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分批萃取精馏技术的研究进展

发布时间:2019-12-31 10:59    点击次数:176次   

  里一20 0 1年第3 0 卷第7期 石油化1 _PE 日 之 CC HEMICA L 」 , 以理 HNOL口弓 Y分批萃取精馏技术的研究进展 ( Ch曰 刀司 D堪 吟 nn g R~「 文. 偏号」10以 白 鹏, 部慧雄, 朱恩强 (天津大学 化学工程研究所, 天津 31 州 目 !72 )扫 八 1只 ”了 9 , WU Hu i 一 x叨 ng , 2月【 少 5 1 一q必 n gr c hl泛 llt盯, 丁 曰 列 以U扭 ~ l t y , T翩i i r t 3I)X】 72 ,C】 1 卫 n a ) 【 关健词] 分批梢馏;萃取精馏;分离〔 ” 阴 也1阮山曲胡a t l朗;e x t 二t iv e d i s t i l 喻二;*卿 tl o n8144(2阶1)07一0563一 0 4「 中圈分奏号l lu nZ拐[文橄标识码! A 萃取精馏技术一般以连续精馏的方式, 广泛应用于共沸物系或组份间沸点差极小混合物的分离。分 批萃 取精 馏 操 作方 式首 先由玫心」 于1 98 5 年 提出, 它适用于处理量较小的场合, 如精细化工生产团。 分批萃取精馏兼有分批精馏与萃取精馏两者的优点如:设备简单, 投资小;可单塔分离多组份混合物;通用性强, 可用同一塔处理种类和组成频繁改换的物系;同分批共沸精馏相比, 萃取剂有更大的选择范围;同 变压精馏比 较, 有更好的经济性。 由于分批萃取精馏的优点突出, 特别适用于化工、 制药、 石化深加工等行业中普通精馏无法完成的共沸物和沸点差极小物系的分离, 因此分批萃取精馏近年来已成为非常活跃的研究和开发领域。目前, 关于分批萃取精馏的研究可分为分批萃取精馏的操作模式、 分批萃取精馏的最优操作、 分批萃取精馏的可行性分析、 分批萃取精馏的 工业化几个方面,以下分别进行介绍。一, 1图1 一次模式分批萃取精馏1 分批萃取精馏的 操作模式 分批萃取精馏按照加料方式的不同可分为一次模式与 半连续模式[ 2 J 。一次模式(图1 ) 中, 萃取剂与料液一次性加人再沸器。由于再沸器体积有限,一次模式限制了加料量。对于这种模式, 找到最佳萃取剂比是增大产量的一个重要因素。 Mi la n i l s 〕 利用丁 ra n 和Mu j i ta ba [ 4 1 的 结 论, 以 水一 丙 酮一 甲 醇 体系证明了一次模式是一种可行的方法。但是, 由于萃 取剂和料液仅在再沸器中有接触, 萃取剂的萃取作用发挥有限, 一次模式的研究并不多见。 半连续 模 (图2 ) 中, 萃取剂从塔的 某个塔板连续加 人 。 一 个 完 整 的 半 连 续 模 式 包 括 以 下 几 泞 弓 多 骤 [ 5 ] : 图2 半连续模式分批萃取精馏 (1 )预热塔板, 使每块塔板上都含有处于沸点的轻重组份混合物; (2 )从塔顶连续加人萃取剂, 继续全回流以增_收稿日 期1 2川 洲1 2 02:作者简介] 白肠(196 1 一 ) .男.四川省金堂县人, 博士.副教授。电 线 石油化工PEI NOCHE MICA L T ECHNOII X :Y2001年第 30 卷加馏出液中易挥发组份的含量; (3) 从塔顶连续加人萃取剂, 改变回流比以采出易挥发组份产品; (4) 停止加人萃取剂, 并回收萃取剂和难挥发组份。 另外, 在半连续模式分批萃取精馏中, 对于步骤2和步骤3, 选择操作参数(如回流比, 萃取剂流率,料液体积, 再沸器热负荷)时, 要注意再沸器(包括塔板)持液量一定不能超出它的最大容量, 否则将会发生液泛2 分批萃取精馏的最优操作 分批萃取精馏的最优操作问题是分批萃取精馏研究的一个重要方面。按照最优操作问题的目 标的不同, 一般分为最小时间, 最多馏出液, 最大利润三类。