目錄叔丁醇水分離過(guò)程工藝計(jì)算研究摘要叔丁醇在有機(jī)化工中是很重要的一種原料，可以溶解于多數(shù)的有機(jī)溶劑里，例如酮、酯、醇、脂肪烴和芳香族烴等。在叔丁醇分子上的羥基被取代的最容易，叔丁醇同樣是特別重要的烷基化劑，普遍用在了藥物的制造、農(nóng)作物藥物、各種輔助用劑以及精細(xì)化學(xué)品的制造和生產(chǎn)當(dāng)中[22]。叔丁醇在這種特性下，同時(shí)也應(yīng)用于除蠟劑、氯烴的穩(wěn)定劑、變性酒精等方面。本文研究課題針對(duì)叔丁醇-水共沸物分離技術(shù)工藝問(wèn)題進(jìn)行了深入的設(shè)計(jì)和研究,設(shè)計(jì)了叔丁醇-水共沸物的分離技術(shù)工藝,完成了分離工藝的方案設(shè)計(jì),萃取劑選擇,物性的計(jì)算,以及對(duì)精餾技術(shù)的主要器械和設(shè)備參數(shù)的計(jì)算等問(wèn)題。對(duì)于叔丁醇-水蒸餾分離技術(shù)工藝的可靠性進(jìn)行仿真和模擬優(yōu)化主要依靠AspenPlus軟件,研究理論中塔板的數(shù)量、原料以及二次萃取中溶劑的最小進(jìn)料量和位置、最小溶劑回流比、、溶劑回流比(s/f)在進(jìn)行萃取劑水精餾分離工藝模擬優(yōu)化進(jìn)行過(guò)程當(dāng)中所可能產(chǎn)生的主要影響。證明乙二醇是一種高效、經(jīng)濟(jì)、易得的綠色溶劑。為用水+叔丁醇共沸物分離工藝本研究供應(yīng)了牢靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論根基。關(guān)鍵詞：叔丁醇；共沸物；精餾塔；Aspen目錄1緒論 緒論1.1叔丁醇性質(zhì)及用途2-甲基-2-丙醇（tert-Butanol），味道如同樟腦。它是一種無(wú)色透明的液體或無(wú)色晶體，在室溫下很容易冷卻[22]。叔丁醇，沸點(diǎn)82.8℃，吸濕，可與水混合形成共沸混合物。易揮發(fā)，易燃，有毒，易溶于各種有機(jī)溶劑[22]。越來(lái)愈多的人們對(duì)于能源的需求度大大增加。酒精可用作單一燃料或與汽油、柴油按一定比例混合[3]，叔丁醇可代替甲基丁醇（MTBE）除了能提高汽油的辛烷值外，還可用作內(nèi)燃機(jī)化油器的防凍劑[22]。叔丁醇最近被用于甘油的基本處理，提取的叔丁醇甘油醚是一種很有前途的柴油氧添加劑，但是叔丁醇中的水含量有限。叔丁醇是有機(jī)合成的中間產(chǎn)物，也是生產(chǎn)叔丁基化合物的烷基化劑。特別是對(duì)于芳香烴和酚類(lèi)，它能產(chǎn)生許多精細(xì)化學(xué)品，如醫(yī)藥、農(nóng)藥和各種添加劑。叔丁醇可溶于醇、酮、酯、芳烴和脂肪。叔丁醇的這些性質(zhì)使其廣泛應(yīng)用于除蠟劑、變性醇加溶劑、氯烴穩(wěn)定劑等領(lǐng)域[22]。最重要的生產(chǎn)方法有：異丁烯硫酸法、異丁烯直接水法、環(huán)氧丙烷聯(lián)產(chǎn)法等。但是，這些生產(chǎn)方法必須針對(duì)水+叔丁醇共沸物進(jìn)行優(yōu)化。在353.06k條件下，水與叔丁醇的混合物在常壓下具有最低共沸點(diǎn)，萃取精餾作為一種特殊的精餾方法，用于水與叔丁醇的分離，是完善這一體系的有效方法[22]。1.2分離方法共沸精餾：圖1.2共沸精餾模擬計(jì)算流程圖Fig.1.2Flowchartofazeotropicrectificationsimulation圖1.2模擬了共沸精餾塔的工藝過(guò)程。進(jìn)料條件與其他精餾工藝相同，先是由C1塔的一塊板進(jìn)入原料混合物，水從塔底出來(lái)，共沸物從塔頂蒸出。之后進(jìn)入C3塔并且進(jìn)行精餾，液相部分流出，并且有兩部分，一部分再回到C1塔，另一部分回流至C2塔，然后由一個(gè)熱交換器回流至分相器，分相后，油相回流至C3塔，水相回流至C1塔。萃取精餾：向需要分離開(kāi)來(lái)的組分之中添加萃取劑，將之前組分的相對(duì)揮發(fā)度進(jìn)行了改變，便能達(dá)到分離的效果。但是前提是需要原料液中各組分的沸點(diǎn)?。迹驾腿┑姆悬c(diǎn),同時(shí)不能和其他的組分形成恒沸液。萃取物的精餾經(jīng)常被應(yīng)用于各物質(zhì)組分之間萃取揮發(fā)性濃度很相近的礦物溶液。1.3AspenPlus模擬技術(shù)AspenPlus化學(xué)模擬軟件系統(tǒng)是美國(guó)發(fā)明制造的一種功能強(qiáng)大的大型化學(xué)模擬軟件。在幾十年的沉淀過(guò)程中，該軟件越來(lái)越成熟，并且普遍的應(yīng)用于化工領(lǐng)域，同時(shí)在化工方面的貢獻(xiàn)很大，得到了業(yè)內(nèi)一致好評(píng)。依靠著精準(zhǔn)的計(jì)算和成熟的模擬系統(tǒng)，軟件可以對(duì)整個(gè)裝置和設(shè)計(jì)的工藝過(guò)程進(jìn)行計(jì)算?