曾 川，馬其坤，蒼 瓊，邢 鵬

（唐山工業(yè)職業(yè)技術學院，河北 唐山 063299）

乙酸乙酯(EA)常作為工業(yè)溶劑和有機生產(chǎn)原料，具有良好的溶解性及速干性，在清洗去油劑、果香性香料、農(nóng)藥生產(chǎn)中有廣泛的應用[1]。因為EA 在化工領域的重要性，故將EA 化工綜合實訓裝置用以教學和實習，能夠讓學生在真實環(huán)境中實踐，進而提升崗位能力。但在教學過程中發(fā)現(xiàn)，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行操作時，精制工段不能達到理想分離效果，使得實訓效果不佳，并且造成原料和能量的浪費。本文通過Aspen Plus對精制工藝進行模擬優(yōu)化，旨在以理論指導實踐，并提出建設性的改進方案。

1 準備工作

1.1 EA-乙醇-水體系物性分析

通過三元體系相圖分析相關物性，如圖1所示。通過圖1可以看出，EA、乙醇和水三種物系兩兩之間都可形成共沸物，EA與水和乙醇還能形成三元共沸混合物。因此，EA-乙醇-水體系的分離可使用萃取精餾[2]。向物系中加入新組分，即萃取劑，增加不同組分之間的相對揮發(fā)度則更易分離[3]。

圖1 乙酸乙酯-乙醇-水三元體系相圖

1.2 萃取劑的選擇

在該體系中，乙醇和水有較強的極性，EA體現(xiàn)出中性，根據(jù)相似相溶原理并加以極性判斷，萃取劑可選用胺類或醇類，此二類物質(zhì)熱敏性弱且不易沸騰。同時萃取劑能較好萃取出目標物質(zhì)，并且不能與任何組分共沸或反應[4-5]，依據(jù)以上原則，選擇了幾種物質(zhì)作為萃取劑備選，名稱及物性詳見表1。結合物性手冊和Aspen Plus軟件中的Flash模塊，得到幾種萃取劑的物性數(shù)據(jù)和其作用下的各組分相對揮發(fā)度，見表2。

表1 不同萃取劑的物理性質(zhì)

表2 在不同萃取劑作用下各組分相對揮發(fā)度

由表2可知，這些萃取劑都在一定程度上影響了該共沸體系的相對揮發(fā)度。強極性的醇類對共沸體系的相對揮發(fā)度影響要大于非醇類萃取劑[6]，最終選用乙二醇。由于該工藝應用在學生實訓中，物料的安全性十分重要，乙二醇低毒安全，適合作為該工藝萃取劑。

2 萃取精餾過程模擬

2.1 建立工藝流程

首先建立模擬工藝流程，如圖2所示。萃取劑乙二醇（EG）在萃取精餾塔（T1）的上部位置進入，EA共沸物系（FEED）在T1的中下部進入，在萃取劑的作用下通過氣液間的傳質(zhì)傳熱，輕組分提升至精餾段，乙二醇提供的給乙醇和水的分子間作用力使得二者被帶到塔釜方向，塔釜液中含有乙二醇、水和乙醇（T1-W），塔頂蒸出EA（T1-D）。T1-W進入萃取劑回收塔（T2）回收萃取劑，醇水混合物（T2-D）由塔頂蒸出，萃取劑乙二醇（T2-W）由T2塔底得到。T2-W經(jīng)冷卻器冷卻后與補充的乙二醇（EG0）混合并回到萃取精餾塔T1內(nèi)完成循環(huán)。

圖2 萃取精餾工藝流程示意圖

2.2 熱力學模型的選擇

UNIFAC 模型把分子看成是由一個個基團組成的，分子的性質(zhì)就是集團性質(zhì)的加和，不管分子結構是簡單還是復雜，都能夠轉(zhuǎn)化成幾個或幾十個基團的組成，對于稍微復雜的體系，只需要把體系中的化合物進行基團拆分，根據(jù)這些基團的性質(zhì)就可以計算體系中各組分的物性[7]。溫度和組成共同影響了活度系數(shù)，其中由分子外形和尺寸不同引起的為組合項（lnγic）；若是分子間相互作用引起的則是剩余項（lnγiR)。將某溶液中組分i的活度系數(shù)記作γi，那么模型可表示為

可獲得如下組合項活度系數(shù)的計算式:

其中：ri表示物質(zhì)i的體積參數(shù)，qi表示物質(zhì)i的表面積參數(shù)。剩余項活度系數(shù)如下式所示:

