原料進(jìn)料位置、側(cè)線出料位置、回流比及出料比等因素對分離效果的影響，并優(yōu)化分離過程條件，確定最佳操作參數(shù)。在優(yōu)化條件下，側(cè)線出料中二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到98. 70%，收率達(dá)到96. 56%；側(cè)線精餾塔頂出料混合液經(jīng)精餾提取甲醇，甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99. 80%、收率達(dá)到91.08%。
關(guān)鍵詞：連續(xù)側(cè)線精餾；Aspen Plus；精制和提�。�，N，，N-二甲基苯胺；甲醇
中圖分類號：TQ641.3 文章編號：0253 -4320(2016)04 -0167 -03
DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 04. 041
N，N-二甲基苯胺是重要的化工原料和醫(yī)藥中間體，在醫(yī)藥工業(yè)中用于制造頭孢菌素V、磺胺-b -甲氧嘧啶、磺胺鄰二甲氧嘧啶及氟孢嘧啶等，在香料工業(yè)中用于制造香蘭素等。N，N-二甲基苯胺采用苯胺和甲醇（苯胺）/n,（甲醇）=1/3]進(jìn)行合成，合成的條件為：通過往復(fù)式無脈沖計(jì)量泵按空速0.5 h-1、反應(yīng)溫度240~ 2500C注入反應(yīng)器中，生成的產(chǎn)物含有大量的甲醇和水及少量的三甲基苯胺。本文中提出連續(xù)側(cè)線精餾和精餾結(jié)合的方法精制二甲基苯胺和提取甲醇，采用AspenPlus模擬軟件對精制和提取過程進(jìn)行模擬計(jì)算，考察不同操作參數(shù)對分離效果的影響，為進(jìn)一步連續(xù)分離研究提供依據(jù)。
1 連續(xù)側(cè)線精餾和連續(xù)精餾過程設(shè)計(jì)
以NRTL方程為模型，采用Aspen Plus模擬軟件對甲醇水溶液、N，N-二甲基苯胺及三甲基苯胺的混合物進(jìn)行靜態(tài)模擬。連續(xù)側(cè)線精餾和精餾結(jié)合工藝如圖1所示。
2連續(xù)側(cè)線精餾過程影響因素的模擬研究
采用Aspen Plus流程模擬軟件，選擇其中的RadFrac嚴(yán)格精餾模塊對連續(xù)側(cè)線精餾塔精制N，N-二甲基苯胺和提取甲醇過程進(jìn)行模擬計(jì)算。以T101為例進(jìn)行模擬計(jì)算，分別考察塔板數(shù)、原料進(jìn)料位置、側(cè)線出料位置、回流比、側(cè)線出料比對分離效果的影響，優(yōu)化出最適宜的精餾塔操作參數(shù)。
2.1 塔板數(shù)變化對分離效果的影響
在原料進(jìn)料位置為第4塊塔板，側(cè)線出料位置為第10塊塔板，回流比為4.5，側(cè)線出料比為0. 19的條件下，塔板數(shù)變化對分離效果的影響見圖2。
由圖2可以看出，隨著理論板數(shù)的增加，側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和收率均增加。當(dāng)理論板數(shù)超過20塊后，隨著理論板數(shù)的繼續(xù)增加，側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和收率幾乎保持不變。考慮到分離要求以及隨著理論板數(shù)增加對塔的投資費(fèi)用和操作費(fèi)用的影響，故選擇適宜的理論板數(shù)為20塊。
2.2進(jìn)料位置對分離效果的影響
在理論板數(shù)為20塊塔板，側(cè)線出料位置為第10塊塔板，回流比為4.5，側(cè)線出料比為0. 19的條件下，進(jìn)料位置變化對分離效果的影響見圖3。
由圖3可以看出，隨著進(jìn)料位置的下移，側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和收率逐漸增高。當(dāng)進(jìn)料位置位于4~8塊塔板時(shí)，側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和收率達(dá)到最高。隨著進(jìn)料位置的繼續(xù)下移，側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和收率均下降，故選擇適宜的進(jìn)料位置在第4塊塔板。
2.3側(cè)線出料位置變化對分離效果的影響
在理論板數(shù)為20塊塔板，進(jìn)料位置為第4塊塔板，回流比為4.5，側(cè)線出料比為0. 19的條件下，塔側(cè)線出料位置變化對分離效果的影響見圖4。
