四氢呋喃现有四氢呋喃-乙醇-水的混合物溶剂需要分离回收

《分离工程Ⅱ》研究性课题

现有四氢呋喃现有四氢呋喃-乙醇-水的混合物溶剂需要分离回收，其含量为（质量分数）：四氢呋喃0.936，乙醇0.0635，水0.0005，流率为300kg/h。

要求把混合物分离为四氢呋喃与乙醇两股产品，其中：

（1）四氢呋喃中的乙醇含量低于0.0005，水低于0.0007；

（2）四氢呋喃与乙醇的质量回收率大于0.93。

公用工程自己合理选择。

1. 分离方法的选择

四氢呋喃和乙醇都是有用的有机化工原料，大量应用于工业生产中。

四氢呋喃是一类杂环有机化合物。它是强的极性醚类之一，在化学反应和萃取时用做一种中等极性的溶剂。无色易挥发液体，有类似乙醚的气味。溶于水、乙醇、乙醚等，常压下沸点为65℃。乙醇是一种常见有机物，能与水任意比混溶，常压下沸点为78.8℃。

在Aspen plus中使用tools-Conceptual Design-Azeotrope Search工具对四氢呋喃、水、乙醇形成的三元物系进行分析，得出该三元物系两两组合都可形成共沸物，如下图1-1所示。因为进料当中水的质量分数很小，只有0.0005，所以主要考虑四氢呋喃与乙醇形成的共沸物的分离。由分离工程的知识可知，对于共沸物体系，通常不能采用普通精馏分离，而需要采用特殊精馏进行有效分离。

通过查阅文献，我了解到目前对于四氢呋喃和乙醇的分离方法主要包括萃取精馏[1,2,3]和高低压双塔精馏[4,5,6]。萃取精馏通过向体系添加萃取剂而选择性分离出一种物质，但是缺点是需要分离出萃取剂，同时需要补充萃取剂而可能在产品里引入新的杂质。高低压双塔精馏和萃取精馏一样也需要两座塔，但是不需要引入另一种物质，而只需通过改变塔压来改变共沸物的组成实现有效分离，原理简单，操作易行，不会在产品中引入新的杂质。因而高低压双塔精馏比萃取精馏更具可行性。

在方法比较的基础上，我选择高低压双塔精馏来实现该体系的分离，并借助Aspen Plus流程模拟软件实现工艺计算。

图1-1 常压下四氢呋喃、乙醇、水三元物系形成的共沸物

2. 可行性说明

根据文献[6]中的分离过程，选择一座低压塔 (1 atm) 和一座高压塔 (8 atm)联合操作。由于乙醇和四氢呋喃液相极性差异大，又因涉及加压操作，可选择Radlishh-Kwong方程计算气相的非理想性，选择NRTL计算液相的非理想性，故选用NRTL-RK方程计算平衡性质。

从图2-1中可以看出，常压下四氢呋喃-乙醇的共沸组成为四氢呋喃为90%、乙醇为10%。随着压力的增加，当压力增加到8atm时四氢呋喃在液相中的含量减少，较大程度地改变了其常压下共沸点，形成新的共沸组成，共沸组成如图2-2所示。当压力为8 atm时，物系共沸组成为四氢呋喃35%和乙醇65%。

图2-1 常压条件下四氢呋喃-乙醇Txy相图

图2-2 1333KPa下四氢呋喃-乙醇Txy相图

从图中容易看出压力升高之后四氢呋喃乙醇共沸体系右移，因此我们可利用压力不同的两塔进行变压共沸精馏以所要求的分离目的。把题目给定的分离数据进料组成、两个共沸点数据标绘到图上，如图2-3所示。分离流程为在高压塔输入原料，高压塔顶共沸物D1作为低压塔的进料，低压塔顶共沸物再返回到高压塔，由此构成循环。在高压塔底得到四氢呋喃，在低压塔低得到乙醇，这样不用共沸剂，采用双塔精馏实现共沸物的分离。