；て髽I(yè)依靠該軟件對(duì)裝置進(jìn)行模擬優(yōu)化和提前評(píng)估，提前計(jì)算了工藝流程產(chǎn)生的各項(xiàng)指標(biāo)，便能對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行評(píng)估和改造。那么就可以降低運(yùn)行成本和設(shè)備功耗，從而大大降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)的利潤(rùn)?；ば袠I(yè)軟件仿真系統(tǒng)一般過(guò)程包括系統(tǒng)仿真、優(yōu)化、靈敏度仿真分析和整個(gè)系統(tǒng)仿真綜合,其中最重要的部分是系統(tǒng)仿真優(yōu)化系統(tǒng)[15]。AspenPlus是工業(yè)發(fā)展過(guò)程中最完善、最具有物性系統(tǒng)同樣也是最具科學(xué)代表性的軟件。同時(shí)，應(yīng)用于對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化化工過(guò)程起到了不可或缺的部分并且能廣泛使用，使得其成為化工中計(jì)算機(jī)輔助模擬軟件的佼佼者。Aspen軟件能以多種方式模擬工廠的精餾過(guò)程，并能對(duì)模擬結(jié)果和實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)比較，從而更好地識(shí)別實(shí)際化工生產(chǎn)中的問(wèn)題，并作出改進(jìn)。裝置參數(shù)。由于經(jīng)驗(yàn)引起的操作波動(dòng)，提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)會(huì)大大減少，操作成本也會(huì)進(jìn)一步降低。另外，在Aspen軟件中模擬氣體分離裝置運(yùn)行，可模擬丙烯蒸餾塔來(lái)確定高負(fù)荷下丙烯塔運(yùn)行瓶頸。丙烯塔在設(shè)備改造、操作條件優(yōu)化后，能適應(yīng)高負(fù)荷、大產(chǎn)能的生產(chǎn)要求，并且能降低很多不必要的能耗，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。1.4本文內(nèi)容叔丁醇在化工生產(chǎn)中承擔(dān)著重要的角色，用作溶劑或者中間原料。在諸多化工場(chǎng)景層見(jiàn)疊出，純度非常高的叔丁醇在制造過(guò)程中很重要的一步便是脫水精制，但是叔丁醇-水的共沸物很容易產(chǎn)生。所以對(duì)于其如何有效的分離，化工領(lǐng)域做出了大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究。普通的精餾工藝并不能很好的有效分離?；ゎI(lǐng)域所存在的分離水-叔丁醇共沸物的主要方式有：鹽析法、共沸精餾、吸附精餾、萃取精餾、滲透汽化和吸附法等[7]。本論文目的在于設(shè)計(jì)共沸精餾塔和萃取精餾塔，模擬并優(yōu)化結(jié)果，得出用于工業(yè)化分離更加經(jīng)濟(jì)、分離效率更高、成本更低的叔丁醇水分離工藝。2模擬優(yōu)化本文采用SQP算法對(duì)多變量?jī)?yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了較好的求解。近幾年來(lái),許多模型科學(xué)家對(duì)此搜索方法應(yīng)用進(jìn)行了深入性的研究,并將其廣泛應(yīng)用于模型信任域、模型內(nèi)點(diǎn)搜索、圖象域和內(nèi)點(diǎn)搜索算法等科學(xué)領(lǐng)域。SQL這是一種二次優(yōu)化規(guī)劃(QP)優(yōu)化算法,它把一個(gè)約束非線性二次優(yōu)化規(guī)劃問(wèn)題簡(jiǎn)化成一個(gè)約束非線性二次規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題。其基本設(shè)計(jì)思想方向是:在每一次迭輪交代中,通過(guò)依次求解一個(gè)或多個(gè)二次目標(biāo)規(guī)劃子集的問(wèn)題即可來(lái)最終確定一個(gè)目標(biāo)規(guī)劃函數(shù)的向下迭代方向,減小最大值目標(biāo)函數(shù)可以得到迭輪交代的時(shí)間長(zhǎng)度,然后再次重復(fù)上述兩個(gè)步驟,直至最終求解并給出不應(yīng)該非線性二次規(guī)劃的子問(wèn)題[23]。非線性約束的最優(yōu)化問(wèn)題描述：使用Taylor等來(lái)展開(kāi)例如在迭代點(diǎn)X(k)上關(guān)于構(gòu)造二次函數(shù)規(guī)劃子集的問(wèn)題,將一個(gè)目標(biāo)約束函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化后作為二次約束函數(shù),并將目標(biāo)約束后的函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化后放到二次函數(shù)規(guī)劃中[23],如下所示:將上述問(wèn)題變成關(guān)于變量d的問(wèn)題以d(k)為最優(yōu)解，得到下一個(gè)迭代點(diǎn)。