化工进展 ›› 2021, Vol. 40 ›› Issue (8): 4196-4204.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0097
王玉春1(), 张志浩1, 高源2, 李忠1, 郑华艳1(
)
收稿日期:
2021-01-15
出版日期:
2021-08-05
发布日期:
2021-08-12
通讯作者:
郑华艳
作者简介:
王玉春(1990—),男,硕士研究生,研究方向为碳一化学。E-mail:基金资助:
WANG Yuchun1(), ZHANG Zhihao1, GAO Yuan2, LI Zhong1, ZHENG Huayan1(
)
Received:
2021-01-15
Online:
2021-08-05
Published:
2021-08-12
Contact:
ZHENG Huayan
摘要:
运用Aspen Plus软件回归文献数据校正了碳酸二甲酯(DMC)-水(H2O)混合物的UNIQUAC热力学模型参数,并以该模型为基础分析了水作为萃取剂萃取精馏分离DMC-甲醇(CH3OH)-水三元混合物的分离原理,结合混合组分的三角相图和物料组成设计了反向萃取精馏工艺,发现选用水为萃取剂可以利用DMC-水的部分互溶特性,通过三塔精馏即可分离DMC-甲醇-水三元混合物,沸点较高的DMC和少量水由塔顶馏出,而沸点较低的甲醇和大部分水由塔底采出,避免了DMC-甲醇二元共沸物的形成。同时,在相同分离要求下设计了变压精馏工艺,通过对两个精馏工艺参数模拟优化,发现萃取精馏工艺的总冷凝负荷和总加热负荷分别为888.7kW和898.2kW,其总能耗较变压精馏工艺节约了47.2%,萃取精馏工艺的年总费用(TAC)比变压精馏工艺下降了48.8%。
中图分类号:
王玉春, 张志浩, 高源, 李忠, 郑华艳. DMC-甲醇-水三元混合物的萃取精馏分离工艺[J]. 化工进展, 2021, 40(8): 4196-4204.
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序号 | 萃取剂 | 沸点/℃ | 密度/g·mL-1 | 熔点/℃ | 萃取精馏塔原料 | 塔顶馏分 | 参考文献 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 糠醛 | 161.8 | 1.16 | -36.5 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
2 | 邻二甲苯 | 144.4 | 0.88 | -25.2 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
3 | 乙酸己酯 | 171.5 | 0.87 | -80.9 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
4 | 碳酸丙烯酯 | 242.0 | 1.20 | -48.8 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
5 | 碳酸乙烯酯 | 248.0 | 1.32 | 38.0 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
6 | 草酸二甲酯 | 163.5 | 1.15 | 54.0 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
7 | 水 | 100.0 | 1.00 | 0.0 | DMC-甲醇-水(或DMC-甲醇) | DMC-水混合物 | [ |
8 | 苯酚 | 181.9 | 1.07 | 43.0 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
9 | 苯胺 | 184.4 | 1.02 | -6.2 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
10 | 乙二醇 | 197.3 | 1.11 | -12.9 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
表1 不同萃取剂的基本性质、适用混合物和萃取精馏塔塔顶产物
序号 | 萃取剂 | 沸点/℃ | 密度/g·mL-1 | 熔点/℃ | 萃取精馏塔原料 | 塔顶馏分 | 参考文献 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 糠醛 | 161.8 | 1.16 | -36.5 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
2 | 邻二甲苯 | 144.4 | 0.88 | -25.2 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
3 | 乙酸己酯 | 171.5 | 0.87 | -80.9 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
4 | 碳酸丙烯酯 | 242.0 | 1.20 | -48.8 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
5 | 碳酸乙烯酯 | 248.0 | 1.32 | 38.0 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
6 | 草酸二甲酯 | 163.5 | 1.15 | 54.0 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
