用水作溶剂的萃取精馏的模拟和优化

用水作溶剂的萃取精馏的模拟和优化摘要丙酮-甲醇，甲基醋酸盐-甲醇和甲醇-三氯甲烷二元萃取的单塔蒸馏体系被HYSYS软件模拟，来研究溶剂进料器进料层，溶剂分离气流进料器和分离的溶解条件的作用。水在所有的这些模拟中充当溶剂。这种模拟支持来自同一体系的实验塔研究而得的数据和发现。一个包含次要的反萃取塔和循环圈的丙酮-甲醇体系的精确模拟被用来模拟与企业相关的状况。这种模拟能够对将要制作的工序进行经济评估。它建立起来用于含有25、50和70mol%甲醇的进料混合物，其最佳的回流比例分别为3.5、3.5和4.2。结果一次萃取塔设计能够分离含有25%到75%甲醇的二元进料。对于一个等摩尔二元进料的原料塔的理想层的最佳数值被确定为73.当维持一个持续的溶剂流时，进料器进料层裂痕的距离对这个体系的经济潜力没有影响。1.简介恒沸物是当混合物的成分具有低的相对挥发度时出现的复杂的、不规则的混合物。这些混合物的成分很复杂，所以分离起来花费很高。它们能凭借向蒸馏塔中加入一种溶剂通过萃取精馏的方法而被有效地分离。这种溶剂通过增强成分的活力而提高其相对挥发度，不规则的二元成分混合物的关系为：αAB=γAp0A/γBp0B适用条件为：γA和γB是A和B的活性系数，并且p0A和p0B是组分A和B的压强。随着混合物的相对挥发度被提高；轻的组分能在蒸馏塔的顶端被收集到，而重的混合物和从溶剂从塔底收回用于接下来的分离。萃取精馏从烟气中有机混合物的分离到水果中挥发性有机混合物的分离，发现了大量的不同的应用。萃取蒸馏体系的各个方面早已被研究，例如溶剂选择方法，新的萃取精馏体系的发展，和向溶剂中加入一种盐以改善分离的简介。然而，几乎没有关于萃取精馏的电脑模拟，并且其中一些所用的软件现在已经过时。试图模拟和优化这些萃取精馏体系的唯一的其他工作，把重点放在了减少在接下来的萃取（二元）和自动萃取（三元）蒸馏体系中萃取原动力（溶剂）的消耗上：·丙酮-甲醇和水·甲基醋酸盐-甲醇和水·甲醇-三氯甲烷和水这项特殊的研究表明通过增加蒸馏塔进料和萃取溶剂进料的距离会导致溶剂消耗量减少35-40%。它还表明把溶剂进料分成两股液流进入塔内会导致溶剂消耗量再减少25-30%。这些结果通过HYSYS模拟得以证明。相似的工作把重点放在了丙酮-甲醇-水体系上，证明二元混合物进料和溶剂进料间的距离的增加会使塔的性能增强。这项工作也研究了溶剂温度和关于产品质量条件的影响。这项研究与三种上面提到的二元组分萃取精馏体系的实验研究密切相关。这种模拟在HYSYS模拟程序中更加彻底地把研究重点放在模拟实验的萃取精馏体系（丙酮-甲醇与水、甲基醋酸盐-甲醇与水和甲醇-三氯甲烷与水）上。这样，曾经建立的这些模拟被用来在经济上优化特殊的对于明确组分分离的塔设计。这种模拟用Hyprotech公司许可的HYSYS模型版本2.1进行。这个研究结论将提供与萃取精馏相关的应用中的基本设计信息。2.原料塔操作的模拟2.1对HYSYS的性能包装为了模拟丙酮-甲醇成分体系，VanLaar流体包装先前已被应用。这种包装能够模拟另外两种组分体系：丙酮甲基醋酸盐和甲醇-三氯甲烷。一种不同的包装被要求能够像VanLaar包装模拟丙酮-甲醇系统那样准确地将三个体系全部模拟。一些不同的包装被检验，发现Wilson包装是最合适的；它能够将三个体系全部模拟，并且阐述的与先前的研究得到的丙酮-甲醇VanLaar数据相当一致。2.2模拟数据先前的研究表明实验的填充塔能够在HYSYS中通过八个理想层而合理地被模拟。在这项研究中考虑的三个体系用相同的基本数据被模拟，在Table1中显示。