图2-3 四氢呋喃乙醇在两个压力下温度组成图

D1-高压塔塔顶共沸物；D2-低压塔塔顶共沸物

3. 分离流程

3.1. 基本设置

两塔的理论板数和进料位置可由经验初步确定，然后根据分离要求，依据能耗最小的原则，采用软件的优化功能（灵敏度分析、设计规定等）确定理论塔板数和进料位置等参数。

步骤1：全局性参数设置。新建Aspen文件，在“setup”页进行模拟基本设置，模拟类型选择“flowsheet”，如下图3-1所示。

图3-1全局性参数设置

单击“Next”按钮，进入组分输入窗口，在“Component ID”中输入四氢呋喃、乙醇、水。

步骤2：选择物性方法。同时在“Properties|parameters”页面确认NRTL-RK方程的二元交互作用参数。

步骤3：绘制相图。单击“Tools|Analysis|Property|Binary”工具条，打开绘制相图窗口，在“Analysis type”栏目下选择“Txy”，表示绘制温度组成相图。在“Pressure”栏目下选择“List of values”，在空格处填写压力值，如图3-2所示。单击“Go”按钮，绘图结果如图2-3所示。

图3-2 设置绘制相图窗口 步骤4：绘制流程图。由以上分析，设计高低压双塔精馏分离四氢呋喃与乙醇共沸物的流程见图3-3。因为两塔压差较大，操作温度相差亦较大。低压塔顶共沸物进入高压塔之前需要升温，高压塔顶共沸物进入低压塔之前需要降温，因此在流程图上增加一台循环泵和两台换热器。原料从高压塔 (8 atm) 输入，塔顶得到共沸物D1，塔底得到四氢呋喃产品B1，D1经过冷凝后流入常压塔，塔顶得到共沸物D2，经过加热后循环回高压塔，塔底得到乙醇产品B2。

图3-3双塔双压共沸精馏分离四氢呋喃与乙醇的流程图

步骤5：设置流股信息。把题目给定的进料物流信息填入对应栏目中。进料压力应高于塔的操作压力，液相进料，如图3-4所示。

图3-4 进料物流信息 步骤6：设置模块信息。高压塔模块：在“Blocks|D1|Configuration”文件中，有3个页面需要填写。先设置理论板数40，回流比为3，蒸发比为4.5，原料进料位置为第13块塔板，D2塔顶共沸物在D1的进料位置为第8块板，塔顶压力为8atm。设置页面见图3-5。

（a） （b）

（c）

图3-5高压塔页面参数填写

低压塔模块：先设置理论板数20，回流比为3，蒸发比为5，D1进料位置为16块板，设置页面见图3-6。

（a） （b）

(c)

图3-6 低压塔页面参数填写

3.2. 设计规定

运算上述程序我发现没有达到分离要求，所以尝试使用设计规定优化高压塔的操作参数，在Design Specs页面中建立两个文件，规定的两个变量分别选择塔底产物中乙醇的质量纯度为0.0005和四氢呋喃在塔顶产物中的质量纯度为0.757，操作变量分别选择回流比和再沸比，计算结果如图3-7所示。计算结果：回流比为6.7651，再沸比为3.6979。此时的分离达到了要求。

图3-7 设计规定计算结果

3.3. 灵敏度分析

首先对高压塔的进料位置进行优化，优化的变量是塔顶冷凝负荷、塔底再沸负荷，塔底四氢呋喃产品中四氢呋喃流量和质量分数。优化结果如图3-8所示。在四个变量当中，首先要保证四氢呋喃的收率和纯度，可选进料板位置为11、12、13，根据负荷最低原则最佳的进料位置为第13块板。当然我们仍然需要找到塔板上的液相组成与进料最接近的那块板，所以作图3-9。从图3-9当中我们可以看到第13块板上的液相组成最接近进料组成：四氢呋喃0.939，乙醇0.0602。由此，我们知道第13块板为最佳进料位置。