7 | 水 | 100.0 | 1.00 | 0.0 | DMC-甲醇-水(或DMC-甲醇) | DMC-水混合物 | [ |
8 | 苯酚 | 181.9 | 1.07 | 43.0 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
9 | 苯胺 | 184.4 | 1.02 | -6.2 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
10 | 乙二醇 | 197.3 | 1.11 | -12.9 | DMC-甲醇 | 甲醇 | [ |
温度 /℃ | 实验值[ | 内置二元交互作用 参数计算值 | 回归二元交互作用参数计算值 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
有机相 /% | 水相 /% | 有机相 /% | 水相 /% | 有机相 /% | 水相 /% | |||
10 | 97.61 | 5.27 | 97.21 | 14.36 | 97.60 | 5.41 | ||
15 | 97.39 | 5.27 | 97.07 | 13.86 | 97.38 | 5.38 | ||
20 | 97.20 | 5.27 | 96.91 | 13.43 | 97.14 | 5.42 | ||
30 | 96.57 | 5.73 | 96.58 | 12.71 | 96.60 | 5.67 | ||
40 | 95.93 | 6.63 | 96.23 | 12.17 | 95.97 | 6.16 | ||
50 | 95.24 | 6.63 | 95.85 | 11.75 | 95.23 | 6.91 | ||
60 | 94.36 | 7.96 | 95.45 | 11.45 | 94.37 | 7.96 |
表2 101.325kPa下DMC-水液液平衡体系中DMC质量分数
温度 /℃ | 实验值[ | 内置二元交互作用 参数计算值 | 回归二元交互作用参数计算值 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
有机相 /% | 水相 /% | 有机相 /% | 水相 /% | 有机相 /% | 水相 /% | |||
10 | 97.61 | 5.27 | 97.21 | 14.36 | 97.60 | 5.41 | ||
15 | 97.39 | 5.27 | 97.07 | 13.86 | 97.38 | 5.38 | ||
20 | 97.20 | 5.27 | 96.91 | 13.43 | 97.14 | 5.42 | ||
30 | 96.57 | 5.73 | 96.58 | 12.71 | 96.60 | 5.67 | ||
40 | 95.93 | 6.63 | 96.23 | 12.17 | 95.97 | 6.16 | ||
50 | 95.24 | 6.63 | 95.85 | 11.75 | 95.23 | 6.91 | ||
60 | 94.36 | 7.96 | 95.45 | 11.45 | 94.37 | 7.96 |
i | j | aij | aji | bij | bji | 来源 |
---|---|---|---|---|---|---|
DMC | 水 | 41.2183 | -74.0176 | -2741.0 | 3419.72 | 本文回归 |
DMC | 甲醇 | 0 | 0 | -349.494 | 18.91 | [ |
甲醇 | 水 | 0 | 0 | 165.26 | -254.731 | [ |
表3 UNIQUAC模型DMC-水、DMC-甲醇、甲醇-水混合物的二元交互作用参数
i | j | aij | aji | bij | bji | 来源 |
---|---|---|---|---|---|---|
DMC | 水 | 41.2183 | -74.0176 | -2741.0 | 3419.72 | 本文回归 |
DMC | 甲醇 | 0 | 0 | -349.494 | 18.91 | [ |
甲醇 | 水 | 0 | 0 | 165.26 | -254.731 | [ |
质量分数/% | 共沸温度 /℃ | 共沸类型 | 备注 | ||
---|---|---|---|---|---|
甲醇 | DMC | 水 | |||
67.2 | 32.8 | 0.0 | 63.7 | 均相 | 计算值 |
70.0 | 30.0 | 0.0 | 63.5 | 文献[ | |
0.0 | 86.8 | 13.2 | 79.6 | 非均相 | 计算值 |
0.0 | 89.0 | 11.0 | 77.5 | 文献[ |
表4 101.325kPa下DMC-甲醇-水体系中共沸物组成和温度
质量分数/% | 共沸温度 /℃ | 共沸类型 | 备注 | ||
---|---|---|---|---|---|
甲醇 | DMC | 水 | |||
67.2 | 32.8 | 0.0 | 63.7 | 均相 | 计算值 |
70.0 | 30.0 | 0.0 | 63.5 | 文献[ | |
0.0 | 86.8 | 13.2 | 79.6 | 非均相 | 计算值 |
0.0 | 89.0 | 11.0 | 77.5 | 文献[ |
图3 水萃取精馏分离DMC-甲醇-水工艺流程1—T1再沸器;2—萃取精馏塔(T1);3—T1塔顶冷凝器;4—T1塔顶分相罐;5—T3再沸器;6—甲醇精馏塔(T3);7—T3塔顶冷凝器;8—T3回流罐;9—T3釜液冷却器;10—DMC脱水塔(T2);11—T2再沸器;12—T2塔顶冷凝器;13—T2塔顶分相罐