其中：τk是基團的剩余活度系數(shù)，τki是存在i種分子時基團k的剩余活度系數(shù)。

2.3 萃取精餾塔模擬及優(yōu)化

通過軟件建立工藝流程進行模擬，選擇原料進料位置。進料溫度、壓力分別為30 ℃、120 kPa，塔頂壓力110 kPa，塔壓降10 kPa，進料摩爾流量100 mol/h。定義操作規(guī)范，塔頂餾出物摩爾流率40 mol/h，摩爾回流比設為2。運行模擬可收斂。產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)為93.2%，不理想。通過靈敏度分析，找到不同摩爾回流比和萃取劑用量影響下的EA摩爾流量，見圖3和圖4。根據(jù)EA變化趨勢，摩爾回流比定為0.2，萃取劑摩爾流量350 mol/h，理論板數(shù)30塊，第22塊板進物料，在第7塊板進萃取劑結果最佳，計算出的產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)為99.92%，滿足分離要求。

圖3 摩爾回流比靈敏度分析

圖4 乙二醇摩爾流量靈敏度分析

2.4 萃取精餾塔模擬及優(yōu)化

該塔進行普通精餾模擬。由于補充萃取劑EG0未賦值，所以通過“工藝流程選項-計算器”建立Fortran語句建立計算如下：

運行模擬可收斂?？傻脳l件為：第5塊板進料，摩爾回流比0.5，理論塔板數(shù)為10，乙二醇質(zhì)量分數(shù)為99.99%，幾乎無損失。

3 經(jīng)濟性分析

3.1 原料經(jīng)濟性

在使用優(yōu)化前的原有數(shù)據(jù)進行分離時，萃取精餾塔塔頂產(chǎn)品EA和萃取劑回收塔塔釜中的乙二醇萃取劑收率都不高，僅為74.5%和93.2%。摩爾分率數(shù)據(jù)比較見表3。結合現(xiàn)有實訓條件，無法將其再次提純，只能作為廢液收集處理掉。在進行優(yōu)化后可將產(chǎn)品充分分離，高純度乙二醇可以作為萃取劑重復使用，EA精制產(chǎn)品可用作有機化學實驗原料。

表3 萃取精餾塔和萃取劑回收塔優(yōu)化前后分離效果

3.2 能量經(jīng)濟性

通過工藝流程的優(yōu)化，將進料量，回流比，進料位置等數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化，使得操作費用得以節(jié)省，在加熱公用工程和冷卻公用工程上都體現(xiàn)出良好的節(jié)能效果，參照原始操作數(shù)據(jù)進行計算，總公用工程能量消耗率可降低356.4 kcal/h，如圖5所示。

圖5 實際公用工程項目能量消耗率比較

4 總結及建議

4.1 優(yōu)化數(shù)據(jù)總結

使用Aspen Plus對EA化工綜合實訓裝置中EA共沸物系的分離過程進行了流程和工藝參數(shù)模擬優(yōu)化，相關數(shù)據(jù)表明采用優(yōu)化后，在工藝條件是萃取精餾塔理論板數(shù)為30，摩爾回流比為0.2，進料位置為22；萃取劑回收塔理論板數(shù)為10，摩爾回流比0.5，進料位置為5時，能有效地實現(xiàn)EA三元共沸體系的分離，EA質(zhì)量分數(shù)達99.92%，萃取劑質(zhì)量分數(shù)達99.99%，產(chǎn)品摩爾分率提高24.92%，萃取劑回收率提高14.72%，總能量消耗率降低356.4 kcal/h。

4.2 建議

根據(jù)本文內(nèi)容所做工作，在化工生產(chǎn)實訓裝置的使用和教學中，建議關注以下內(nèi)容。

1）實訓載體應安全。實際化工生產(chǎn)相對復雜，涉及高溫高壓，有毒有害物質(zhì)等各種場景。而在課程教學當中，應盡量避免學生觸及此類危險環(huán)境，更應注重培養(yǎng)學生的基礎技能和對崗位的認同感，所以一個安全合適的載體為尤為重要，在本次優(yōu)化過程中選取的萃取劑較為安全，加以酯化合成中各組分均較為溫和，保證了教學的安全。

2）實訓效果應明顯。實訓工作應讓學生更好地提升崗位技能，尤其化工生產(chǎn)實訓中要獲得明確的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，提升學生獲得感和成就感。平穩(wěn)生產(chǎn)離不開過程中的調(diào)整，可以讓學生參與到優(yōu)化過程中來，針對性進行參數(shù)上的改進，提升學生的專業(yè)技能。