当再沸器热负荷一定时, 可以用以下准则比较不 同 的 分 批 萃 取 精 馏 操 作 [ [6 1 (1) 在最短的时间内, 得到指定量和纯度的产品(准则 1) ; (2) 在一定的时间内, 得到指定纯度的最大产品量(准则2); (3) 在一定的时间内, 得到指定量的产品的最高纯度(准则3); (4) 在一定的时间内, 用最小的溶剂量得到指定纯度和量的产品(准则4)0 模拟计算时, 这些准则可方便的使用。但在试验中 使用这t 标准却很困难, 因为有太多的参数需要 保持恒定。 为此, Ke rkh。 和Mu jtab a[al综合这些准则, 提出一个评估步骤2和步骤3 的目 标函数。 C(t)[P, +APl-? d ,A ] SL )式中二 S1 从} SL ) A, , t毛:、, 2d ,tt%sd .ts,,.m, SF- SF_ P; 是每摩尔纯度为二 d , 是 每摩尔 产品超出 纯度为Td ,A,, ,i。 的产品 价格;P3与时间成正比的全部费用(热能, 冷却水等);P2是溶剂的费用(包括再生溶剂的费用)。通过这个目标函数, 步骤3的终止能被确定。当C(t)呈现出它的最大值时, 生产应该停止[ 1 8 1 。另外, Lelke s 和 n g还提出了 步骤4及全过程的目 标函 数[9 1, 步骤4的目标函数为 C(At4) 二 P4S7 ),t+ PZSU(t4)一 P3 At4式中:二 d ,B zd .s.m .. zsu,n zSU ,s.- At4成At4.二,一 P2 SF 一 PatA, .u 。 的产品价格;AP,全过程的目 标函数为 C(t4) =LC(t3) +C(At4) ]It; 二 C(t4)i t, 当 某种操作中C(t3)的值高时, C(At4)的值必定高。 并且在步骤3结束时, C(t4)和C(t3)呈现出 同 样的 趋势。Le lkes和1 ,}} } ,9 !利 用这些函 数得出:At2的值可以 被显著地的减小, 而利润不会明显下降;产品浓度保持恒定的方法伴随着塔板持液量的下降而具有竞争力, 当持液量低于某一值时, 这种方法要比回流比保持恒定的方法好;混合策略即回流比保持恒定的方法与产品浓度保持恒定方法相结合, 能够获得最大经济效益。 但是, 在这些方法中回流比保持恒定的方法最容易实现。 另外, Safrit[1 0,1 1 〕 研究了具有中间贮液槽的分批萃取精馏, 认为利用具有中间贮液槽的塔可以同时回收所有组份, 理论上 的回收率可以达到 1 00%.但是, Lelke sl 1 2〕 研究的结果却显示, 同 样条件下在具有中间贮液槽的塔中进行的 分批萃取精馏的回 收率总是要比普通的分批萃取精馏低。具体原因尚有待研究。3 分批萃取精馏的可行性分析 分批萃取精馏过程的可行性分析能够为分批萃取精馏过程提供一些重要的信息。如最小回流比,最小理论塔板数, 最小萃取剂比。但是, 由于分批萃取精馏过程中馏份和釜液组成处于动态变化中, 因而其可行 性分析仅在瞬间有效。 Safrit[ Wahnscha fft[ 1 3.1 41 研究连续萃取精馏可行性的方法。通过对萃取精馏段(图3)进行物料恒算, 他们发现全部操作(物料平衡)线 ]发展了F . z ,图3 萃取精 馏段物料示意+, + F = 与+D+, 一 乌= F 一 D 二 △{ ;}矶竹 第7 期白鹏等:分批萃取精馏技术的研究进展565r6,;= (D d , 一 F.7 -,,., ) /( D 一 F) i =1,2,3 (3)从△点出发, 作持液线的切线。 然后将这些切点连接, 便形成了△ 夹紧 点曲线。A 夹紧点曲线上的每一个点都是夹紧点, 由△夹紧 点曲线和三角形边限定的区 域是萃取无效区(图4) 形内部, 分批萃取精馏过程不再可行 另外, Lelke s[ tz]还指出了步骤3的不可行区域(图6)a 假如塔釜组成位于这 一 区域(3,4),则A/B 的分离很难。步骤4 属于一般精馏塔操作, 可用Ber notl is的方法进行可行性分析e 夹峨点曲线 Lellc二关于分批萃取精馏的可行区域与不可行区城图4 Sati n 的关于分批萃取精馏的可行区域与不可行区域 1 萃 取精馏的不可行区域; z. 萃取精馏的可行区域 但是, Lan 澎 s]在试验中 却发现, 尽管釜液处于不可行区, 萃取段仍在很好的工作。因此Safrit 的方法必须加以修正。 