溶剂进料率被保持在4.0对于先前被发现的所有的模拟，这是能够成功分离的最小比率。2.3萃取原动力进料位置的影响用这三个建立的模拟来研究溶剂进料器进料层对分离的影响。为此进料位置被保持在第二个塔板，而溶剂进料层从3层变为8层。对于全部的三个体系，发现那些在顶端产物中的更易挥发的组分浓度由于溶剂进料层的增加而降低。这与先前研究的三个实验体系均一致。然而如果溶剂进料层与塔顶接近，会发现顶部产品中溶剂浓度升高。这样对塔中溶剂来说，优化的进料位置被确定为那个总的杂质浓度为最小值的层。2.4溶剂的分离进料为了研究它对每种组分体系的顶部产品组成的影响，保持其他参数恒定时这三种单塔模拟适用于模拟均等-分离进料萃取精馏。这项研究由两个参数的独立的变化构成：在两股等速的溶剂进料液流之间的空隙和上端分离的溶剂进料液流进入塔内的进料层。这项研究为所研究得三个组分体系中的每个体系都提供了一个最优进料层和溶剂分离距离。所有的研究结果在Table2中给出。2.5溶剂温度、进料相和进料温度的影响已经知道当用水作为溶剂，用一个萃取精馏塔来分离甲醇和丙酮时，溶剂温度和它的相（液相、两相或是气相）对顶端产品的构成没有影响。这三个最初的八层的HYSYS模拟被用来改变进料温度，同样用来改变溶剂温度。Figs.4-6说明这些作用对于丙酮-甲醇组分体系与先前发现的相似。对于被模拟的三个不同的组分系统，其变化趋势很相似。二元进料温度与溶剂进料温度和二元进料相似乎对模拟的三种萃取精馏组分体系中的任何一种都没有显著的影响。由于较大的回流率，塔内的状态和组分相对挥发度没有明显的变化。冷凝器和重沸器的功率如预期的一样变化。3.丙酮-甲醇体系的经济评估为了做一次经济分析，要求对生产商业上具有有用浓度的产品进行模拟，并且需要第二座塔来分离来自第一座塔的底端产品，产生高浓度的甲醇和水。为了不对原料塔的性能产生不利的影响，需要含少量杂质的水参与循环。这个体系的第二座塔最初用短截的塔设计设备设立起来，以获得对塔内要求的塔板数值和必要的回流率的初步评估。这座塔用精确地塔设备建立起来，并成功地被聚集。塔内塔板的数量和进料位置被调整到使塔能够产生对企业有用的99.9%甲醇顶端产品和含有少于0.001%的水的底端产品。当进料在第18层以回流率为3.86从底部进入，34个理想的塔板为最优。为使丙酮的浓度升高到99%，在第一座塔中进行一个相似的过程。极少量的溶剂补偿要求回流率保持在4，即使在模拟中没有运用循环单元。最初塔在允许一个塔压力降为每个塔板约2kPa的大气压强下被设立。安装一个泵向第一座塔中注入二元进料液流，来防止它在低于塔进料层的压力下进入塔内。Fig.7展示HYSYS经济模拟流程，而Table3显示生产的模拟数据。最小的经济潜力（EP）被用作优化参数，用方程式（2）代替EP：EP=Cv+Cf+(ir+im)FC(2)其中Cv是处理过程中变化的成本；通常为每年的实用消耗量；Cf是每年的固定成本即保养费和工资。FC是固定的资本投资；ir是适用于FC的固定的资本回收率；im是FC上可以接受的最低的回报比率。在这个优化中假设Cf为FC的10%，ir+im为FC的25%，则方程式（2）可以写为：EP=Cv+(0.35)FC（3）然而由于设计的模拟产生高浓度的商业上可行的产品；收入R可从工厂中获得，所以其在经济分析中起主要的作用。为了确定最小的经济潜力为这项研究中的最优参数，从而用到方程式（4）：EP=R-(Cv+0.35FC)(4)所有的这种分析的经济数据从Ulrich[21]和theFisherScientificFineChemialCatalogue[22]中获得。