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丙酸脱水共沸精馏工艺流程模拟与优化

靳权 ,  王聪 ,  刘新伟 ,  魏杰

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 468 -471.

PDF (1852KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 468-471. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.081
工业技术

丙酸脱水共沸精馏工艺流程模拟与优化

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Simulation and optimization of propionic acid dehydration azeotropic distillation process

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摘要

提出使用共沸精馏工艺脱除丙酸中的水分,经过共沸剂比选,选择环己烷作为共沸剂。利用Aspen Plus流程模拟软件建立共沸模拟模型,对共沸精馏工艺进行模拟计算和优化,并结合运行数据验证了NRTL物性方程的准确性;经过灵敏度分析以及运行数据对比确定最优工艺参数,确定操作压力是43 kPa,全塔理论板数20块,气相进料位置第14块板,液相进料位置第18块板,共沸剂的循环流量2 400 kg/h,优化后的工艺参数能够满足关键流股的控制指标要求,为丙酸脱水共沸精馏装置的优化升级提供了数据基础。

Abstract

This article proposes to use azeotropic distillation process to remove water from propionic acid.After screening azeotropic agent,cyclohexane is chosen as the azeotropic agent.An azeotropic simulation model is established by means of Aspen Plus process simulation software to simulate and optimize the azeotropic distillation process.The accuracy of NRTL physical property equation is verified by combining operational data.The optimal process parameters are determined through sensitivity analysis and operation data comparison,including an operating pressure of 43 kPa,20 theoretical plates in the entire tower,gas-phase feeding at the 14th plate,liquid-phase feeding at the 18th plate,and an azeotropic agent circulating flow rate of 2,400 kg/h.The optimized process parameters can meet the control index requirements of the key stream,providing a data basis for the optimization and upgrading of the propionic acid dehydration azeotropic distillation unit.

Graphical abstract

关键词

丙酸脱水 / 流程模拟 / Aspen Plus / 环己烷 / 共沸精馏

Key words

propionic acid dehydration / process simulation / Aspen Plus / cyclohexane / azeotropic distillation

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靳权,王聪,刘新伟,魏杰. 丙酸脱水共沸精馏工艺流程模拟与优化[J]. 现代化工, 2025, 45(S2): 468-471 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.081

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丙酸(propionic acid)是一种常见的短链饱和脂肪酸,化学式为C3H6O2或CH3CH2COOH,常温下是无色透明液体,具有强烈刺激性的酸味[1-2]。丙酸是一种弱电解质,水溶液呈弱酸性,但腐蚀性强,蒸气对皮肤和呼吸道有刺激性,能与水、乙醇、氯仿和乙醚混溶。丙酸具有低碳羧酸的典型化学性质,可以制备丙酸盐、酯、酰氯、酰胺和酸酐等。丙酸是一种精细化工产品和有机合成原料,可以用于合成饲料、食品防腐剂、香料中间体、医药中间体等化工产品,丙酸及其衍生物已被广泛应用于农药、轻纺、食品、医药等多个行业[1-2]。
过氧丙酸是一种利用丙酸为原料合成的典型化工产品,丙酸与50%的双氧水反应可以制备过氧丙酸,过氧丙酸是无色透明液体,具有强氧化作用,是一种普遍应用的、杀菌能力较强的高效消毒剂,可以迅速杀灭各种微生物,包括病毒、细菌、真菌及芽孢。此外,过氧丙酸也用作纺织品、纸张、油脂、石蜡、淀粉的漂白剂,在有机合成中亦可作为氧化剂和环氧化剂,如用于环氧丙烷、甘油、已内酰胺、甘油、环氧增塑剂等的合成,因此过氧丙酸被广泛应用在过氧化反应、羟基化反应、合成内酯、合成苯酚等反应中。过氧丙酸合成工艺在反应过程中产生丙酸和水的共沸物,为了降低原料成本需要将共沸物中的丙酸回收利用,常规的精馏工艺难以实现丙酸和水的分离,因此需要使用特殊精馏工艺实现丙酸和水分离,共沸精馏是一种常规、工艺成熟的分离方法,但是共沸剂的选择和共沸精馏工艺参数优化是共沸精馏工艺的关键参数。本文中提出一种共沸精馏工艺分离丙酸和水,选择环己烷作为共沸剂,建立了Aspen Plus模拟模型,并结合运行数据验证模型准确性,确定了共沸精馏操作压力,并优化理论板数、进料位置、循环量等各项工艺参数,为丙酸脱水共沸精馏装置的优化升级提供了数据基础。

