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非均相共沸精馏的模拟优化设计



雷特石化精馏塔制造商:对于共沸物的分离,一般来说不能够通过传统的精馏方法进行分离提纯。但是可以在共沸体系中加入一种夹带剂来改变共沸混合物的相对挥发度,从而达到分离的效果(萃取精馏)。


加入一种共沸剂,使其余其中一种共沸物形成最小或者最大共沸物,从而达到分离提纯的效果(共沸精馏);如果共沸体系的共沸组成对压力比较敏感的可以使用变压精馏来完成分离提纯的效果(变压精馏)。


本文将针对共沸精馏(不使用共沸剂)来分离提纯正丁醇和水共沸物。从图1正丁醇和水的T–xy图可以看出,在水的组成为0.42和0.97的时候,这个区域为非均相区域(即油水区域),共沸点处于这个区域,因此可以使用倾析器来打破精馏边界(即共沸点),可以大大的节约能耗。


图1. 1atm下的正丁醇-水的T–xy图


根据参考文献[1],使用真空精馏体系可以更加节能,并且为了考虑到塔顶的蒸汽可以使用冷凝水来进行冷却(注:冷凝水的温度一般为32℃左右,冷却后到40),所以塔顶的蒸汽温度一般来说不能低于45℃。本文选择操作压力为0.5atm进行模拟设计,详细步骤如下所示:


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1. 使用Aspen Plus软件的Binary工具做其二元相图,操作压力选择0.5atm,物性方法选择UNIQUAC,气相默认为理想状态即可。


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图2. 0.5atm下的正丁醇-水的T–xy图


从上图的T–xy图可以看出液液线左侧为XH2O=0.42,XH2O=0.97。正丁醇和水的分离,进料为10%的正丁醇,首先让进料至倾析器(Decanter),分离出来的水相(Aqueous)组成为:0.97W,0.03B;有机相(Organic)组成为:0.42W,0.58B。


注:W表示为水(water),B表示为正丁醇(n-Butanol)。


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2. 使用Aspen Plus软件内置的RadFrac精确模拟模块,对此体系进行模拟设计。详细的流程图如图3所示。


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图3.流程图


使用ASPEN PLUS模拟的步骤:


1.给定AQUEOUS物流初始数据如下图所示

图4.水相的物流信息


给定的ORIGNIC物流初始数据如下所示


 图5.有机相的物流信息


对于其具体的摩尔流量大家可能有疑问,这里进行简单的计算。由于初始数据最低需要满足塔底出料的水和正丁醇的含量,所以T-101A的塔釜采出水量930/0.97>=900;而T-101B的塔釜采出量正丁醇180/0.58>=100。这样就可以简单的计算出水相和有机相的摩尔流量,其组成可以从相图中观察出来,那么下面将进行换热器的参数设置:

 图6.换热器的参数设置


冷凝器设置参数如上图所示,设定其冷却后的温度为343K,压降为0。设定完这些以后,就需要对两个汽提塔(T-101A和T-101B)进行参数的设定:


1. T-101A参数设置:


 图7. T-101A的参数设定


在这里,我们首先设定理论塔板数为11(此处不含塔板效率或者塔板效率按照100%来计算),收敛方法选择强非理想液体(Strongly non-ideal liquid),塔体的操作设定选择塔底流率(Bottom rate),塔顶冷凝器设定为None,即不需要冷凝器。


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设定完这些参数以后,大家可能又有疑问了,900如何确定的?是最佳的吗?下面将展示设定规定(Design Spec)功能来实现优化设计这一参数

 图8.设定规定的目标值


首先点击开Blocks–T0101-A–Specifications–Design Specifications,可以设定目标值,这里设定的为塔底的产品纯度是0.999,同时可以再Component这个地方选择哪个物质,这里选择为水,在Feed/Products Streams这个地方选择的物流为B1,然后点击开Vary,即变量,如图9所示。



 图9. 变量范围的设定


点开以后,选择调整的类型(Adjusted variables)为塔底的流率。上下限可以设定为900数值的左右即可,这里设定为800和1000。


2. T-101B参数设置:


图10. T101-B的参数设定


同样的方法,将T-101B的参数进行设定即可,见图10-11-12所示:

图11.设计规定的目标值

图12.变量的范围选择


上述的参数均设定完毕,还需要进行撕裂物流的设定,可以加速收敛。点击左侧的Convergence–Tear选择ORGANIC和AQUEOUS两股物流为撕裂物流即可,点击Run进行运算,可以得到两个塔底的物流信息。

图13.撕裂物流的设定

图14. Aspen Plus流程模拟图


详细计算结果一览表如下表所示,可以很清楚的看出塔底的物流摩尔组成均为0.999,满足设计要求。


声明:对于设计的初始值均来自于文献[1],如有雷同或者涉及到机密请联系删除,谢谢。


参考文献:

[1]. William L. Luyben Control of the Heterogeneous Azeotropic n-Butanol/Water Distillation System. Energy & Fuels 2008, 22, 4249–4258.


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