通過(guò)重復(fù)該過(guò)程，得到原始問(wèn)題的最優(yōu)解。那是SQP算法的基本思想。2.1分離方法的選擇目前，報(bào)道的分離水+叔丁醇體系的主要方法有：鹽析法、共沸精餾、吸附精餾、萃取精餾、滲透汽化和吸附法等[7]。本章利用其他特殊精餾方法將叔丁醇-水共沸混合物分離，依靠之前學(xué)者們所用到的普通常規(guī)精餾方法進(jìn)一步改進(jìn)工藝流程，摸索效率更高的分離方式。在此提出共沸精餾塔和萃取精餾塔來(lái)對(duì)該共沸物進(jìn)行分離，用到了隔壁塔中雙塔熱力學(xué)方法的等價(jià)模型對(duì)經(jīng)濟(jì)成本和全動(dòng)態(tài)控制模擬分析；在此基礎(chǔ)之上對(duì)萃取精餾分離該物系進(jìn)一步研究，針對(duì)不同的進(jìn)料情況，提出一種脫水段進(jìn)料的萃取精餾隔壁塔流程，并與原流程進(jìn)行對(duì)比分析和動(dòng)態(tài)控制研究。2.2萃取劑的選擇如何選取性能優(yōu)良的萃取劑是非常關(guān)鍵的一步，要求如下：（1）沒(méi)有腐蝕作用，保護(hù)設(shè)備，（2）不會(huì)和進(jìn)入的原料產(chǎn)生反應(yīng)，（3）對(duì)于溫度的改變有很好的穩(wěn)定性，（4）經(jīng)濟(jì)優(yōu)惠降低成本，（5）不會(huì)產(chǎn)生有害物，保護(hù)環(huán)境。同時(shí)，要選取合適的萃取劑，要保證有很高的沸點(diǎn)，并且需要該萃取劑很難揮發(fā)，避免從塔的頂部揮發(fā)出去造成浪費(fèi)和效率的降低。第二，能在分離系統(tǒng)中起到很好的選擇作用，大大的增加物質(zhì)的相對(duì)揮發(fā)度。低共晶溶劑的優(yōu)點(diǎn)：（1）不具有毒性，（2）蒸汽壓低，（3）不需要人為降解，（4）易于溶解，（5）能有效地進(jìn)行導(dǎo)電，（6）良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。窗子很寬。它的濃度和粘度一般比離子液體小，生產(chǎn)制備便捷，造價(jià)便宜，容易講解，并且原子能夠全部利用起來(lái)用于合成。與無(wú)機(jī)鹽和其它常規(guī)共沸劑相比，它具有顯著的優(yōu)越性[22]；因此，采用共晶溶劑作為萃取劑來(lái)分離水共沸體系的應(yīng)用非常廣闊和重要。萃取精餾工藝過(guò)程中第一步，也是最重要的一步便是選好萃取劑，選取萃取劑沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)統(tǒng)一的要求標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)是依據(jù)要分離什么溶液中，該溶液組分的物系性質(zhì)來(lái)定奪[15]。設(shè)計(jì)中依借各物質(zhì)的介電常數(shù)來(lái)表明極性的大小，對(duì)萃取劑進(jìn)行初步的選擇。表2.2給出了待分離組分中不同物質(zhì)和需要的各種萃取劑的介電常數(shù)和沸點(diǎn)。根據(jù)前人研究，當(dāng)萃取劑和物系中的組分極性靠近時(shí)，便能與重組分互相產(chǎn)生作用，或者說(shuō)是偶極與偶極之間作用，在這種情況下，原有組分之間的作用就會(huì)降低，提高了揮發(fā)程度，因此萃取劑和分離物系的介電常數(shù)盡可能的保持靠近，該物系的重組分是水，因?yàn)榉悬c(diǎn)最高，需要選擇的萃取劑暫定為以下四種：乙二醇（EG）；二甲亞砜（DMSO）；環(huán)丁砜（Sulpholane）和丙三醇（Glycerol）。表2.2各種萃取劑和待分離組分的介電常數(shù)和沸點(diǎn)介電常數(shù)沸點(diǎn)/℃ET25.782.50TBA11.578.32Water78.5100EG38.7197.85DMSO48.9189環(huán)丁砜43.3287.31,2-丙二醇32.0187.31,3-丙二醇35.0214丙三醇42.5290.9Table2.2Dielectricconstantandboilingpointofeachcomponentinthesystemtobeseparatedandcommonextractant用Aspenplus軟件計(jì)算并繪圖，將各萃取劑添加進(jìn)溶劑比都是1：1的水-乙醇、水-叔丁醇和乙醇-叔丁醇三個(gè)物系，得到了這三種物系的汽液平衡組成。如圖2.2所示：在圖(a)中水-乙醇物系中，乙二醇、環(huán)丁砜和丙三醇四個(gè)物系中的相對(duì)揮發(fā)度或多或少有了直接的變化，其中二甲亞砜（DMSO）的變化在四者里最為不明顯。在圖(b)中水-叔丁醇物系中，明顯看出二甲亞砜和丙三醇變化最為明顯，能夠高效的提高組分的相對(duì)揮發(fā)度，乙二醇的效果一般，而環(huán)丁砜沒(méi)什么變化。