萃取精馏分离异丙醇-乙腈共沸物系工艺模拟

李文秀，陈金玲，曹 颖，陆睿哲，张 弢

(沈阳化工大学 辽宁省化工分离技术重点实验室，辽宁 沈阳 110142)

异丙醇和乙腈混合物是工业中重要的助溶剂，在化学、制药生产过程中有着广泛应用[1-3]。在实际生产过程中会连续产生大量的异丙醇与乙腈的混合物。因此，需要一种有效回收异丙醇和乙腈的方法[4]。但二者在101.3kPa下形成最低共沸物，相对挥发度接近于1，很难通过常规蒸馏方法将它们分离。需采用特殊精馏的方法实现对异丙醇-乙腈共沸物的分离。

目前，对共沸物系的常用特殊精馏方法有变压精馏[5]、共沸精馏[6]和萃取精馏[7-8]等，萃取精馏因其分离效果好，经济效益高而得到广泛应用。近年来，由于离子液体具有高选择性、良好的化学稳定性与极低的蒸汽压等优点用作萃取精馏的萃取剂[9-10]。

目前，采用离子液体分离异丙醇-乙腈共沸物系的工作已展开，Zhu[4]等人测量了1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[EMIM][BF4] 与1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[EMIM][BF4]对异丙醇-乙腈的气液相平衡影响，发现两种离子液体均可使异丙醇-乙腈物系发生盐析现象，增加了异丙醇对乙腈的相对挥发度，最终消除共沸点。结果表明[EMIM][BF4]是分离效果最优的离子液体。为了验证以[EMIM][BF4]作为萃取剂应用于异丙醇-乙腈共沸物系精馏工艺的可行性。本文采用Aspen Plus软件，对以[EMIM][BF4]为萃取剂分离异丙醇-乙腈共沸物的精馏过程进行了模拟，使用软件的灵敏度模块确定最优工艺参数，为精馏工艺流程的设计提供了理论基础。

1 流程模拟

1.1 物性数据与热力学模型

异丙醇与乙腈的物性数据由Aspen Plus软件提供，离子液体[EMIM][BF4]的物性数据采用Valderramad[11]等人开创的方法进行估算，结果如表1所示。

表1 [EMIM][BF4]物性参数Table 1 The Physical parameter of [EMIM][BF4]

为了描述三元体系在精馏过程中的气液相平衡状况，采用NRTL活度系数模型。其中异丙醇-乙腈-[EMIM][BF4]的气液相平衡数据文献[4]提供，使用NRTL模型关联的二元交互参数如表2所示。

表2 NRTL模型关联异丙醇(1)-乙腈(2)- [EMIM][BF4] (3)三元体系二元交互参数Table.2 The binary parameters of isopropyl isopropanol (1) + acetonitrile (2) + [EMIM][BF4] (3) system correlated by NRTL model

1.2 工艺流程

以[EMIM][BF4]为萃取剂分离异丙醇-乙腈的工艺流程图如图1所示。异丙醇与乙腈的混合物从萃取精馏塔B1中部进料，萃取剂[EMIM][BF4]从塔顶进料，经过萃取精馏后，塔顶得到高纯度的异丙醇，塔釜得到乙腈，[EMIM][BF4]以及微量异丙醇的混合物。将B1塔的塔釜混合物输送到萃取精馏塔B2进行溶剂回收，经过萃取精馏，塔顶得到高纯度的乙腈，塔釜得到高纯度的[EMIM][BF4]并经过换热器B3降温后输送至B1塔循环利用。

图1 以[EMIM][BF4] 为萃取剂的异丙醇-乙腈共沸物的萃取精馏流程Fig.1 Process of [EMIM][BF4] extractive distillation