设备所属工艺 | 理论板数 | 原料进料位置 | 操作压力 /MPa | 塔顶温度 /℃ | 塔底温度 /℃ | 回流比 | 冷凝器负荷 /kW | 再沸器负荷 /kW | 总冷凝负荷 /kW | 总加热负荷 /kW |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
萃取精馏 | ||||||||||
T1 | 34 | 18 | 常压 | 78.7 | 85.9 | 1.5 | 110.5 | 212.3 | 888.7 | 898.2 |
T2 | 8 | 2 | 常压 | 78.7 | 88.0 | 0.9 | 16.3 | 19.7 | ||
T3 | 32 | 15 | 常压 | 64.7 | 101.4 | 1.6 | 761.9 | 666.2 | ||
变压精馏 | ||||||||||
T4 | 42 | 35 | 常压 | 64.0 | 99.7 | 1.5 | 653.9 | 664.1 | 1683.4 | 1704.0 |
T5 | 34 | 11 | 常压 | 63.4 | 65.4 | 3.0 | 1029.5 | 1007.7 | ||
T6 | 32 | 22 | 1.2 | 144.0 | 189.0 | 1.8 | 541.5 | 573.7 |
表5 萃取精馏与热集成后变压精馏工艺模拟结果
设备所属工艺 | 理论板数 | 原料进料位置 | 操作压力 /MPa | 塔顶温度 /℃ | 塔底温度 /℃ | 回流比 | 冷凝器负荷 /kW | 再沸器负荷 /kW | 总冷凝负荷 /kW | 总加热负荷 /kW |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
萃取精馏 | ||||||||||
T1 | 34 | 18 | 常压 | 78.7 | 85.9 | 1.5 | 110.5 | 212.3 | 888.7 | 898.2 |
T2 | 8 | 2 | 常压 | 78.7 | 88.0 | 0.9 | 16.3 | 19.7 | ||
T3 | 32 | 15 | 常压 | 64.7 | 101.4 | 1.6 | 761.9 | 666.2 | ||
变压精馏 | ||||||||||
T4 | 42 | 35 | 常压 | 64.0 | 99.7 | 1.5 | 653.9 | 664.1 | 1683.4 | 1704.0 |
T5 | 34 | 11 | 常压 | 63.4 | 65.4 | 3.0 | 1029.5 | 1007.7 | ||
T6 | 32 | 22 | 1.2 | 144.0 | 189.0 | 1.8 | 541.5 | 573.7 |
设备所属工艺 | 塔费用 /USD | 换热器费用 /USD | 设备总费用 /USD | 冷却水费用 /USD·a-1 | 蒸汽费用 /USD·a-1 | 总操作费用 /USD·a-1 | TAC /USD·a-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
萃取精馏 | |||||||
T1 | 22897.1 | 56379.8 | 79276.8 | 12688.3 | 42481.7 | 55170.0 | 342347.6 |
T2 | 7448.4 | 18744.7 | 26193.1 | 1871.7 | 3942.0 | 5813.7 | |
T3 | 43847.7 | 153533.1 | 197380.8 | 87485.6 | 133308.2 | 220793.8 | |
变压精馏 | |||||||
T4 | 34958.0 | 145117.1 | 180075.1 | 75084.5 | 132888.0 | 207972.5 | 668796.8 |
T5 | 60456.0 | 190275.0 | 250731.0 | 118155.5 | 93447.8 | 211603.4 | |
T6 | 30253.2 | 50068.6 | 80321.8 | 0.0 | 146995.4 | 146995.4 |
表6 萃取精馏与热集成后变压精馏工艺经济核算结果
设备所属工艺 | 塔费用 /USD | 换热器费用 /USD | 设备总费用 /USD | 冷却水费用 /USD·a-1 | 蒸汽费用 /USD·a-1 | 总操作费用 /USD·a-1 | TAC /USD·a-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
萃取精馏 | |||||||
T1 | 22897.1 | 56379.8 | 79276.8 | 12688.3 | 42481.7 | 55170.0 | 342347.6 |
T2 | 7448.4 | 18744.7 | 26193.1 | 1871.7 | 3942.0 | 5813.7 | |
T3 | 43847.7 | 153533.1 | 197380.8 | 87485.6 | 133308.2 | 220793.8 | |
变压精馏 | |||||||
T4 | 34958.0 | 145117.1 | 180075.1 | 75084.5 | 132888.0 | 207972.5 | 668796.8 |
T5 | 60456.0 | 190275.0 | 250731.0 | 118155.5 | 93447.8 | 211603.4 | |
T6 | 30253.2 | 50068.6 | 80321.8 | 0.0 | 146995.4 | 146995.4 |
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