连续萃取精馏分离环己烯-环己烷的模拟与优化

邓丽雪，董佃滨，姜荣泉，史勇春

连续萃取精馏分离环己烯-环己烷的模拟与优化

邓丽雪1，董佃滨1，姜荣泉1，史勇春2

（1. 山东科院天力节能工程有限公司，山东 济南 250101； 2. 山东天力能源股份有限公司，山东 济南 250101）

利用化工流程模拟软件Aspen Plus V8.6，以N, N-二甲基乙酰胺为萃取剂对环己烯-环己烷体系进行萃取精馏模拟及优化。通过灵敏度分析工具确定了环己烯萃取精馏塔的最佳工艺操作参数为：全塔采用74块理论板数，萃取剂进料位置在17块理论板，原料进料位置在第40块理论板，回流比为12.8，溶剂比为7.6，此时环己烯分离塔顶环己烯质量分数≤1.5%，萃取剂N, N-二甲基乙酰胺质量分数≤0.002 1%，塔釜环己烯回收率≥99.7%，满足工艺分离要求。对现有生产工艺进行了优化，优化后系统能耗降低了约9.6%。

模拟； 萃取精馏； 环己烯； 环己烷

环己醇是一种优良的中高沸点的重要化工原料，主要用于生产己二酸、己内酰胺和聚酰胺66，是酰胺类产品不可缺少的重要中间体[1]，同时也可用作油漆、虫胶、消毒剂、杀菌剂等领域。环己醇的生产按原料的不同可以分为苯和苯酚两种路线。目前世界上生产环己醇主要以苯路线为主导，苯路线因中间工艺不同又分为环己烷氧化法和环己烯水合法。环己烯水合法[2]是日本旭化成公司开发出来的新工艺路线，通过苯部分加氢得到环己烯[3-5]，进而由环己烯水合得到环己醇。此生产方法具有能耗低、更安全、产品品质高、副产品少、三废排放低等优点，已经成为目前工业生产环己醇的主流生产方法。其中环己烯水合法制环己醇的一道重要工序就是需要将环己烯与环己烷进行分离，得到高纯度环己烯。

常压下，环己烯、环己烷的沸点分别是83 ℃、80.7 ℃，二者沸点接近，普通精馏很难使其完全分离，需要特殊的精馏方法如共沸精馏、萃取精馏等[6-9]。与共沸精馏相比，萃取精馏能耗小，操作灵活，常用来解决分离近沸点和恒沸物系工艺带来的实际操作或经济上的问题。目前工业上通常以N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）为萃取剂的萃取精馏方法分离环己烯-环己烷，但是实际生产中存在溶剂比大、回流比大、能耗高等问题。本文利用化工流程模拟软件Aspen Plus V8.6对环己烯-环己烷进行模拟及优化，确定最佳工艺操作条件，有效降低装置能耗，为实际工业生产提供理论依据。

1 Aspen Plus模型建立

1.1 工艺流程

连续萃取精馏分离环己烯-环己烷工艺流程如图1所示。其中T1塔为环己烯萃取精馏塔，萃取剂为DMAC，在塔上部加入；原料为环己烯和环己烷的混合液，在塔的中部加入。在T1塔顶部得到符合产品纯度的环己烷产品，塔釜得到DMAC和环己烯混合物进入环己烯精制塔（T2）。在T2塔顶得到纯度较高的环己烯产品，塔釜得到DMAC。DMAC经过冷却器（HEATER）冷却后通过泵（P）加压后送入混合器（MIX）与新鲜萃取剂（DMAC1）混合后进入T1塔循环使用。

本模拟以T1塔为主要研究对象，利用化工流程模拟软件Aspen Plus V8.6对环己烯-环己烷体系进行模拟及优化，确定最佳操作参数，为实际生产提供理论指导。

图1 连续萃取精馏分离环己烯-环己烷的工艺流程图

1.2 原料组成

环己烯萃取精馏塔模拟操作条件详见表1。

表1 环己烯萃取精馏塔工艺模拟操作条件

1.3 分离要求

环己烯萃取精馏塔分离要求为塔顶环己烯质量分数≤1.5%，DMAC质量分数≤0.002 1%；塔釜环己烯回收率≥99.7%。

2 结果与分析

2.1 理论板数的影响

理论上理论板数越多分离效果越好，但是理论板数的增加又导致设备投资费用的增大，造成资源浪费。因此选用合理的理论板数至关重要。保持其他条件不变，通过灵敏度分析（Sensitivity），考察理论板数对分离结果的影响。模拟结果如图2所示。

图2 理论板数对分离结果的影响

由图2可知，塔顶环己烯质量分数随着理论板数的增加而减小，塔顶DMAC质量分数随着理论板数的增加而增大。当理论板数增加到74块时，塔板数的增加对分离结果的影响不再显著，此时均满足分离要求。综合考虑最佳理论板数选取为74块。

2.2 萃取剂进料位置的影响

在萃取精馏中，萃取剂进料位置对分离结果有着较大的影响。理论上萃取剂进料位置越高越好，使萃取剂在塔内的每块板上都有一定的液相，与上升蒸汽接触，改变组分间的相对挥发度，分离效果越好。但是还应保证塔顶轻组分中不含或仅含有微量萃取剂，所以塔顶还需要留出几块塔板回收萃取剂[6]。在采用74块理论板数，其他操作参数不变的情况下，通过灵敏度分析（Sensitivity），考察萃取剂进料位置对分离结果的影响。模拟结果如图3所示。