1 进料组成及共沸物分析

某万吨级的工艺装置以过氧丙酸作为氧化剂,在丙酸与双氧水反应过程中会产生含水和丙酸的气相物料和液相物料,组成详见表1。这2股物料需要进入脱水塔脱除其中的水分,然后丙酸循环回反应器再利用,由于丙酸与水产生低沸点共沸物,常规的精馏难以实现分离,因此需要通过特殊精馏方式进行精馏提纯,本文中提出使用共沸精馏脱除丙酸物料中的水分,由文献调研可知,常用的共沸剂有环己烷、苯、甲基环己烷、甲苯等有机溶剂,常见的共沸剂与水的共沸组成见表2。
由表2可以看出甲苯和丙酸共沸,因此不能选择甲苯作为共沸剂;环己烷、苯、甲基环己烷都可以作为共沸剂,但是苯在《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类标准》中属于常见的极度危害介质,而环己烷和甲基环己烷是中度危害介质,极度危害介质会增加工艺的设备投资,因此不选苯作为共沸剂;环己烷与水的共沸温度与丙酸和水的共沸温度差是30.17℃,甲基环己烷与水的共沸温度与丙酸和水的共沸温度差是19.52℃,因此选择共沸点温差较大的环己烷作为共沸剂,温差越大越有利于分离。综上所述,丙酸脱水共沸精馏工艺选择环己烷作为共沸剂,具有精馏分离效果好、原料成本低、毒性低、环境友好等优势[3-7]。

2 工艺流程及物性模型

2.1 共沸精馏工艺流程

丙酸脱水共沸精馏工艺流程详见图1,气相和液相进料进入共沸精馏塔,塔顶气相是共沸剂和水的共沸物,经过冷凝器冷凝后的液相进入分相器,经过液液分离后,油相主要是环己烷,油相返回共沸精馏塔塔顶作为夹带剂继续脱水,水相是含有少量丙酸和环己烷的废水,废水经过预处理以后重复利用,塔釜是回收的丙酸,丙酸循环回反应装置重复利用。此工艺的主要设备是共沸精馏塔、冷凝器、分相器、再沸器,塔顶分相器的水相送至废水处理,油相主要是共沸剂环己烷,塔釜得到脱水后的丙酸回反应循环利用,本工艺关键流股的控制指标详见表3。由表3可知,回收丙酸的质量分数达到99.5%以上,丙酸中的水质量分数≤500×10-6,丙酸中的环己烷会降低反应的收率,因此环己烷含量≤100×10-6;塔顶分相器的水相中丙酸和环己烷含量需满足表3的要求,否则污水处理无法接收超标的废水;共沸剂中的环己烷含量要高于99.5%,否则会影响共沸精馏的除水效果;综上所述共沸精馏工艺必须满足上述关键流股的控制指标要求才能达到工艺目的。

2.2 物性模型验证

为了实现上述工艺效果,利用Aspen Plus V11软件搭建模拟流程,由于共沸精馏塔是丙酸-水-环己烷体系中非理想性比较强,而且操作压力较低,所以选择活度系数法的NRTL模型,NRTL模型不仅适用于非理想性比较强的极性体系,而且对于含水体系的预测准确度较高。其中共沸精馏塔模块选择Radfrac模块,分相器选择Decanter模块,对模拟结果与现场实际运行的数据进行了对比,详见图2,其中横坐标是温度点自塔顶到塔釜的分布,纵坐标是温度值,曲线1趋势线是模拟值,曲线2趋势线是运行值,由图2可以看出模拟值和运行值吻合良好,最大数据偏差仅为2.2%,说明NRTL模型能够有效模拟丙酸-水-环己烷的物系,虽然存在一定的偏差,但是偏差较小,在工程设计中可以接受一定的偏差[8-10]。

