王國君

繼續(xù)教育

丙酮和乙醇分離的模擬及設計

王國君

（浙江誠信醫(yī)化設備有限公司，浙江臺州318012）

借助Aspen Plus，對丙酮和乙醇體系精餾過程進行了模擬計算，采用簡捷法、嚴格精餾計算法分別對初始組分為含丙酮60%和乙醇40%的混合液（F=1000kg·h-1,P=0.12MPa,T=30℃）進行模擬，再采用塔設計規(guī)定，設定塔頂丙酮含量99.17%，塔底乙醇含量99%，計算出實際回流比為R=2.71,塔底餾出物/進料摩爾比為0.454。再采用靈敏度分析模擬得出結果為實際理論塔板數(shù)30塊、進料板位置23塊時塔熱負荷最低，其再沸器熱負荷為336.713kW。塔內(nèi)填充CY700型不銹鋼絲網(wǎng)波紋填料，塔徑為0.65m。

ASPEN PLUS；丙酮；乙醇；靈敏度；回流比

精餾是化工行業(yè)中應用很廣的一種單元操作，在精餾塔的實際運行過程中，由于操作條件的波動，其分離效果和生產(chǎn)能力經(jīng)常發(fā)生變化，因此，精餾塔操作性能的分析一直是技術人員研究的重點和難點，由于影響精餾分離的因素很多且呈非線性關系，使此類問題頗為復雜和靈活，成為化工精餾研究中的難點[1]。

從二十世紀50年代開始，人們就開始利用計算機解決化工過程的數(shù)學問題，目前，化工過程模擬已成為化學工程技術人員普遍采用的技術手段。隨著計算機計算能力的快速提高以及軟件技術的迅速發(fā)展，模擬計算的準確性和可靠性大大增強，應用范圍不斷拓寬，在化工過程開發(fā)、設計、生產(chǎn)操作的控制與優(yōu)化、操作培訓和技術改造等方面均有應用。Aspen Plus是基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟評價的大型化工流程模擬軟件。是唯一能處理帶固體、電解質(zhì)、生物質(zhì)和常規(guī)物料等復雜體系的流程模擬系統(tǒng)。

本項目的原料為藥廠生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢溶劑，主要含有丙酮、乙醇，此類廢溶劑必須回收，否則會污染環(huán)境。若得到回收并將其進行有效分離，則可獲得數(shù)量可觀的乙醇、丙酮等有機化工原料，同時也減少了由于排放對環(huán)境造成的污染。另外，乙醇和丙酮作為一種資源應用也非常廣泛[2]。通過分離可以回收高純度丙酮、乙醇，繼續(xù)用于醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)中。市場分析及效益預測，本技術適合制藥企業(yè)，不僅大大降低藥品的生產(chǎn)成本，而且可以避免廢溶劑的環(huán)境污染問題，具有可觀的經(jīng)濟效益。

1 化工物性數(shù)據(jù)的查詢

精餾塔設計前提需有二元系統(tǒng)汽液平衡數(shù)據(jù)，在化學工程手冊上[3]及其他相關文獻上無報道丙酮和乙醇組分的恒壓下二元系統(tǒng)汽液平衡數(shù)據(jù)。

圖書館內(nèi)關于化工物性數(shù)據(jù)的專著、手冊、圖冊、教材琳瑯滿目，對于新加入化工領域的技術人員來說，查找物性數(shù)據(jù)往往耗時很多，而使用大型化工流程模擬軟件查找、計算、估算化工物性數(shù)據(jù)，Aspen Plus則提供了一條查找物性數(shù)據(jù)的快捷通道，即使是經(jīng)驗豐富的化工工程師，掌握軟件的物性數(shù)據(jù)查找、估算、計算功能，也會對設計工作提供一個事半功倍的利器，大大提高工作效率，成為設計工作者愛不釋手的有利工具[4]。乙醇和丙酮恒壓下二元系統(tǒng)汽液平衡數(shù)據(jù)可由此軟件數(shù)據(jù)庫調(diào)出。

2 精餾操作型問題具體分析

一套分離丙酮和乙醇混合液的連續(xù)精餾裝置，借助Aspen Plus軟件模擬，對丙酮和乙醇進行模擬計算。設計任務為含丙酮60%和乙醇40%的混合液（F=1000kg·h-1,P=0.12MPa,T=30℃）用精餾塔分離，塔頂丙酮含量指標99.17%，塔底乙醇含量指標99.0%（均為重量百分數(shù)）。

2.1 簡捷算法（DSTWU）模擬

丙酮（ACETONE），沸點為56.12℃[5]。和乙醇（ETHANOL），選擇“NTRL”物性方法，實際回流比/最小回流比選取1.5。根據(jù)產(chǎn)品純度要求，計算可得輕關鍵組分在餾出物中的回收率為99.33%，重關鍵組分在餾出物中的回收率為1.26%。

