硫茚萃取精馏分离的模拟计算

硫茚又称为苯并噻吩 ,是一种重要的精细化工 原料 ,广泛用于医药 、农药 、光学材料和染料等领域 。 煤焦油加工生产精萘产品产生的副产品萘晶析残 油 ,主要组份是萘和硫茚 ,它们的沸点非常接近 。从 萘晶析残油分离富集硫茚的方法主要有酸洗精馏 法 、溶剂结晶法和萃取精馏法 。酸洗精馏法一般用 浓硫酸作为分离剂 ,硫茚分离效率不高 ,酸洗设备腐 蚀严重及环境保护困难 ,该传统工艺目前已被淘汰 ; 溶剂结晶法利用硫茚与萘在某些溶剂中溶解度的差 异而加以分离 ,工艺简单 、操作方便 、溶剂可循环使 用 ,但收率低和溶剂损耗大[1] 等问题要解决好 ;高晋 生等[2] 对工业萘和萘晶析残油的组份分离进行了研 究 ,用二乙醇胺 、三乙醇胺和二甘醇三种溶剂做了萃 取精馏对比实验 ,其中二乙醇胺萃取精馏效果最好 。 通过实验室的实验来筛选萃取剂比较费时费力 ,所
ΠkPa
Πg 萘Π% 硫茚Π% 三甘醇Π%
1
40. 5
40. 4 80. 1 74. 98 25. 02
0
2
40. 7
40. 5 81. 9 73. 78 26. 22
0
3
41. 2
41. 1 95. 1 71. 76 28. 24
0
4
41. 4
41. 2 116. 8 68. 92 31. 08
0
1. 4 实验结果 间歇萃取精馏实验 ,原料和萃取剂共2573. 0 g ,
含萘 、硫茚分别为20. 34 %、11. 27 % ,塔顶回流比为 4 ,塔顶馏份的实验结果见表 1 。 2 模拟计算与讨论 2. 1 间歇萃取精馏实验模拟计算 采用 Aspen plus 12. 1 模拟软件 ,对间歇萃取精 馏实验进行 Aspen plus 模拟计算 。由于原料萘晶析 残油 ,主要含萘 、硫茚 (沸点非常接近) ,另含少量的 β2甲基萘 、异喹啉及不明物等 ,沸点与主要组份萘 、
41. 2 kPa ,冷 凝 器 和 塔 板 持 液 量 分 别 为 0. 01 kg 和
0. 005 kg/ 板 ;塔顶采出量为300. 0 g ; 物性的热力学
计算选用 NRTL2RK方法 。
模拟计算的结果如表 4 。表 4 中 , N2甲基吡咯
烷酮 (NMP) 、N2甲酰基吗啉 (NFM) 有部分萃取剂从
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化 学 世 界
2007 年
Aspen plus 能很好地模拟实验的实际情况 ,随后偏差 变大 。对原料进行了简化处理 ,在一定的操作范围 内 ,Aspen plus 还是能够较好地模拟实际实验情况 。 所以 ,采用 NRTL2RK 物性方法的 Aspen plus 流程模 拟有一定的可靠性 ,可以用它对不同萃取剂进行硫 茚萃取精馏模拟 ,考察不同萃取剂的分离效果 。
表 3 实验结果折算
馏份 序号
萘Π%
实验结果折算 硫茚Π%
1
74. 94
25. 06
2
73. 88
26. 12
3
72. 81
27. 19
萃取剂分离效果模拟计算的条件 ,可如下考虑 :1) 考 察不同萃取剂分离效果的模拟计算 ,主要体现不同 萃取剂间的差别 ,而模拟与实际实验的可比性次之 , 所以计算条件设定可比较宽松 ;2) 原料简化为只含 萘和硫茚 ,塔顶采出量太大 ,会出现上面的模拟与实 际实验偏差变大的情况 ,虽然不影响不同萃取剂间 分离效果好差的顺序 ,但还是不建议设定采出量太 大 ;塔顶采出量太小 ,会出现不同萃取剂间模拟计算 出的差别太小的情况 ,但这些计算结果为理论值 ,不 存在测量等随机误差 ,不影响不同萃取剂间分离效 果好差的顺序 。综合考虑 ,建议采出量设定为一个 不太大的值 。
对于 Aspen plus 模拟过程来说 ,物性计算方法 的准确选取 ,对流程模拟的准确性和可靠性起着至 关重要的作用 。在精馏模拟中 ,物性计算的微小误 差 ,可导致整个塔的浓度分布有较大的改变[4] 。对 于不同的物系应选用对应的物性方法 ,才能得到与 实际工况比较接近的计算结果 ,实际应用时有必要 对所选模型加以考核 。
116. 8 57. 83
23. 27
5
41. 2
41. 0
91. 1 57. 58
24. 92
6
41. 7
41. 5
92. 2 57. 14
26. 71
7
41. 7
41. 5
84. 8 57. 45
27. 27
表 2 实验模拟结果
馏份 塔底压力 塔顶压力 馏出量
Aspen plus 计算结果
序号 ΠkPa
第3期
化 学 世 界