3 工艺参数优化

3.1 共沸精馏的压力

共沸精馏塔的压力是实现工艺分离效果的最关键因素,由表4可以看出从10~100 kPa塔顶和塔釜对应的温度,查询腐蚀手册可知80℃以上丙酸对304L和316L都存在一定的腐蚀,温度越高腐蚀越严重,因此尽量降低操作压力以便降低操作温度,以减缓丙酸对设备的腐蚀;同时操作压力越低塔顶温度越低,当操作压力小于30 kPa时,塔顶需要使用冷冻水作为冷媒,无法使用更加经济的循环水,因此综合考虑腐蚀和操作能耗,选择操作压力在40 kPa附近,同时结合装置实际运行情况操作压力选择 43 kPa,此时对应的塔釜温度是116℃,塔顶温度是47.04℃,既可以降低操作温度缓解设备腐蚀,又可以使用循环水作为塔顶冷媒,降低操作能耗。

3.2 理论板数确定

共沸精馏塔理论板数对塔顶和塔釜丙酸含量的影响见图3,图中考察了理论板数10~40区间内部7个点的数据,从图中可以看出随着理论板数的增多塔釜的丙酸含量逐渐升高,塔顶的丙酸含量逐渐降低,由于塔顶的丙酸含量控制指标是≥99.5%,塔顶的丙酸含量控制指标是≤0.5%,当理论板数是15块理论板时,能够满足塔顶和塔釜对于丙酸含量的控制要求。因此理论板数选择15块理论板数,气相和液相进料位置都选择第9块板,精馏段理论板数8块,提馏段理论板数7块,精馏段设计4 m 250Y填料,提馏段设计3 m 250Y填料[11]。
装置开车以后的实际运行数据与模拟值的对比见表5,从表中可以看出共沸剂和丙酸的运行结果与模拟值基本对应,但是废水中的丙酸含量在0.8%~1.5%之间波动,明显高于模拟值并超过控制指标≤0.5%,废水中的丙酸含量高导致丙酸的消耗增加,提高了装置的运行成本,分析产生此种现象的原因是共沸塔的精馏段填料高度不足,因此装置后续技改建议增加总理论板数至20块,由于塔顶组分不合格,考虑将增加的5块理论板设置在精馏段,因此精馏段设置13块理论板,提馏段设置7块理论板,以降低塔顶废水中的丙酸含量,减小丙酸的消耗,降低操作成本。

3.3 进料位置的优化

由上节可知全塔的理论板数选择20块理论板,精馏段设置13块理论板,液相和气相进料均设置在14块理论板进料,经过灵敏度分析结果作图详见图4和图5。由图可知,气相进料位置固定在14块理论板,液相进料位置在14~20块理论板之间变化,当液相进料位置在第18块理论板时塔釜的丙酸纯度最高,并且热负荷几乎无变化;气相进料位置在 4~18块理论板之间变化,当气相进料位置在第14块板进料时,塔釜丙酸的含量最高,因此气相进料位置选择第14块板,液相进料位置选择第18块理论板。