塔頂產(chǎn)品流量：

塔底殘液流量：

故輕關鍵組分在餾出物中的回收率為：

重關鍵組分在餾出物中的回收率為：

冷凝器壓力為0.1MPa，再沸器壓力為0.103MPa。模擬結果見表1、2。

表1 模擬運算結果（DSTWU）Tab.1Results of simulate calculation（DSTWU）

表2 模擬運算結果（DSTWU）Tab.2Results of simulate calculation（DSTWU）

2.2 嚴格精餾算法（Radfrac）

進料參數(shù)同簡捷算法流股，選用塔板數(shù)30塊，塔頂采用全凝器，塔底采用釜式再沸器，汽-液有效相態(tài)，標準收斂方法，回流比2.183，塔底餾出物/進料摩爾比0.455，加料板位置在21塊，塔頂冷凝器壓力0.1MPa，全塔壓降0.003MPa，并設計規(guī)定塔頂丙酮含量99.17%，塔底乙醇含量99.0%，回流比變量區(qū)間設定為1～10，塔底餾出物/進料摩爾比變量區(qū)間設定為0.3～0.8。模擬結果得回流比R=2.71,塔底餾出物/進料摩爾比0.454。實際塔板數(shù)30塊能分離丙酮和乙醇，達到期望目標值。模擬結果見表3。

表3 模擬運算結果（Radfrac）Tab.3Results of simulate calculation（Radfrac）

2.3 靈敏度分析

分析進料位置和塔板數(shù)變化對再沸器熱負荷的影響，選用模塊分析工具（Model Analysis Tools）中的靈敏度分析。定義操縱變量分別為塔板數(shù)和進料位置。塔板數(shù)（NSTAGE）從25增到30，增量為1。進料位置從20增到23，增量為1。對靈敏度分析結果作圖，縱坐標選擇再沸器熱負荷，自變量是進料位置，參變量是理論板數(shù)，做再沸器熱負荷曲線，如圖1。

圖1 不同理論板數(shù)時再沸器熱負荷隨進料位置的變化Fig.1Change of heat load of the re boiling heat load with the feeding position of different theoretical plates

從圖1可以看出，理論板數(shù)增加，曲線的最小值減少，即最佳進料位置時的熱負荷減少，操作費用減少，但是塔的制造費用增加。進料板在23塊時，再沸器熱負荷最低，其值336.713kW。

2.4 塔徑計算

采用填料精餾塔，內(nèi)部填充高效的不銹鋼絲網(wǎng)波紋填料CY700，它具有比表面積大，液體均布能力強，塔體阻力小，傳質(zhì)、傳熱效率高，操作彈性大，安裝檢修方便等優(yōu)點，此填料的主要技術指標為：比表面積≥700m2·m-3，水力直徑5mm，傾角45°，空隙率85%，密度350kg·m-3，每塊理論板壓降67Pa,每米填料理論板數(shù)為8～10塊。與同樣生產(chǎn)能力的板式塔相比，節(jié)能降耗。因此，實際生產(chǎn)中，產(chǎn)品質(zhì)量好，消耗低，易操作，工藝指標調(diào)整快[6-8]。

在Pack Sizing設計模擬計算塔內(nèi)徑為0. 696m，最大負荷分率0625，再經(jīng)Pack Rating校核模擬計算塔內(nèi)徑0.65m，最大負荷分率0.719,塔壓降0.0013MPa。

3 結語

Aspen Plus化工模擬系統(tǒng)中的Radfrac精餾模型，能方便快捷地應用于精餾塔的設計和操作分析，而且可以節(jié)省大量的人力和物力資源，大大提高工作效率，優(yōu)化生產(chǎn)操作工藝條件。

［1］張治山，高軍，李敏，等.Aspen Plus在精餾操作分析中的應用［J］.中國教育技術裝備，2010，（15）:95-96.

［2］姜斌，吳菲，隋紅，等.甲醇-丙酮共沸物分離的研究進展［J］.化工進展，2010，29（3）:397-400.

［3］時鈞，汪家鼎，余國琮，等.化學工程手冊（第二版上卷）［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1996.6-13.

［4］包宗宏，武文良.化工計算與軟件應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2013.1-5.

［5］孔鵬，高瑞.變壓精餾分離甲醇-丙酮的工藝模擬及工藝［J］.化工進展，2013，32（11）:2583-2587.

［6］周國慶，辛田.化工工藝設計手冊（第四版上冊）［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009.479-480.

［7］顧朝暉，張曉素.絲網(wǎng)波紋填料在精甲醇裝置中的應用［J］.河南化工，2007，（24）:44-53.

［8］全國化工化學工程設計技術中心站.HG/T21559.3-2005不銹鋼絲網(wǎng)波紋填料［S］.北京:中國計劃出版社，2006.

Simulation and design of acetone and ethanol separation

WANG Guo-jun
（Zhejiang Chengxin Pharm&Chem Euipment Co.,Ltd.,Taizhou 318012，China）

By using Aspen Plus，simulation of acetone and ethanol distillation process，using DSTWU and Rad－Frac,each group was divided into the initial mixture containing 60%acetone and 40%ethanol were simulated（F= 1000kg·h-1,P=0.12MPa,T=30℃）,then use the tower design specs,set the acetone content is 99.17%,the bottom of the tower is 99%ethanol content,calculation results of actual reflux ratio is 2.71,bottoms to feed ratio is 0.454.using sensitivity analysis,the simulation results of number of actual stages is 30,feed stage is 23,the reboiler duty is 336.713kW,the tower is filled CY700 stainless steel wire mesh corrugated packing,the tower diameter is 0.65 meters.

Aspen Plus；acetone；ethanol；sensitivity；reflux ratio

TQ028.3

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170226

2016-10-24

王國君（1978-），男，浙江臺州人，工程師，2009年畢業(yè)浙江工業(yè)大學化學工程與工藝，研究方向：從事精細化工裝備設計工作。