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元操作模型的同时 ,包括许多内置的物性方法和数 据库 ,功能齐全 ,并为全球的化工 、炼油 、石油化工 、 食品等工业领域得到广泛使用 ,节约了大量的人力 和物力 。 1 实验 1. 1 原料和试剂 原料为萘晶析残油 ,主要含萘 、硫茚 ,另含少量 的β2甲基萘 、异喹啉及不明物等 ;三甘醇 ,化学纯试 剂 ,作为间歇萃取精馏的萃取剂 。 1. 2 分析 ;修回日期 :2006211222 作者简介 :王焕煜 (1971～) ,男 ,江苏无锡人 ,工程师 。 3 通讯联系人 ,E2mail : chemxuzl @ecust . edu. cn
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5
41. 2
41. 0 91. 1 67. 54 32. 46
0
6
41. 7
41. 5 92. 2 64. 38 35. 62
0
7
41. 7
41. 5 84. 8 60. 50 39. 50
0
图 1 间歇萃取精馏实验装置示意图 1. 回流比控制器 ;2. 玻璃三通 ;3. 塔顶冷凝器 ;4. 塔顶测温点 ;5. 塔顶 取样器 ;6. 保温层 ;7. 塔身 ;8. 电热丝 ;9. 塔釜测压点 ; 10. 塔釜测温 点 ;11. 精馏釜 ;12. 电加热器
Simulation on Separation of Benzothiophene by Extractive Distillation
WANG Huan2yu1 , WANG Ren2yuan1 , XU Zhen2liang2
( 1. Shanghai Baosteel Chemical Engineering Company , Shanghai 200942 , China ; 2. Chemical Engineering Research Center , East China University of Science and Technology , Shanghai 200237 , China)
本文研究萘晶析残油和萃取剂进行萃取精馏 , 是个低压的极性物系 ,采用活度系数法的 NRTL2RK 方法 ,进行热力学性质的计算 。为了与对原料作了 简化处理的模拟计算结果对比 ,实验结果要按塔顶 馏份不含其他杂质折算 ,情况见表 3 。 把表 3 实验结果折算与表 2 的 Aspen plus 模拟 计算结果同时画在图 2 。图 2 中 ,右端由上往下 4 根 曲线分别为实验塔顶馏份萘含量 、模拟塔顶馏份萘 含量 、模拟塔顶馏份硫茚含量和实验塔顶馏份硫茚 含量 。从图 2 可以看出 ,开始采出的 4 个塔顶馏份 ,
4
71. 31
28. 69
具体条件参照上面模拟计算的条件 ,进行如下
5
69. 79
30. 21
设定 :进料组成为萘20. 34 %、硫茚11. 27 %和萃取剂
6
68. 15
31. 85
68. 39 % ,数量2500. 0 g ; 间歇萃取精馏塔理论板数
7
67. 81
32. 19
16 、塔 顶 回 流 比 4 , 塔 顶 压 力 41. 0 kPa 、塔 底 压 力
选试剂量不易多 ,从而可能影响选出萃取剂的效果 。 本文拟用少量实验和 Aspen plus 模拟萃取精馏
相结合 ,花较少的时间和人力 ,对比较多的试剂进行 筛选 ,来得到选择性比较好 、回收率比较高的萃取 剂 。萃取精馏法是近沸点混合物分离的主要方法 , 加入萃取剂改变萘和硫茚的活度系数 ,使萘和硫茚 的相对挥发度有了不同程度的提高 ,实现萘和硫茚 的精馏分离过程 。此外 ,萃取精馏操作的优劣 ,也即 产品的质量和收率的高低 、所需塔板数的多少等在 很大程度上都取决于溶剂的选择性 ,萃取剂的选择 是至关重要的 。 Aspen plus 化工模拟系统由美国麻省理工学院 于 20 世纪 70 年代后期研制 ,80 年代初由美国 Aspen plus 公司推向市场 。目前 ,它用严格和最新的计算 方法 ,进行单元和全过程计算[3] 。在提供准确的单
样品分析采用岛津 GC2010 色谱法 ,色谱柱为 DB2Wax 。 1. 3 实验装置
实验装置见图 1 , 精馏塔填料段理 论 板 为 25 块。
硫茚相差较多 。因此 ,原料简化为只含萘和硫茚两 个组份 ,含量同实验 。实验条件如下 :萃取剂为三甘 醇 ;塔顶回流比为 4 ,冷凝器和塔板持液量分别为 0. 01 kg和0. 005公斤/ 板 ,采用 16 块理论板 ,物性的 热力学计算选用 NRTL2RK 方法 。塔顶压力 、塔底压 力 、馏出量同实验的数值 (表 2) 。
表 1 塔顶馏份的实验结果
馏份 塔底压力 塔顶压力 馏出量
序号
ΠkPa
ΠkPa
Πg
实验结果 萘Π% 硫茚Π%