在圖(c)中乙醇-叔丁醇物系中，除了二甲亞砜效果比較差以外，其他三者對(duì)組分相對(duì)揮發(fā)度較好的增加。所以經(jīng)過(guò)三圖分析得出，乙二醇和丙三醇分離效果比較不錯(cuò)，但另一方面可知丙三醇有著較高的沸點(diǎn)（290.9℃），結(jié)合需要環(huán)保和熱工程因素，得到了最終對(duì)萃取劑的選擇：乙二醇[20]。圖2.2常壓下不同萃取劑存在下的待分離物系汽液平衡相圖（a）水-乙醇；（b）水-叔丁醇；（c）乙醇-叔丁醇Fig.3.2Vapor-liquidequilibriumphasediagramofthesystemtobeseparatedinthepresenceofdifferentextractantsatatmosphericpressure(a)Water-ethanol;(b)water-tert-butylalcohol;(c)Ethanol-tert-butanol2.3物性方法的選擇乙醇-叔丁醇-水體系是典型的醇-水共沸體系，但存在著較大的缺陷。所以選擇物性的方法起到了關(guān)鍵的作用來(lái)提高模型用來(lái)計(jì)算的準(zhǔn)確程度。有三種模型適合該體系，NRTL、UNIQUAC和Wilson模型[17]。下圖2.3顯示了使用AspenPlus中內(nèi)置的二元相互作用參數(shù)的UNIQUAC模型計(jì)算的氣液平衡數(shù)據(jù)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差別。根據(jù)圖中實(shí)際走線與模型走線軌跡趨勢(shì)基本符合。所以采用UNIQUAC模型計(jì)算該物系的物性數(shù)據(jù)。圖2.3汽液平衡相圖（a）水-乙醇；（b）水-叔丁醇；（c）乙醇-叔丁醇Fig.3.1Vapor-liquidequilibriumphasediagram(a)Water-ethanol;(b)water-tert-butylalcohol;(c)Ethanol-tert-butanolUNIQUAC方程：其中：2.4模擬的工藝流程圖圖2.4共沸精餾模擬計(jì)算流程圖Fig.2.4Flowchartofazeotropicrectificationsimulation圖2.4模擬了共沸精餾塔的工藝過(guò)程。進(jìn)料條件與其他精餾工藝相同，先是由C1塔的一塊板進(jìn)入原料混合物，水從塔底出來(lái)，共沸物從塔頂蒸出。之后進(jìn)入C3塔并且進(jìn)行精餾，液相部分流出，并且有兩部分，一部分再回到C1塔，另一部分回流至C2塔，然后由熱交換器（用來(lái)使熱量從熱流體傳遞到冷流體）回流至分相器，分相后，油相回流至C3塔，水相回流至C1塔。2.5塔的工藝條件優(yōu)化圖2.5共沸精餾塔Fig.2.5Azeotropicrectificationtower圖2.5是共沸精餾塔的真實(shí)模型。圖I、II、III三個(gè)部分分別對(duì)應(yīng)C1、C2、C3塔，見(jiàn)圖2.4。分選系數(shù)的比值是部分液相流進(jìn)入列的主要部分的流動(dòng)液總量與總蒸餾液總量的比例。NT1、NT2、NT3分別是C1、C2、C3列的理論板號(hào)；NF、Naq是初始進(jìn)料位置和水相位置；BR1、BR2是柱C1的再沸系數(shù)。C2作為SL的液相分離系數(shù)；ωH2o-摩爾水的純度，ωT-BUT是叔丁醇的摩爾純度。本節(jié)根據(jù)圖2.3所示對(duì)共沸精餾塔工藝流程參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，整改了各板塊的理論塔板數(shù)量和進(jìn)料的多少，來(lái)優(yōu)化共沸精餾塔存在的量的變化以及產(chǎn)生的牽連作用。進(jìn)料、定位、共沸加料位置、液相分離率、再沸率。圖2.6優(yōu)化流程Figure2.6Optimizationprocess2.5.1共沸塔1）C1理論板數(shù)通過(guò)繪制圖表，將不同的C1塔的理論塔板數(shù)NT1、原料進(jìn)料位置NF、水相進(jìn)料位置Naq代入，進(jìn)行變化操作。隨著三個(gè)條件的變化，觀察TAC和H2O的摩爾分?jǐn)?shù)如何變化。初始理論塔板數(shù)設(shè)為1，記錄在該理論塔板數(shù)下NF和Naq的最優(yōu)值，同時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄比對(duì)分析，所得結(jié)果如圖2.7所示。圖2.7NT1、NF、Naq對(duì)TAC和水的摩爾分?jǐn)?shù)的影響Fig.2.7EffectsofNT1,NFandNaqonthemolefractionofTACandwater圖2.7中：紅線是NT1和水摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線，中黑線是NT1和TAC的關(guān)系曲線，同時(shí)對(duì)應(yīng)著不同的NF和Naq。