产品组分的微小变化影响生产的总收入，因此经济优化研究的极限是特殊情况下的最终经济潜力。所以如果这个HYSYS模拟被用来通过翻新而改善一个现有的塔或几组塔，则在着手确定或估计有实际工厂数据的模拟的一致性之前，需要做认真的分析。当建立HYSYS模拟的经济分析时，作几种简化的假设。假设在两个重沸器中所有的热能都由流体的压缩单方面提供，明显加热的影响可以忽略不计。这似乎可以提供足够可信的热负荷的数据，从中可以获得资本投资的评估。除此之外，热损失模型不归因于导管或实验的任何一个过程；这看起来也是一个合理地假设,它考虑了贯穿固定成本评估中的精确程度。3.2优化原料塔回流率此模拟后来被用于评估改变原料塔回流率的经济效益。辅助塔在恒定的回流率下运作。每座塔内塔板的数量保持不变。经济潜力关系（方程式（4））随后被用以提供对原料塔回流率平面图（数据8）的经济潜力。在分析中所有组分以50:50、25:75、75:25的比率的结合作为模型。对于不同的进料成分，其最优的原料塔回流率在Table4中给出。这些是事实上非常相近，其表明含有25到75%的丙酮-甲醇的任何二元进料可以在同一个车间被分离，结果几乎没有经济潜力上的损失，所以没有必要为了加工不同的进料成分而改变车间。3.3优化原料塔层的数值对原料塔理想层的数量的经济研究取决于通过原料塔产生丙酮的层。塔板的数量在产生商业上无价值的丙酮时的20，到高压液体色谱分析层产生丙酮时的76之间变化。由于辅助塔没有改变，产生的合成甲醇成分是固定的。各阶段的优化数量在数据9中显示为73；其与预期获得更具价值的HPLC阶段的丙酮所要求的塔板最少的数量一样。研究发现随着第5层二元物料进入，以顶部产品的净化为基础的优化溶剂进料层是第25层。因此如上所说的，由于塔板最优数量为73，在溶剂进料和顶端塔层之间有一个48个层的间距。这证明了为了使顶部产品中溶剂的数量最少化，对于单个和分离的进料情况，先前2.4段中的关于发现在溶剂进料和顶部塔板见需要一个大的间距的单塔优化模拟的发现。像先前那样计算，这项研究不考虑q的变化。然而将溶剂进料向塔顶放置，当与要求用来减少顶部产品中额外的溶剂杂质而承担的花费比较，在经济上没有意义时，能实现具体水消耗（q）的减少。均等-分离溶剂进料的进一步优化表明其对整个经济表现的作用可以忽略。任何由于一个或两个较少的塔板引起的资本成本的减少将通过更多输入的流体而抵消。4.结论这项研究用HYSYS电脑软件来描述三个二元萃取精馏塔的模拟。特殊的流体包装的应用使丙酮-甲醇，甲基醋酸盐-甲醇和甲醇-三氯甲烷分离的成功模拟成为可能。这些模拟使溶剂进料液流的位置、溶剂的分离进料液流和溶剂的温度的影响能够被研究。对于单塔，一种溶剂进料的情况，发现对于与先前研究一致的三个体系，由于升高的溶剂进料位置，顶部产品中更易挥发组分的浓度降低。水的浓度也随着溶剂进料位置的升高而升高，意味着最优进料层为这些相对作用的平衡。二元溶剂进料温度和二元进料相对全部的三个考虑的体系中任何一个的分离都没有影响，证明了先前的实验操作。对于分离液流溶剂进料的情况，顶部产品中的甲醇浓度随着分离进料距离的增加，即溶剂进料与顶部塔板的接近而降低。这表明对于单塔和分离进料的情况，溶剂进料器进料层和塔顶之间需要有一个大的间距，用以减小顶部产品中溶剂的数量。一个有辅助塔的实际循环模拟被成功地建立起来用于丙酮-甲醇的情况。随后进行的经济分析表明一座塔设计能够最佳地分离含25%到27%甲醇的变化组分的二元进料。除此之外，发现先前的操作显示在这个模拟中溶剂进料被放在塔顶在经济上不可行。对原料塔中层的数量的进一步经济分析显示73个理想层对于等摩尔进料是最优的数量。5.参考文献