由圖4可以看出，隨著側(cè)線出料位置逐漸遠(yuǎn)離進(jìn)料口，側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和收率逐漸增加，當(dāng)側(cè)線出料口位于6～10塊塔板時(shí)，側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和收率增加到最高。隨著側(cè)線出料位置繼續(xù)下移，側(cè)線出料處中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和收率逐漸降低，故選擇適宜的側(cè)線出料位置為第10塊塔板。
2.4 回流比變化對分離效果的影響
在理論板數(shù)為20塊塔板，進(jìn)料位置為第4塊塔板，側(cè)線出料位置為第10塊塔板，側(cè)線出料比為0.19的條件下，回流比變化對分離效果的影響見圖5。
由圖5可以看出，當(dāng)回流比從1增大到4.5時(shí)，側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和收率均增加。隨著回流比的繼續(xù)增大，側(cè)線出料中Ⅳ，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和收率幾乎保持不變�？紤]到隨著回流比增大，塔頂冷凝器和塔釜再沸器的冷熱負(fù)荷隨之增大，所以選擇適宜的回流比為4.5。
2.5側(cè)線出料比對分離效果的影響
在理論板數(shù)為20塊塔板，進(jìn)料位置為第4塊塔板，側(cè)線出料位置為第10塊塔板，回流比為4.5的條件下，側(cè)線出料比變化對分離效果的影響見圖6。
由圖6可以看出，隨著側(cè)線出料比的增大，側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先幾乎保持不變，然后逐步降低；而隨著側(cè)線出料比的增大，側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的收率先增大，然后隨著側(cè)線出料比的繼續(xù)增大，側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的收率幾乎保持不變。當(dāng)側(cè)線出料比達(dá)到0. 19時(shí)，側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和收率都達(dá)到最大，故選擇適宜的側(cè)線出料比為0. 19。
3工藝條件優(yōu)化設(shè)計(jì)
對側(cè)線精餾塔的工藝條件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，選擇5因素4水平實(shí)驗(yàn)，按L16(45)正交實(shí)驗(yàn)表模擬實(shí)驗(yàn)，可得到如表1所示的條件和結(jié)果。
表1中A、B、C、D、E分別代表理論塔板數(shù)、原料進(jìn)料位置、側(cè)線出料位置、回流比、側(cè)線出料比，ω代表側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對各因素進(jìn)行優(yōu)化分析，以側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為依據(jù)，分析結(jié)果如表2所示。
就側(cè)線出料中N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)而言，極差比較結(jié)果為E>A>D>B=C，所以側(cè)線出料與進(jìn)料比影響最大，理論塔板數(shù)次之。通過對實(shí)
平均值的比較，可得此精餾額最佳組合為A2B2C2D2E3。
以相同的方法對塔T201進(jìn)行Aspen Plus模擬計(jì)算和正交實(shí)驗(yàn)，確定提取甲醇最優(yōu)操作條件，如表3所示。
4結(jié)論
采用Aspen Plus模擬軟件對甲醇、N，N-二甲基苯胺、三甲基苯胺及水的混合物進(jìn)行連續(xù)側(cè)線精餾和精餾模擬，基于NRTL模型模擬得出采用連續(xù)側(cè)線精餾和精餾結(jié)合的方法分離此混合物是可行的，且分離效果較為理想。
利用模擬軟件中的靈敏度分析及正交實(shí)驗(yàn)的方法對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，連續(xù)側(cè)線精餾塔中側(cè)線出料中的N，N-二甲基苯胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)98.70%，收率可達(dá)96.56%，連續(xù)精餾塔塔頂出料中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)99.80%，收率可達(dá)91.08%。