當(dāng)理論塔板數(shù)為6,原料進(jìn)料位置在3,水相進(jìn)料位置在4時(shí)，可以用水來(lái)分離，水的摩爾分?jǐn)?shù)大并且TAC也很小。2）C2理論板數(shù)同樣操作于C2塔，通過(guò)繪制模擬圖標(biāo)，變化C2塔的理論塔板數(shù)，觀察叔丁醇摩爾分率的變化。C2理論板數(shù)圖2.8C2理論板數(shù)與產(chǎn)品純度之間的關(guān)系Fig.2.8RelationshipbetweentheoreticalnumberofC2platesandproductpurity黑線為產(chǎn)品純度和塔板數(shù)的關(guān)系，紅線為水的純度和塔板數(shù)的關(guān)系。隨著C2塔板數(shù)目的增加，叔丁醇的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增大，如圖2.8所示。因?yàn)榉蛛x要求要是產(chǎn)品的純度＞0。9990，通過(guò)觀察橫坐標(biāo)C2塔板數(shù)在32時(shí)，此時(shí)叔丁醇的摩爾分?jǐn)?shù)符合要求。而水的純度一直保持不變，并不會(huì)受到影響，因?yàn)榇蟛糠炙贑1塔蒸出后會(huì)與乙二醇共沸或進(jìn)行回收再利用，不能進(jìn)入C2塔。3）液相分流比此共沸高壓精餾塔同時(shí)增加了液相回流分離比,不同的是應(yīng)當(dāng)注意折流板兩側(cè)在塔頂回流的比例。當(dāng)其它分離條件相同時(shí),調(diào)整丁醇液分比,改變?cè)俜新氏嚓P(guān)值，達(dá)到符合分離的條件。為達(dá)到給定叔丁醇與蒸餾水的額定分離溫度要求,觀察了丁醇冷凝器的液相比和分離比、再沸器、TAC等。圖2.9液相分流比對(duì)TAC的影響Fig.2.9InfluenceofliquidphasefractionalratioonTAC圖2.9中顯示，在液相分流比為0.90時(shí)，能達(dá)到TAC的最小值1.32左右。圖3.0液相分流比對(duì)能耗的影響Fig.3.0Influenceofliquidphasefractionalratioonenergyconsumption研究了分離系數(shù)與共沸蒸餾塔能耗之間的關(guān)系。如圖所示，C2塔的熱負(fù)荷隨著分流比提高而增加，C1塔反之則降低。因?yàn)镃2液相流速也會(huì)隨著分流的提高比而加快，冷凝器負(fù)荷也同時(shí)增加，而C1塔所需要流過(guò)的流量減小的話(huà)，需要的熱負(fù)荷也就隨之降低了。4）再沸比精餾塔的再沸比=。隨著提餾段分餾液流量的降低，增加了回流液的流量，即提高了回流率，再沸比與之相比相似，對(duì)成本和分離率起到關(guān)鍵性作用。圖3.1C1塔再沸比對(duì)水的摩爾分?jǐn)?shù)的影響Fig.3.1InfluenceofreboilingratioofC1toweronthemolefractionofwater圖3.1是C1塔再沸比水中摩爾分?jǐn)?shù)的變化。結(jié)果表明，隨著再沸比的增大，含水量逐漸增加；虛線標(biāo)注，當(dāng)摩爾分?jǐn)?shù)大于2.7時(shí)，水達(dá)到分離要求，摩爾分?jǐn)?shù)大于0.999，可見(jiàn)產(chǎn)物純度較高，但能耗較大。圖3.3C2塔再沸比對(duì)叔丁醇的摩爾分?jǐn)?shù)的影響Fig.3.3EffectofreboilingratioofC2toweronthemolefractionoftert-butanol根據(jù)上圖可以看出再沸比與叔丁醇摩爾分?jǐn)?shù)成正比例關(guān)系，由虛線標(biāo)出，當(dāng)叔丁醇完全達(dá)到要求時(shí)，C2塔的再沸比為6.3左右。2.5.2萃取塔的優(yōu)化常規(guī)雙塔萃取精餾流程如圖3.3所示，在25攝氏度時(shí)，將摩爾比例為1；5；4的TBA、ET、H2O在每小時(shí)100kmol的條件下進(jìn)料。C1塔為萃取精餾塔，在其中進(jìn)入TBA、H2O和萃取劑之后，TBA從頂部采出，H2O和萃取劑從塔釜采出，之后進(jìn)入C2塔。C2塔為脫水塔，經(jīng)脫水處理后頂部流出H2O，塔釜采出萃取劑。采出的多余萃取劑再次利用，重新進(jìn)入C1和C2塔。圖3.3叔丁醇-水萃取精餾流程圖Fig.3.3Flowchartoftert-butanol-waterextractivedistillation回流比的優(yōu)化：萃取精餾操作中的回流率舉足輕重，因?yàn)榛亓髀实母淖儠?huì)直接關(guān)系到塔頂產(chǎn)出物的濃度，也會(huì)牽連到再沸器產(chǎn)生的能耗，所以關(guān)系到了產(chǎn)出的結(jié)果和工作的成本消耗。圖3.4顯示了回流比對(duì)塔頂叔丁醇濃度和再沸器能耗的影響，塔板數(shù)定為40，給進(jìn)板數(shù)23時(shí)，當(dāng)回流比在1.1左右時(shí)，達(dá)到了產(chǎn)出物叔丁醇的濃度峰值。在1.1左側(cè)產(chǎn)出濃度隨回流比R的增大而增加。