图3 萃取剂进料位置对分离结果的影响

由图3可知，塔顶环己烯质量分数随着萃取剂进料位置的增加而增加，塔顶DMAC质量分数随着萃取剂进料位置的增加而减小。当萃取剂进料位置大于17块板时，萃取剂进料位置的增加对塔顶DMAC质量分数的影响不再显著，而塔顶环己烯质量分数急剧增加。综合考虑选取第17块理论板为萃取剂最佳进料位置。

2.3 原料进料位置的影响

原料进料位置影响精馏塔内的气液相平衡，从而影响分离效果。在全塔采用74块理论板数，萃取剂进料位置为17块板时，其他操作参数不变的情况下，通过灵敏度分析（Sensitivity），考察原料进料位置对分离结果的影响。模拟结果如图4所示。

图4 原料进料位置对分离结果的影响

由图中4可知，随着原料进料位置的增大，塔顶环己烯质量分数是先减小后增大的过程，当进料位置在40块塔板时，环己烯的质量分数达到最小值；同时塔顶DMAC的质量分数是先增大后减小的过程，当进料位置在40块塔板时，DMAC满足分离要求。综合考虑选取第40块板为原料最佳进料位置。

2.4 回流比的影响

回流比是影响精馏塔操作费用和投资费用的重要因素，对于一定的分离任务而言，应选择适宜的回流比。在全塔采用74块理论板数，萃取剂进料位置为17块板，进料位置在40块塔板，其他操作参数不变的情况下，通过灵敏度分析（Sensitivity），考察回流比对分离结果的影响。模拟结果如图5所示。

图5 回流比对分离结果的影响

由图5可知，随着回流比的增大，塔顶环己烯和DMAC的质量分数均呈现出下降趋势，说明增大回流比利于混合体系的分离。另一方面增大回流比会使再沸器热负荷增大，同时设备尺寸变大，增加了精馏塔的操作费用和设备制造费用。在满足分离要求的条件下，综合考虑选取最佳回流比为12.8。

2.5 溶剂比的影响

在萃取精馏中，萃取剂的加入可改变轻重组分的相对挥发度，使分离更容易进行。理论上萃取剂越多，轻重组分的相对挥发度越大，物料越容易分离。但是萃取剂的增加会使再沸器热负荷增大，塔板效率下降等不利影响。而且萃取剂的回收也需要消耗更多能量，导致能耗和生产成本的增加。因此选取合适的溶剂比非常重要。在全塔采用74块理论板，萃取剂进料位置为17块板，进料位置在40块塔板，回流比为12.8时，通过灵敏度分析（Sensitivity），考察溶剂比对分离结果的影响。模拟结果如图6所示。

图6 溶剂比对分离结果的影响

由图6可知，塔顶环己烯质量分数随着溶剂比的增加而减小，塔顶DMAC质量分数随着溶剂比的增加而增大。当溶剂比增大到7.2时，二者质量分数的变化趋势趋于平稳，均满足分离要求，故确定最佳溶剂比为7.2。

3 优化后的能耗分析

在满足分离要求的条件下，改变溶剂比和回流比，得到环己烯萃取精馏塔能耗见表2。

表2 环己烯萃取精馏塔能耗对比

由表3可知，萃取精馏塔再沸器热负荷与优化前相比节约了约9.6%的能耗，可有效降低精馏塔的操作成本，提高经济效益。

4 结 论

本文利用化工流程模拟软件Aspen Plus V8.6，以DMAC为萃取剂对环己烯-环己烷进行模拟与优化，得到了环己烯萃取精馏塔的最佳操作参数，为实际生产提供了理论依据，具体分析结果如下：

1）全塔理论板数为74块，萃取剂（DMAC）进料位置为17块塔板，原料进料位置为40块塔板，回流比为12.8，溶剂比为7.2时，环己烯萃取精馏塔顶环己烯质量分数≤1.5 %，萃取剂（DMAC）质量分数≤0.002 1%，塔釜环己烯回收率≥99.7%，满足分离要求。

2）与传统工艺相比，在优化后回流比为12.8，溶剂比为7.2时，能耗降低了约9.6%，可有效降低生产成本，提高经济效益。

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Simulation and Optimization of Continuous Extractive Distillation Process for Separation of Cyclohexene and Cyclohexane System

1,1,1,2

（1. Shandong Keyuan Tianli Energy Saving Engineering Co., Ltd., Shandong Jinan 250101, China; 2. Shandong Tianli Energy Co., Ltd., Shandong Jinan 250101, China）

Aspen Plus V8.6 chemical process simulation software was used to simulate and optimize the process of extractive distillation for cyclohexene and cyclohexane system with dimethylacetamide as extractant. The optimal condition for the cyclohexene extractive column was determined as follows by using sensitivity analysis module: the theoretical stage number 74, the extractant feed stage 17, the mixture feed stage 40, the reflux ratio 12.8, the mass ratio of extractant to mixture 7.6. Under above condition, the mass fraction of cyclohexene on the top of cyclohexene separation column wasless than 1.5%, the mass fraction of dimethylacetamide wasless than 0.0021%, and the recovery rate of cyclohexene on the bottom of the column was more than 99.7%. The energy consumption of the system was reduced by 9.6% after the optimization.

Aspen Plus simulation; Extractive distillation; Cyclohexene; Cyclohexane

2020-03-18

邓丽雪（1983-），女，中级工程师，硕士，山东聊城人，2010年毕业于南开大学无机化学专业，研究方向：从事化工工程设计工作。

TQ028.3

A

1004-0935（2020）07-0840-04