糠醛-水非均相共沸精馏分离工艺优化研究

刘伟 马羽红

（山东新华医药化工设计有限公司，淄博 255086）

糠醛-水非均相共沸精馏分离工艺优化研究

刘伟 马羽红

（山东新华医药化工设计有限公司，淄博 255086）

通过分析糠醛-水体系的热力学性质，设计了该体系非均相共沸精馏分离工艺流程。基于Aspen Plus工艺模型，提出了共沸精馏优化的思路和方法，为某工程分离糠醛-水体系提出了具有最优工艺参数及最小投资成本的工艺解决方案。优化方法可用于同类型工艺的工程设计，避免工程设计中过量放大的现象。根据所提出的工艺方案，工程实际生产达到了预定指标。

非均相共沸精馏；糠醛-水；优化

某工程在实际生产中需回收糠醛-水体系中的糠醛，并要求实现连续生产工艺。由于该体系易形成二元最低共沸物，普通精馏难以对其实现有效分离。非均相共沸精馏是利用物质之间相互溶解度较低的特点，通过设置分层器，使精馏过程中进行单相回流，从而实现分离和回收某一组分的单元操作。

本文借助Aspen Plus软件，在充分分析糠醛-水体系热力学性质的基础上，针对非均相共沸精馏工艺回收糠醛的方案进行工艺参数及设备参数的优化设计，从而达到以最小投资成本实现最优分离效果的目标。

1　热力学性质分析

1.1气液平衡

糠醛、水均为极性非电解质物质，且常温常压下均为液体，因此基于NRTL物性方法考察糠醛-水体系的热力学性质［1］。在0.1 MPa下糠醛-水体系的y-x曲线如图1所示。

图1　在0.1 MPa下的糠醛-水体系y-x图Fig.1 The y-x diagram of furfural-water system at 0.1 MPa

由图1可知：在0.1 MPa下，共沸物组成为42.49 %（糠醛质量分数）。本文所考察体系的糠醛质量组成为9.6 %，低于该物系共沸组成，若通过普通精馏分离，则塔顶馏出物为共沸物，塔底得到纯水。因此难以通过普通精馏实现企业对较高纯度糠醛产品的需求。

1.2液液气平衡

糠醛-水为部分互溶体系，利用Aspen Plus中的Decanter模块考察该体系的液液平衡相行为，结合二组分气液平衡相行为特征，绘制0.1 MPa下糠醛-水体系的T-x（y）液液气平衡相图如图2所示。

由图2可知：该物系最低共沸点为97 ℃；常压条件下，共轭两液相组成随温度（共沸点以下）变化微小，且相互溶解度较低。

通过以上热力学分析，确定工艺方案：利用该体系共沸点附近溶解度较低的特征，通过设置分层器，使得分层后水相回流，糠醛相作为产品采出。基于Aspen Plus工艺模型，提出共沸精馏优化的思路和方法，确定具有最优工艺参数及最小投资成本的工艺解决方案。

图2　在0.1 MPa下的糠醛-水体系T-x（y）图Fig.2 The T-x（y） diagram of furfural-water system at 0.1 MPa

2　模拟优化

2.1工艺流程

工艺进料量为15 086 kg/h，进料温度90 ℃，进料质量组成为9.6 %糠醛。要求分离得到的糠醛产品纯度达到90 %以上，塔底废水中糠醛含量0.01 %以下。

2.2优化模型方法

图3　工艺流程Fig.3 The flow-sheet of process

2.2.1费用模型

设备投资和操作成本按Turton等［2］提供的费用模型进行计算。该精馏系统设备投资可优化项为塔和换热器。操作成本涉及冷凝器与再沸器操作使用的冷却水和低压蒸汽。操作时间按每年8 000 h计。