當(dāng)回流比R在1.右側(cè)1時(shí)，塔頂叔丁醇濃度出現(xiàn)相反的變化，如圖3.4a。原因之一是在產(chǎn)品萃取中溶劑的使用量一定的程度情況下,提高萃取回流比不僅可以有效提高用于塔頂上水產(chǎn)品的萃取濃度,而在一定的程度回流比繼續(xù)增大時(shí),則可能會(huì)導(dǎo)致使產(chǎn)品萃取在溶劑中的濃度繼續(xù)增大,從而獲得使用于塔頂?shù)乃a(chǎn)品對(duì)天然水的直接揮發(fā)度大大減小,因此,在一定大的程度上,繼續(xù)濃度增大時(shí)的回流比反而也會(huì)減少。如圖3.4b所示，回流比與再沸器能耗幾乎成直線正比例關(guān)系?；亓鞅仍酱?，回流塔的液體越多，自然需要增加更多的能耗。綜上所述，在回流比為1.1時(shí)，為最佳。圖3.4回流比對(duì)叔丁醇濃度（a）和再沸器能耗（b）的影響Fig.3.4Influenceofrefluxratioontert-butylalcoholconcentration(a)andreboilerenergyconsumption(b)進(jìn)料位置優(yōu)化：同樣的先是將塔板數(shù)定為40，改變進(jìn)料位置，觀察對(duì)叔丁醇濃度和再沸器能耗的影響，尋找最佳進(jìn)料位置[22]。從圖3.5a中可以看出，隨著NF增加，叔丁醇的濃度也同樣增加，直到進(jìn)料板數(shù)大于23時(shí)，叔丁醇的濃度能夠在0.999，如果再一味的繼續(xù)增加NF，產(chǎn)品濃度變化不大。如圖3.5b所示，能量消耗隨進(jìn)料塔板數(shù)量的增加而降低。但原料塔板數(shù)量過(guò)多，提餾段的塔板數(shù)量就減少了，叔丁醇的回收比就會(huì)降低，原因在于塔底不易揮發(fā)物的濃度降低。綜上所述，進(jìn)料塔板數(shù)為23為最佳。圖3.5恒沸物進(jìn)料位置對(duì)叔丁醇濃度（a）和再沸器能耗（b）的影響[22]Fig.3.5Influenceofazeotropicfeedinglocationontert-butylalcoholconcentration(a)andreboilerenergyconsumption(b)2.5.3分析結(jié)果對(duì)于分離叔丁醇-水共沸物的分析理論數(shù)據(jù)，給出了優(yōu)化后液相的具體數(shù)據(jù)和溫度的控制。圖3.6液相組成分布圖Fig.3.6Compositiondistributionofliquidphase圖3.8優(yōu)化后精餾塔結(jié)構(gòu)Fig.3.8Optimizeddistillationtowerstructure從C1塔各數(shù)據(jù)能看到，進(jìn)料位置和塔板數(shù)都是可行的?？梢詫⑺M(jìn)行分離，并且如圖3.8，水從C1塔底部流出。從C2塔各數(shù)據(jù)也能看到，叔丁醇在圖3.8的C2塔處也能夠很好的分離，均達(dá)到了工藝計(jì)算控制的規(guī)定，每一塔段的塔板數(shù)都是合理的。在叔丁醇-水分離工藝過(guò)程模擬計(jì)算與優(yōu)化后，對(duì)各理論板數(shù)、各組分進(jìn)料位置、塔設(shè)計(jì)的各項(xiàng)數(shù)以及功耗上進(jìn)行了優(yōu)化，最終的結(jié)果見(jiàn)表3.8所示。表3.8SQP優(yōu)化結(jié)果Table3.8SQPoptimizationresultsC1理論板數(shù)6液相分流比0.90C2理論板數(shù)32C1塔徑/m0.88Feed進(jìn)料位置4C2塔徑/m1.55Aqueous進(jìn)料位置4C1再沸器熱負(fù)荷/MW1.70C1塔再沸比3.01C2再沸器熱負(fù)荷/MW3.41C2塔再沸比6.29換熱器負(fù)荷/MW5.07恒沸物進(jìn)料位置23回流比1.1總塔板數(shù)40綜上，本次研究了精餾塔的塔板數(shù)、共沸物位置、溶劑比例(S/F)、回流比、萃取劑加入量等因素對(duì)乙二醇萃取水+叔丁醇的影響。進(jìn)料位置、溶劑進(jìn)料位置、工作壓力、溶劑進(jìn)料溫度、溶液進(jìn)料溫度、進(jìn)料狀態(tài)、進(jìn)料量等[22]。4塔的設(shè)計(jì)4.1塔高、塔徑、板間距的確定 （1）塔高塔頂空間高度：80cm，除霧器到汽提段噴嘴頂部的距離；130cm，塔頂空高度。裝載空間高度：100cm，在汽提段頂部至精餾段填料底部。塔的總體高度：筒體封頭17.5cm筒體高度精餾段和提餾段填料層高度為510cm，床控制器5cm，承重板4cm，液體再分流器22cm，除沫器12cm，液體分流器22cm，液體分流器上方空隙20cm，缸體與再沸器之間的過(guò)度筒節(jié)28cm，塔頂部空隙37cm。故筒體高度為660cm。再沸器高度240cm裙座高度190cm塔的總體高度為。（2）塔徑分塊式塔盤(pán)：因?yàn)樗綖?000mm＞800mm——干填料因子——液體粘度，——250Y型為0.291——液體氣體質(zhì)量流速，m/s——?dú)怏w、液體密度——重力加速度，（3）板間距將板間距定為50厘米，上液層高度為7厘米，差值得出43厘米。