3.4 共沸剂循环量

由上文可知共沸剂选择环己烷,环己烷将水带至共沸精馏塔塔顶,冷凝后经过分相器,油相中环己烷含量99.5%以上,循环回共沸精馏塔塔顶第1块塔板继续作为共沸剂除水,水相送去污水预处理。共沸剂循环量变化对再沸器负荷和废水中的丙酸含量的影响见图6,由图可知,随着循环量的增加再沸器负荷逐渐增加,同时废水中的丙酸含量逐渐减小,当废水的流量选择2 200 kg/h时,废水中的丙酸含量满足控制指标,但是装置实际运行废水中的丙酸含量超标,因此循环量需要增加至2 400 kg/h,废水中的丙酸含量才能满足控制值≤0.5%。
在装置实际运行过程中,共沸剂的循环量需要随着水处理量的增加而同步增加,否则会导致塔器操作不稳定,共沸剂的循环流量取水处理量的12~14倍,按照这个经验值调整装置负荷,能够满足塔顶和塔釜控制指标合格。

4 结论

提出了一种共沸精馏工艺流程用于分离气相和液相2股含有水分的丙酸,塔顶得到丙酸含量合格的废水,塔釜得到纯度合格的丙酸,回收的丙酸可以循环回反应系统复用。并且利用Aspen Plus V11软件建立了模拟模型,经过模拟验证、数据分析等得到如下结论。
(1)经过多种共沸剂的比选,选择环己烷作为脱除水的共沸剂,既能降低设备投资又能降低操作能耗。
(2)经过将运行数据和模拟数据对比,验证了NRTL模型适用于模拟丙酸-水-环己烷体系的流程模拟,为后续工艺参数优化提供了数据基础。
(3)经过对比不同压力下的温度参数,综合考虑能耗和丙酸腐蚀等因素,确定了最佳的共沸精馏操作压力。
(4)经过数据分析,并结合运行参数,确定了共沸精馏塔的理论板数,并对气相和液相的进料位置进行了优化,确定了全塔理论板数20块,气相进料位置第14块板,液相进料位置第18块板。
(5)共沸剂的循环量是共沸精馏的关键参数,经过能耗分析和工艺指标要求,确定了共沸剂的最佳流量,并结合运行参数确定运行流量2 400 kg/h,废水中的丙酸含量才能满足控制值≤0.5%。
经过对共沸精馏除水工艺的模拟优化和数据分析,确定了共沸精馏系统全部的工艺参数,并结合运行数据提出了对现有装置工艺参数的优化,优化后的计算结果能够满足关键流股的关键控制指标要求,为丙酸脱水共沸精馏装置的优化升级提供了数据基础。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

张新杰, 赵维君. 丙酸合成工艺进展[J]. 精细石油化工, 1992,(5):45-48.
[2]

邵海涛, 张剑波. 丙酸分离工艺过程模拟设计[J]. 维纶通讯, 2017, 37(4):34-36.
[3]

杨海敬. 新型共沸精馏分水技术分离乙醇-水体系的研究[D]. 南宁: 广西大学, 2006.
[4]

范永梅. 环己烷-叔丁醇-水共沸精馏模拟研究[J]. 天津化工, 2015, 29(4):20-23.
[5]

夏清, 陈常贵. 化工原理[M]. 天津: 天津大学出版社, 2007.
[6]

Toth A J, Szilagyi B, Haaz E, et al. Enhanced separation of maximum boiling azeotropic mixtures with extractive heterogeneous-azeotropic distillation[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2019, 147:55-62.
[7]

朱振峰, 郭海燕, 种道皇, 等. 基于Aspen Plus的异丙醇脱水共沸精馏模拟与优化[J]. 化工与医药工程, 2024, 45(3):1-9.
[8]

叶启亮, 赵成辉, 孙浩, 等. 乙腈法抽提丁二烯流程模拟与优化[J]. 现代化工, 2023, 43(12):204-212.

[9]

李海涛, 刘学宽, 许长春, 等. 环己酮的提纯分离与模拟[J]. 现代化工, 2022, 42(5):246-248.

[10]

杨光, 靳权, 张冰. 分子筛合成MTBE反应精馏工艺的模拟和优化[J]. 现代化工, 2017, 37(6):189-192.
[11]

王树楹. 现代填料塔技术指南[M]. 北京: 中国石化出版社, 1998.
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