表1　费用模型Tab.1 The model of cost

2.2.2优化方法

工艺要求塔底废水中糠醛含量为0.01 %以下，即糠醛尽可能由塔顶采出。若恰按共沸物组成控制采出量（即V=3 412 kg/h），则即使很高的理论板数仍无法实现塔底物流含量要求。因此，序贯迭代优化程序的采出量赋值应高于3 412 kg/h，具体优化程序总结如下：

（1）暂定采出量V，优化确定达到纯度要求所需的最少总理论塔板数NT及进料位置NF；

（2）采出量V一定，则能耗和换热器设备成本一定。因此当NT及NF确定时，影响设备成本的因素即为板间距LD及塔径ID。利用费用模型确定该采出量下使塔设备成本最小的LD和ID，计算此时的年度总费用；

（3）改变V，重复步骤1和2，比较不同采出量V所对应的年度总费用，确定优化的工艺参数。

2.3优化过程分析

2.3.1NT、NF的确定

V=5 100 kg/h时优化NT及NF：暂设定NT=35，NF=12，分析塔内液相组成分布曲线。

由图4可知：精馏段各塔板组成基本无变化，因此精馏段仅需给定很少的塔板数即可，设计为6块；提馏段组成变化较明显，由此判断影响该精馏体系分离效果的主要是提馏段塔板数，且提馏段仅需19块即可使糠醛含量达到0.01 %以下。

图4　各塔板液相组成分布Fig.4 The concentration distribution curves in liquid phase of stages in the column

因此设计总理论塔板数NT=25，NF=7。

2.3.2LD、ID的确定

板间距LD影响塔高及塔径的计算，因而直接影响塔设备成本的计算。在合理的板间距范围内，塔径随板间距增加而减小，但塔设备成本总体反映为随板间距增加而增加，即影响塔成本的主要因素是塔高。结合生产实际，板间距过小易发生液泛、雾沫夹带等现象，且考虑操作弹性，因此选择LD=0.4 m，对应ID=1.043 m。

图5　板间距对塔径、塔成本的影响Fig.5 The effect of stage-space on column diameter and cost

2.3.3优化采出量V

优化不同采出量V下的精馏工艺参数，结果如下：

（1）采出量低于5 080 kg/h时，塔底废水中糠醛含量高于0.01 %，且增加理论板数亦无法使其进一步降低。随采出量V增加，塔底废水中糠醛含量可明显降低，且达到指定含量所需的理论板数可稍有所减少。

图6　采出量V对塔底废水中糠醛含量的影响Fig.6 The effect of V on the furfural content in the bottom waste water

（2）塔底实现糠醛与水的分离是通过汽液平衡实现的，而塔顶实现糠醛产品采出的本质是液液平衡。因此通过该方法分离达到的糠醛产品纯度是分层器液液平衡相行为后的固有组成，不随采出量的变化而变化。

（3）由表2数据可知，随采出量增大所需塔板数有所减少，塔径仅微有增加，因此塔成本反映为随采出量增大而降低。换热器成本反映为随采出量增大而增加。因此，总设备投资呈现非单调趋势。

表2　不同采出量V使得塔底废水中糠醛含量达到0.01 %以下时至少需NTTab.2 The NTat least to meet the requirement of xB（糠醛）≤0.01 % under different V

（4）在合理的采出量范围内，根据各项成本数据趋势图，V在5 100 ～ 5 250 kg/h区间内的年度总费用更为经济。经核算，操作成本占年度总费用比重在80 %以上，因此能耗是年度总费用的主要决定因素。鉴于此，分析采出量对再沸器热负荷的影响趋势（如图9）：塔顶采出量在5 100 kg/h附近时，热负荷增加趋势相对平缓。且考虑一定的操作弹性后确定以采出量为5 200 kg/h时的优化工艺作为精馏方案。