塔徑的計(jì)算還要用到空塔氣體的流動(dòng)速度u=（安全系數(shù)）×u（最大值）=（0.6-0.8）u（最大值）。u（最大值），史密斯關(guān)聯(lián)圖查出C。4.2理論塔板數(shù)的計(jì)算（1）相平衡方程如何獲得從手冊(cè)中獲得叔丁醇-水體系的汽液平衡數(shù)據(jù)，平均相對(duì)揮發(fā)度計(jì)算如下：α=2.475.所以相平衡方程是（2）計(jì)算進(jìn)料的液體分?jǐn)?shù)Q進(jìn)料溫度為25℃℃,泡點(diǎn)為92.31℃露點(diǎn)為98.94℃.所以所以q線方程為（3）求最小回流比及操作回流比。聯(lián)立q線與相平衡曲線方程的交點(diǎn)Q的坐標(biāo)為＝0.748，＝0.547故最小回流比為取操作回流比為（4）求精餾塔的氣、液相負(fù)荷（進(jìn)料：q=1.277）（5）求操作線方程精餾段操作線方程為提餾段操作線方程為（6）逐板法求理論板前面求得=2.475相平衡方程=0.991同理：表4.1理論塔板數(shù)1-9計(jì)算able4.1Theoreticaltraynumber1-9calculationynxnyn+110.9910.9780170.98243620.9824360.9576270.96830.9680.924370.94445440.9444540.8729340.90803750.9080370.7995780.85610160.8561010.7062080.78999570.7899950.6031610.71703880.7170380.5058940.64817390.6481730.4267260.592122因?yàn)椋季s段理論板。進(jìn)料板位置在第9塊塔板。同理：<所以提留段理論板表4.2理論塔板數(shù)10-16計(jì)算Table4.2Calculationoftheoreticaltraynumber10-16ynxnyn+1100.6481730.4267260.535515110.5355150.3177910.397277120.3972770.2103090.260882130.2608820.1248120.152386140.1523860.067720.079937150.0799370.0339130.037036160.0370360.0153020.013418則整塔板數(shù)（不含再沸器）。4.3實(shí)際塔板數(shù)計(jì)算（1）全塔效率的計(jì)算采用"的精餾塔效率關(guān)聯(lián)圖"將全塔效率關(guān)聯(lián)成的函數(shù)，近似式為液體平均粘度為（查表得各組分黏度=0.269，=0.277）（2）計(jì)算實(shí)際塔板數(shù)精餾段實(shí)際板層數(shù)提餾段實(shí)際板層數(shù)總實(shí)際板層數(shù)進(jìn)料板在第16塊板。4.4溢流裝置設(shè)計(jì)為防止從下降管底部漏出氣體，下降管必須具有一定液封高度。降池底至下塔板的距離H0應(yīng)小于溢池高度HW，一般HW-H0=6~12mm。但是，HW=20mm,H0=14mm，也就是HW-H0=6mm的設(shè)備的進(jìn)口，這是一個(gè)下限，給生產(chǎn)帶來(lái)很大的困難。不小心就會(huì)影響盤(pán)子的使用效率。當(dāng)堰高HW增大時(shí)，塔板上液層高度增大，壓降增大；如果h降低，流量將被阻斷，壓降將增加。因此，如果我們想通過(guò)提高h(yuǎn)w或降低h0來(lái)提高h(yuǎn)w-h0值，就有可能增加壓降，導(dǎo)致提前注水。另外，上清液層高對(duì)氣液接觸時(shí)間和流經(jīng)塔板的壓力降有直接影響。上清層高h(yuǎn)=溢流堰高度HW=溢流堰液流高度。但是這一點(diǎn)可以從方程式中得到[23]。溢流堰長(zhǎng)度：LW=（0.6-0.8）d，單溢流堰長(zhǎng)為0.7d=0.7×1.6=1.12出口堰高：堰上液層高度：降液管底隙高度：取液體通過(guò)降液管底隙的流速故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。4.5浮閥布置設(shè)計(jì)浮球閥有F1型、十字型、v-4型、a型、v-O型等多種形式，目前應(yīng)用最廣泛的是F1型（相當(dāng)于國(guó)外的v-1型）。F1型分為重型閥（代號(hào)Z）和輕型閥（代號(hào)q），分別由不同厚度的薄板制成。前者重約32克，最常用；后者適用于大容量、低阻力的系統(tǒng)，如真空塔。v-4型與F1型基本相同，除了有發(fā)光閥外,唯一的主要區(qū)別在于是裝在塔板上的排氣閥孔需要做成一個(gè)向下彎曲的達(dá)爾文丘里型,以有效減少惰性氣體通過(guò)整個(gè)閥孔的徑向阻力,主要用于真空塔。兩種閥孔的直徑為39mm。閥孔分為直線排列和交錯(cuò)排列，形狀一般是等邊三角形。中心孔距有很多種，多見(jiàn)的一般有75、100、125、150mm等。