苯为共沸剂异丙醇脱水共沸精馏模拟

苯为共沸剂异丙醇脱水共沸精馏模拟

陈彦飞 马运翠

(宁波镇海炼化新和成生物科技有限公司 浙江宁波 315000)

摘要：本文综述了共沸精馏的特点及共沸剂的选择。并通过苯作为共沸剂实现异丙醇脱水的案例，并利用化工软件Aspen Plus对该体系的分离提纯进行流程模拟，设计了精馏流程，考察了共沸剂的适宜用量，优化了操作条件，得到了精馏流程最优、最经济的操作条件。该体系分离提纯优选的共沸剂循环量为210 kmol／h，理论塔板总数为38，进料位置在塔上部第5块塔板处，提纯得到产品中异丙醇质量分数可达到99．6％，水的质量分数达到99.9%，且此时共沸精馏流程经济最优。

关键词：共沸精馏；共沸剂；苯；异丙醇

异丙醇是一种重要的化工原料和产品，主要用于化妆品、涂料、制药、香料、塑料等。在异丙醇的生产中需要实现异丙醇与水的分离，而常压下异丙醇和水在80.3℃会形成共沸物。因此，常规精馏方法难以得到高纯度异丙醇。工业上共沸物分离的方法有萃取精馏、共沸精馏、变压精馏、膜分离等[1]，其中共沸精馏被广泛应用于共沸物的分离过程中。

共沸精馏是分离液体混合物的一种方法，广泛应用于化工、炼油等工业中。当待分离的两个组分为共沸溶液体系或它们的挥发度非常接近时，采用普通精馏方法难以达到分离目的或所需要的理论板数非常多，且回流比亦较大，使设备费用和操作费用过大而不经济[2]，此时可采用共沸精馏。共沸精馏是向共沸溶液中加入第三组分，使该组分能与原有溶液中的一个或多个组分形成共沸物，且这种新共沸物的挥发度显著地高于或低于原有各组分的挥发度，则新共沸物中各组分的含量与原料液组成不同，可采用普通精馏方法予以分离。本文综述了共沸精馏的特点及共沸剂的选择，并通过苯作为共沸剂实现异丙醇脱水的案例，讲述利用Aspen Plus模拟计算以及通过实验验证的过程。

1 共沸精馏

1.1共沸精馏的特点

(1)共沸精馏所用的共沸剂必须与待分离组分的一个或两个形成共沸物，因此可供选择的共沸剂有限。

(2)共沸精馏的共沸剂大都从塔顶蒸出，消耗热能较大，只有当共沸物中共沸剂的含量甚少，与共沸剂形成共沸物的组分在原料中含量也少时，共沸精馏的操作才比较经济。

(3)共沸精馏即可用于连续操作也可用于间歇操作。

(4)在同样压力下操作，共沸精馏的操作温度较低，比其它精馏更适于分离热敏性物料旧1。

1.2共沸剂的选择

共沸剂的选择对共沸精馏分离过程的效果影响极大[3]。选择共沸剂，首先要考虑共沸剂的选择性要大。此外，还应考虑以下几个方面：

(1)共沸剂能显著影响待分离系统中关键组分的汽液平衡关系。

(2)共沸剂至少与待分离系统中一个或两个(关键)组分形成两元或三元最低共沸物，而且希望此共沸物比待分离系统中各纯组分的沸点或原来的共沸点低10℃以上，否则难以实现精馏分离。

(3)为使分离流程比较简单，共沸剂回收容易，选用能生成非均相共沸物的共沸剂。(4)在所形成的共沸物中，共沸剂的比例愈少愈好，汽化潜热愈多愈好。这样不仅可减少共沸剂用量，提高共沸剂效率；也可减少循环量，以降低蒸发所需的热量及冷凝所需冷却的量。

(5)共沸剂易于回收利用。一方面希望形成非均相共沸物，可以减少分离共沸物的操作；另一方面，在溶剂回收塔中，应该与其它物料有相当大的挥发度差异[4]。

(6)共沸剂廉价、来源广、无毒性、热稳定性好和腐蚀性小等。

2共沸精馏流程设计

以苯作为共沸剂，共沸精馏分离异丙醇-水（异丙醇68%，水32%）体系为研究对象，采用Aspen Plus模拟软件对其精馏流程进行模拟：用RadFrac模块模拟共沸精馏塔；用Flash2模块模拟溶剂回收罐；用Decanter模块模拟分层器。为了使塔釜产品中IPA的质量分数达到分离要求，利用软件的设计规定模块(Design Specs／Vary)调节模拟参数。选用UNIQUAC作为物性方法。

通过Aspen Plus绘制异丙醇、苯、水三者的相图，如图1，从中可以看出常压下异丙醇和水的共沸温度在80.18℃，共沸组成为：异丙醇87.9%，水12.1%。水和苯共沸点在69.33℃，共沸组成为：苯90%、水10%。因此，可以通过苯作为共沸剂脱除异丙醇中的水，进一步提纯异丙醇。

图1：该图为通过Aspen Plus模拟的异丙醇-苯-水的三相相图

图2是丙醇脱水共沸精馏的工艺流程，原料经过共沸精馏塔脱除水和一部分异丙醇，气相组分再经过混合器和冷凝器，然后进入分层器静置分层，上层是油相，主要是苯和异丙醇，再回套进入共沸精馏塔，下层是水相，主要成分是水，还有少量异丙醇和苯，再通过普通精馏塔提纯水，纯度可以达到99.9%以上，该塔气相也进入混合器再经过冷凝器，进而进入分层器静置分层，一直循环套用，如果共沸剂损失可以在分层器补加，异丙醇的纯度可以达到99.5%以上，满足要求。该工艺主要利用苯与水的共沸点低于异丙醇与水的特点，也利用苯在水中溶解度很低的特性，在分层器中静置分层的特点。表1、2、3是用Aspen Plus模拟优化后的设计参数。图3 是共沸精馏塔各塔板上液相组分，可以看出38块理论板是合理的。

图2：该图是异丙醇脱水共沸精馏的工艺流程

表1 优化后的共沸精馏流程各流股设计参数（kmol/h）

表2：各设备优化后的设计参数

表3：共沸精馏流程中各物流的摩尔分数

图3 共沸精馏塔塔板液相组成

3 结语

综上所述，共沸精馏技术是一种分离工艺的重要手段，它可改变物系的相对挥发度，从而使物系达到分离的目的。苯作为共沸剂，异丙醇脱水提纯的共沸精馏流程模拟结果表明，该体系分离提纯优选的共沸剂循环量为210 kmol／h，共沸精馏塔理论塔板总数为38，进料位置在塔上部第5块塔板处，提纯得到产品中异丙醇质量分数可达到99．6％，水的质量分数达到99.9%。

[1] 李良清，李佳佳，张进建，等．渗透汽化异丙醇脱水ZSM一5沸石膜的制备与表征[J]．现代化工，2018，39(9)：136—141．

[2] 隋振英，邹东雷．共沸精馏中共沸剂的选择[J]．化学工程，1996，54(3)：27—30．

[3] 韩东敏，陈艳红．萃取精馏分离异丙醇一水共沸物的模拟及节能[J]．化学工程，2020，48(2)：70—73．

[4] 胡湖生．用填料塔将异丙醇连续共沸精馏脱水[J]．精细工程，2018，49(3)：18—31．

作者简介：陈彦飞，男，汉族，研究生学历，目前在宁波镇海炼化新和成生物科技有限公司从事化工专业工作