图7　采出量对设备成本的影响Fig.7 The effect of V on the capital cost

图8　采出量对各项成本的影响Fig.8 The effect of V on the cost

图9　采出量对再沸器热负荷QE2的影响Fig.9 The effect of V on the heat-duty of reboiler QE2

2.4优化的工艺方案

由2.3节优化分析过程确定了较为节能经济的糠醛（9.6 %）-水体系非均相共沸精馏工艺方案。工艺参数信息如图10。

图10　优化的非均相共沸精馏工艺参数Fig.10 The optimized parameters in heterogeneous azeotropic distillation process

3　工业设计应用

在实际生产中，为回收某工艺中产生的一股水蒸气的热量，计划将其作为糠醛-水精馏装置再沸器的加热介质。经核算，该股蒸汽供热能力满足精馏装置供热需求；且其换热器均为已有设备，因此装置设计中主要考察塔的生产能力及塔设备成本。根据塔器工程设计应用的经验［3］，板式塔的空塔速度较填料塔高，因而生产能力较大，对于直径较大的塔，用板式塔重量较轻，造价较低，检修清理容易；板式塔中浮阀塔的突出优点是具有较大的操作弹性，因此该塔选用浮阀塔板。该装置设计的连续生产能力满足企业需求。

本装置优化设计思路可应用于此类非均相共沸物系的分离工程设计。

针对工程今后可能有进一步提高糠醛产品纯度的需求，优化工艺参数如图11。

该双塔工艺是在单塔工艺的基础上增设一塔，使分层器分层后的糠醛相进一步分离，该塔主要为提馏段，高纯度产品自塔底采出。

4　结束语

利用Aspen Plus软件，以NRTL为物性计算方法，以最小设备投资及能耗成本实现产品指标为目标，采用系统的优化方法，获得了非均相共沸精馏分离糠醛-水体系的最优工艺参数。采出量、塔板数分别通过影响能耗、设备投资进而影响年度总费用，设计中结合实际考察主要因素变量的影响，实现工艺的整体优化。本文不仅针对工程现实要求提出合理精馏工艺方案，并进一步为提高糠醛产品纯度提出双塔精馏工艺。

图11　高纯度糠醛产品非均相共沸精馏优化工艺参数Fig.11 The heterogeneous azeotropic distillation process parameters optimized to achieve furfural product with high purity

本文提出的共沸精馏优化的思路和方法可用于同类型工艺的工程设计，设计时可具体根据体系共沸组成及气-液-液平衡数据对其采出组成作出相应调整，以期达到以较小的能耗获得预期纯度产品的目标。

［1］CARLSON E C. Don't Gamble with Physical Properties for Simulations［J］. Chemical Engineering Progress， 1996， 92（10）：35-46.

［2］TURTON R， BAILIE R C， WHITING W B， et al. Analysis，Synthesis and Design of Chemical Processes［M］. 3rd Edition. Upper Saddle River， NJ： Prentice Hall， 2009：181-353.

［3］王抚华. 塔器的工程设计及应用［M］.西安： 陕西出版集团陕西人民出版社. 2009. 109-135.

Optimization Study of Furfural - water Inhomogeneous Phase Azeotropy Distillation and Separation Process

Liu Wei， Ma Yuhong
（Shandong Xinhua Pharmaceutical and Chemical Designing Co.， Ltd， Zibo 255086）

With the analysis of thermodynamics property of furfural - water medium， inhomogeneous phase azeotropy distillation and separation process for this medium was designed. Based on Aspen Plus process model， the idea and method of optimization for azeotropy distillation were presented. The process scheme with optimum process parameters and minimum investment cost was proposed for the separation of furfural - water mixture used in one project. This optimum method， which will avoid excess magnification in application， can be applied in the engineering designs for the processes with the type similar to mentioned herein. With the scheme presented， it had been proved that the planed objective in practical production was reached.

inhomogeneous phase azetropy distillation； furfural-water； optimization

TQ 460.6

A

2095-817X（2016）03-004-005

2015-12-21

刘伟（1967—），男，高级工程师，注册化工工程师，主要从事化工与医药工程工艺设计和项目管理工作。