在交錯(cuò)排列的情況下，一般認(rèn)為兩相接觸的條件最好。對(duì)大塔體，采用塊式結(jié)構(gòu)，閥孔也可布置成等腰三角形，錯(cuò)開(kāi)不方便。在這種情況下，將底部大小不再變化。但是塔中氣體流速不穩(wěn)定，可以設(shè)置成一排重閥和一排輕閥，這樣塔的操作更為方便，更易變通。閥孔的氣速?zèng)Q定了浮閥數(shù)n，已知了氣體的流速和閥孔直徑。即可根據(jù)下式求得：氣體在節(jié)流孔中的速度通常取決于在節(jié)流孔中動(dòng)能系數(shù)。，是通過(guò)閥孔氣體的密度，是通過(guò)閥孔的速度。從提升效率、壓降和容量方面入手，表明當(dāng)閥門(mén)開(kāi)啟得剛剛完全時(shí)=8～12，因此閥孔氣體速度合適：①塔板分塊因D≥800mm，故塔板采用分塊式。查下表得，塔極分為4塊。表4.3分塊式塔板數(shù)目Table4.3Numberofblocktrays塔徑/mm800～12001400～16001800～20002200～2400分塊數(shù)目3456②邊緣穩(wěn)定區(qū)寬度的確定取WS=WS=0.10mWC=0.050m③浮閥數(shù)目，閥孔和塔板的設(shè)計(jì)動(dòng)能因子F0=12精餾段：浮閥在每一層塔板上的數(shù)目鼓泡面積：其中R=D/2–WC=1.6/2–0.05=0.75mx=D/2–（Wd+WS）=1.6/2–0.151=0.649m4.6冷凝器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)用到管殼式冷凝器以排出冷凝液。用氣凝水倒流，減少了液膜，提高了換熱系數(shù)，使用面積小，降低了材料成本。冷凝器的傳熱面積和冷卻水的用量：塔頂溫度℃冷凝水℃℃產(chǎn)品出口溫度℃則℃℃，氣體流量，密度取傳熱系數(shù)傳熱面積冷凝水流量4.6再沸器塔底溫度℃，用℃的蒸汽，釜液出口溫度℃根據(jù)工程實(shí)際，選擇傳熱系數(shù)為傳熱溫差℃氣體流量密度則當(dāng)℃時(shí)傳熱面積冷凝水流量5結(jié)論綜上所述，叔丁醇-水共沸體系中存在最小共沸點(diǎn)，所以對(duì)于丁叔丁醇如何快速有效的脫水有著很多的研究。本文的同樣是為叔丁醇在工業(yè)制造產(chǎn)生中研究更有利于分離的溶劑。展示了乙二醇在分離水和叔丁醇共沸體系中的汽液平衡行為。主要研究?jī)?nèi)容和心得如下：（1）以乙二醇為萃取劑，采用萃取精餾和共沸工藝，研究了理論塔板數(shù)、共沸物進(jìn)料位置、回流比、溶劑用量和溶劑用量對(duì)塔頂產(chǎn)品純度和再沸器熱負(fù)荷的影響。研究了水和叔丁醇共沸萃取精餾的基本操作條件。（2）采用共沸精餾塔分離叔丁醇和水。對(duì)理論塔板數(shù)、原料進(jìn)料位置、共沸物進(jìn)料位置、液相分流比、再沸器比等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)SQP算法得到了最優(yōu)條件。本文從熱力學(xué)的角度對(duì)低共熔劑的分離性能進(jìn)行了研究，但對(duì)低共熔劑的密度、聲速、粘度、電導(dǎo)率、折射率等物理性質(zhì)的研究還不夠深入，這是今后研究的重點(diǎn)。溶劑水分占比率對(duì)萃取精餾所得產(chǎn)出物的純度有直接的關(guān)系，共熔性相對(duì)較低的溶劑在萃取精餾過(guò)程中，考慮到溶劑的可重生屬性。重新利用共熔點(diǎn)較低的溶劑大部分采用降低壓力分級(jí)精餾，可按實(shí)際效果來(lái)看，降低壓力分級(jí)精餾。故而低共熔劑在工業(yè)企業(yè)使用領(lǐng)域仍需要加強(qiáng)，效率更高的相關(guān)溶劑多次循環(huán)利用技術(shù)的大力研發(fā)。本研究為低共熔溶劑在萃取精餾水+叔丁醇共沸體系中的應(yīng)用提供了可靠的理論依據(jù)。參考文獻(xiàn)[1]張遠(yuǎn)鵬,王曉紅,洪娟,等.共沸物分離的精餾-膜分離集成工藝策略[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2020(4):70-75.[2]BhatnagarBS,SonjeJ,ShalaevE,etal.Arefinedphasediagramofthetert-butanol–watersystemandimplicationsonlyophilizationprocessoptimizationofpharmaceuticals[J].PhysicalChemistryChemicalPhysics,2020,22.[3]LiuY,SongS,FengW,etal.SimulationStudyonExtractionDistillationProcessofHexane-ethylAcetateAzeotrope.ShandongChemicalIndustry,2019.[4]BaiguzinFA,BurmistrovDA,KuznetsovVA,etal.Theoreticaldescriptionandnumericalmodellingofdehydration