2 结果与讨论

2.1 工艺参数优化

萃取精馏塔B1初始模拟条件：原料混合物质量流量为1000kg/h，其中异丙醇质量分数为0.48，乙腈质量分数为0.52，原料进料温度、萃取剂进料温度均为25℃。萃取精馏塔全塔理论板数为25块，回流比为0.9，萃取剂与原料进料位置分别为第2块与第14块塔板，全塔常压操作。萃取精馏塔B2初始模拟条件：全塔理论板数为7块，回收液进料位置为第5块塔板，回流比为1.2，全塔常压操作。分离要求为塔顶产品异丙醇质量分数大于99.5%。精馏塔均采用Radfrac模块，使用灵敏度分析工具，以塔顶产品质量分数、塔顶冷凝器与塔釜再沸器能耗为指标，考察溶剂比，回流比，全塔理论板数，离子液体与原料进料位置工艺参数对分离效果以及能耗的影响。

由图2可得，随着溶剂比增大，塔顶产品的质量分数越大，再沸器热负荷增加，冷凝器热负荷减小。当溶剂比为1.6时，塔顶产品质量分数达到最大，当溶剂比大于1.6时，塔顶产品含量不再发生变化，而再沸器热负荷增大，冷凝器热负荷不再变化。综合考虑，溶剂比为1.6时为最优的工艺条件。

1-塔顶摩尔分数；2-再沸器热负荷；3-冷凝器热负荷图2 溶剂比的影响Fig.2 Effect of mass radio of solvent to feed on separation performance

从图3可看出，当全塔板数小于26时，再沸器热负荷随塔板数的增加而增加，冷凝器热负荷随塔板数的增加而减小，塔顶产品质量分数增大；当全塔板数大于26时，塔顶产品质量分数、冷凝器与再沸器热负荷均不再发生变化，而结合塔板数的增多会增加塔器的生产成本的问题，全塔板数为26块时为最优的工艺条件。

1-塔顶摩尔分数；2-再沸器热负荷；3-冷凝器热负荷图3 全塔理论板数的影响Fig.3 Effect of theoretical plate number on separation performance

由图4可得，当回流比小于0.9时，塔顶产品的质量分数增大；当回流比大于0.9时塔顶产品质量分数降低，这是由于这时再增大回流比导致离子液体的浓度减小，导致分离效果变差。冷凝器与再沸器的热负荷随着回流比的增大而增大。因此，回流比为0.9是最优工艺条件。

1-塔顶摩尔分数；2-再沸器热负荷；3-冷凝器热负荷图4 回流比的影响Fig.4 Effect of reflux radio on separation performance

由图5可得，当离子液体的进料位置下移，塔顶产品的质量分数逐渐减小，再沸器热负荷先不变后减小，冷凝器热负荷先不变后增加。综合考虑，第3块塔板为离子液体最优的进料位置。

1-塔顶摩尔分数；2-再沸器热负荷；3-冷凝器热负荷图5 离子液体进料位置的影响Fig.5 Effect of solvent feed stage on separation performance

1-塔顶摩尔分数；2-再沸器热负荷；3-冷凝器热负荷图6 原料进料位置的影响Fig.6 Effect of mixture feed stage on separation performance

图6显示了原料混合物进料位置对分离效果以及能耗的影响。由图可得，当原料进料位置高于第11块塔板时，随着原料进料位置下移，塔顶产品质量分数增多；当原料进料位置低于第11块塔板时，塔顶产品质量分数先不变后减小。再沸器热负荷随着原料进料位置下移先增加后几乎不变；冷凝器热负荷随着原料进料位置下移先减小后增加。综上所述，第11块塔板为原料最佳进料位置。模拟结果均列于表3中。

表3 萃取精馏模拟结果Table 4 The result of extractive distillation simulation

表3(续)

3 结论

以离子液体[EMIM][BF4]为萃取剂分离异丙醇-乙腈共沸物系，使用Aspen Plus软件对精馏过程进行了模拟与参数优化，探讨不同工艺条件对分离效果以及能耗的影响。其中，萃取精馏塔最佳工艺参数为：溶剂比为1.6，全塔理论板数为26块，离子液体与原料进料位置分别为第3块与第11块塔板，回流比为0.9；离子液体回收塔的最佳工艺参数是：全塔理论板数为7，回收液进料位置为第5块塔板，回流比为1.2。最终得到99.9%与99.8%质量分数的异丙醇与乙腈。说明[EMIM][BF4]可作为萃取剂，工业化应用于分离异丙醇-乙腈共沸物。