Lelke si 1 2 J研究了分批萃取精馏的四 个基本步骤, 认为步骤1的目的仅是为了塔板预热, 因此就可行性而言, 它是没有意义的。步骤2是非常重要的,因为在这一步物系的共沸性被破坏。通过步骤2 的萃取轮廓线)分批萃取精馏的可行性、 产品顺序、 最小萃取剂流率能被确定4 分批萃取精馏的工业化研究 Koehlerl7 最早 进行分批萃取精馏的工业应用研究。他利用普通的分批精馏设备作为分批萃取精馏的主 体设备(图7)。 该填料塔有20个理论级, 采用半连续操作模式即萃取剂从塔顶连续加人。塔釜中的料液经过循环泵进换热管装置被加热和蒸发。 情性组份 塔鉴路径SN -气 。 一 塔釜 初始 浓 度草取段祖定点x可 能 的 苹 取 轮 脚 级可能的精匀轮月故 图5 步 界2的可 行分离中 从塔釜路径出发的萃 取轮 脚线 分批萃取精馏可行的主 要条件是至少有一条萃取段轮廓线连接起塔釜路径和可能的精馏轮廓线。分批萃取精馏的产品顺序是由萃取段稳定点 SN 的位置决定的, 如果它在AE 边上(或者在其后) , 则产品首先是A , 在BE 边上〔 或在其后), 则产品首先是B;而最小萃取剂流率则基于这一事实, 一旦萃取剂的流率低于最小值, 萃取段稳定点 SN 便进人三角 步砚1产品 (剧产品和水) 图7 分批萃取精馏工艺流程示意图 其试验分两步进行: (1) 按照过程优化的要求, 调节从塔顶连续加人的萃取剂的流率。塔顶得到的水和轻组份经过塔顶分离器分为两相, 水从塔顶回 流到塔中, 轻组份进人贮槽。 (2) 停止加入萃取剂, 存贮槽中的馏份进人已排空的塔釜中, 进行分批精馏。 Koehler对分批萃取精馏工业化的论述的不足 566 石油化工PET ROCHEMICA L T ECH NOLo c y20(1 1年第 30 0了V下 角标ABd难挥发组份门 标函数萃取剂进料流量, kmol/h液相流量, kmol小产品价格溶剂费用与时间成正比的全部费用纯度超过一定指标的产品价格产品量溶剂总量塔身及再沸器持液总量操作时间, 卜液相组份的摩尔分数汽相流量. kmol/hBCEFLP ]几几梦朋邪S F是很明显的。首先, 他选择的物系不符合萃取精馏的严格定义, 萃取剂与组份形成了共沸物且试验中有两相出现。另外, 试验对萃取剂的回收也未考虑。尽管如此, Ko e hler 的工作仍对分批萃取精馏工业化的研究有着重要的参考价值。5 分批萃取精馏研究待解决的问题 分批精馏本身就是状态参数随时间而变化的动态过程。由于萃取剂的连续加人, 使分批萃取精馏比 普通精馏更加复杂, 过程的 操作控制难度更大, 主要体现在以下儿方面: (1) 在操作过程中再沸器内 萃取剂所占比例随时间不断增大, 导致混合物料沸点不断增高, 若加热条件不变, 则由于传热温差的不断减小, 使上升蒸气流量不断减小。因此, 如何进行再沸器的加热控制有待于研究 (2) 连续加人的萃取剂在塔内 越积越多, 当操作时间需要很长时, 塔釜的容积需要相当大, 这样使设备设计结构不合理, 经济上不可行, 因 此有必要改进操作模式或寻 求新模式, 以避免塔釜容积过大。 (3) 随着塔内各点的浓度的变化, 即使在恒定的萃取剂流率下, 组份的相对挥发度也在持续变化,假定相对挥发度恒定的数学模型所导致的结果误差将比 较大, 所以分批萃取精馏的数学模型研究需做的工作也很多。 (4) 在最优化操作问题中, 萃取剂流率和加热控制是新增加的两个变量, 它们将使最优化问题求解难度和计算量大大增加。 (5) 分批萃取精馏的工业化试验研究报道极少, 这方面研究应大力加强。6结语 分批萃取精馏与普通萃取精馏相比具有其突出的优点, 在精细化工、 制药和石化深加工领域有着极为广泛的应用前景。随着过程机理研究和应用技术的不断进展, 分批萃取精馏将成为共沸物和近沸点差物系分离时一项有效而实用的技术。易挥发组份难挥发组分塔顶「符号 说明 ]A易挥发组份 [ 参 考 文 献 〕[ l ] Be rg L, Yeh An一 1 .[J 1.AIC AE ,1985,31(3):504一 506[2] Mu jirabs I M. 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