同理，对于回流的最佳进料位置、低压塔的最佳进料位置采用同样的方法进行灵敏度分析优化，优化结果：回流的最佳进料位置为第8块板，低压塔的最佳进料位置为第16块板。

图3-8 高压塔进料位置优化结果

图3-9 高压塔进料位置优化结果

3.4. 参数剖面分析

经过全面优化之后，作高压塔的温度、气液流量随塔板变化图3-10。由图可知，温度随塔板自上而下均匀上升，说明每块塔板都起到了较好的分离效果，即每块塔板都得到了充分利用。高压塔的气相质量分率随塔板变化图如图3-11所示，液相质量分率随塔板变化图如图3-12所示。

图3-10 高压塔的温度、气液流量随塔板变化图

图3-11 高压塔的的气相质量分率随塔板变化图

图3-12 高压塔的的液相质量分率随塔板变化图

低压塔的温度、气液流量随塔板变化图3-13，气相质量分率随塔板变化图如图3-14所示，液相质量分率随塔板变化图如图3-15所示。

图3-13 低压塔的温度、气液流量随塔板变化图

图3-14 低压塔的的气相质量分率随塔板变化图

图3-15 低压塔的的液相质量分率随塔板变化图

3.5. 塔设备参数

以高压塔为例计算和校核塔设备参数。考虑到处理量比较小，估算的塔径太小，不能使用筛板塔，所以选择填料塔型式，并利用Pack Sizing估算塔径，设置如图3-16所示。填料塔设计，使用Sulzer公司的MELLAPAK-250X型波纹板规整填料，等板高度为0.3m。

图3-16 填料塔信息设置

由图3-17，可见需要的填料塔径是0.224m，最大负荷分率为0.747，最大负荷因子为0.059m/s，塔压降1.22kPa，填料塔孔隙率为0.987。

图3-17 填料塔设计计算结果

在“Block | B1 | Profiles | Hydraulics”页面，可以看到各块理论塔板上填料的水力学数据，如图3-18所示。

用初步计算的塔径0.23m进一步核算。在“Block | B1 | Pack Rating”文件夹中，建立一个填料核算文件，填料位置、选用的填料型号、选用塔径、等板高度等信息如图3-19所示。

图3-18 塔板上的水力学数据

图3-19 填料核算参数设置

由图3-20可见，选用塔径0.23m时，最大负荷分率为0.704，最大负荷因子为0.056m/s。因为最大负荷分率表示的是最大能力的接近值，而与最大能力的相对应的气体负荷略低于液泛点，因此塔径0.23m是合适的。

同理，对于低压塔同样选用填料塔，填料与高压塔一致，塔径的计算过程遵循高压塔的计算过程。计算结果为塔径选择0.17m时，最大负荷分率为0.673，最大负荷因子为0.0678m/s，。因此塔径0.17m是合适的。

图3-20 填料核算计算结果

总结以上，高低压双塔的设备参数如下表3-1所示。

表3-1 高低压双塔的设备参数

设备参数 高压塔 低压塔

理论板数 40 20

回流比 6.765 3

再沸比 3.70 5

操作压强 8 atm 1 atm

塔顶温度 142.91 ℃ 65.78 ℃

塔底温度 148.30 ℃ 69.30 ℃

塔径 0.23 m 0.17 m

最大负荷分率 0.704 0.673

最大负荷因子 0.056m/s 0.0678m/s

3.6. 产品物流组成

最终的两股产品物流B1（高压塔底产品）和B2（低压塔底产品）组成如图3-21所示。由图3-21，四氢呋喃产品中乙醇的含量没有超过0.0005，水的含量低于0.0007；通过计算可知，四氢呋喃和乙醇的收率均超过0.93，完全达到题设