现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (S1) : 311-315. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S1.052

工业技术

复合萃取精馏分离碳酸二甲酯-甲醇共沸物的研究

郭春早 ¹^,^* ,
陈聪 ²

作者信息 +

Study on the separation of dimethyl carbonate-methanol azeotrope by composite extractive distillation

GUO Chun-zao ¹^,^* ,
CHEN Cong ²

Author information +

文章历史 +

Received		Published
2025-12-16		2026-05-31
Issue Date	Revised Date
2026-06-05	2025-12-16

PDF (2123K)

摘要

利用Aspen Plus对碳酸二甲酯-甲醇共沸体系进行了变压精馏、萃取精馏和复合萃取精馏模拟计算。考察了不同萃取剂用量对萃取塔塔顶物料组成的影响,发现可通过调整萃取剂用量改变塔顶组成,即达到变压精馏系统中不同压力下的高压塔效果。通过增加常压塔和萃取剂回收塔完成复合萃取流程的模拟计算,并对各复合萃取精馏流程各物流参数进行了对比。对复合萃取精馏、变压精馏、萃取精馏的能耗进行了对比,并分析了差别原因,为精馏分离碳酸二甲酯-甲醇共沸物的工业化提供了理论指导。

Abstract

Using Aspen Plus,simulation calculations were conducted for the pressure swing distillation,extractive distillation and composite extractive distillation of the dimethyl carbonate-methanol azeotropic system.The study investigated the impact of different extractant dosages on the composition of the overhead stream in the extraction column.It was found that the overhead composition could be altered by adjusting the extractant dosage,achieving the effect of a high-pressure column under different pressures in pressure swing distillation.The simulation calculation for the composite extraction process was completed by adding an atmospheric column and an extractant recovery column,and comparison of stream parameters was made between various composite extractive distillation processes.The energy consumption of composite extractive distillation,pressure swing distillation,and extractive distillation was compared,and the reasons for the differences were analyzed,providing theoretical guidance for the industrialization of distillation separation of dimethyl carbonate-methanol azeotropes.

Graphical abstract

关键词

碳酸二甲酯 / 萃取精馏 / 变压精馏 / 甲醇 / 能耗

Key words

dimethyl carbonate / extractive distillation / pressure swing distillation / methanol / energy consumption

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碳酸二甲酯(DMC)是一种绿色有机化学品,具有广泛应用^[1-4]。目前DMC合成常用方法有酯交换法^[5-7]和甲醇羰基化法^[8],但该工艺中存在DMC和甲醇共沸混合物,导致DMC分离难道大、能耗高的问题。目前DMC和甲醇的分离方法主要有变压精馏和萃取精馏^[5-6]等,其中变压精馏利用共沸物在不同压力下共沸组成不同的原理,采用2个不同压力的精馏塔实现共沸物分离^[9-10]。萃取精馏利用高沸点萃取剂增加共沸物相对挥发度,达到分离效果^[11]。

针对萃取剂可改变共沸物相对挥发度的特性,可通过改变萃取剂用量分离得到不同DMC和甲醇比例的混合物,进而代替变压精馏系统中的高压塔。为了考察该替代方案的可行性,本文中通过Aspen Plus模拟计算了不同萃取剂用量下DMC-甲醇系统的分离效果,旨在为精馏分离DMC-甲醇共沸物的工业化提供理论指导与模型支持。

1 变压精馏模拟

变压精馏是一种常规分离DMC和甲醇混合物的方法,利用不同压力下DMC和甲醇的共沸组成不同,从而完成2种物质的分离。变压精馏流程设有常压塔和高压塔,原料首先进入高压塔,塔底得到产物DMC,塔顶得到DMC-甲醇共沸物(高甲醇/DMC比)进入常压塔,常压塔塔釜得到甲醇产品,塔顶得到DMC-甲醇共沸物(低甲醇/DMC比)返回高压塔。

1.1 变压精馏物性方法选择

经过多种热力学模型对比,多篇报道^[12-14]认为WILSON方程是DMC-甲醇体系最理想的物性方法。根据杨德明等^[15]对DMC-甲醇体系的修正,得到WILSON方程的二元交互参数如表1,本文中变压精馏按此进行模拟计算。

1.2 变压精馏模拟计算

以高压塔塔压0.8 MPa为例,利用变压精馏对DMC-甲醇体系进行模拟计算,并设定进料量为 10 000 kg/h,其中甲醇占比(质量分数,下同)为70%,DMC占比为30%。利用Aspen Plus物性分析可知在常压下两者的共沸组成为甲醇69.64%,DMC 30.36%;在0.8 MPa下两者的共沸组成为甲醇86.38%,DMC 13.62%,可通过变压精馏完成甲醇和DMC的分离。通过调整回流比、采出量等参数,利用Aspen Plus模拟计算结果见图1。

由以上模拟计算可知,通过设定合适的回流比、采出量,利用变压精馏可完成DMC和甲醇共沸物的分离。当高压塔采用不同的压力时,可得到不同高压塔塔顶组成^[16],都可完成变压精馏,并完成DMC和甲醇的分离。

2 常规萃取精馏模拟

根据相关^[17]研究,可采用萃取剂改变DMC与甲醇相对挥发度,打破其共沸组成,利用2台常压塔分离得到碳酸二甲酯和甲醇,分离流程见图2。原料和萃取剂分别进入萃取塔,塔顶得到甲醇产品,塔釜为碳酸二甲酯与萃取剂的混合物,该混合物进入萃取剂回收塔,在塔顶得到DMC产品,塔釜采出萃取剂并返回萃取塔。

2.1 萃取精馏物性方法选择

本文中以苯胺为萃取剂分离DMC-甲醇混合物,根据文献[18-19]报道,UNIQ-RK模型能够很好地预测该体系,与实验所测的二元气-液平衡数据很好吻合。故本文中采用UNIQ-RK模型对DMC-甲醇萃取精馏进行模拟计算,其二元交互作用参数^[20]如表2所示。

2.2 萃取精馏模拟计算

同样以10 000 kg/h DMC-甲醇混合物为进料,保持甲醇70%、碳酸二甲酯30%不变,利用Aspen Plus 模拟计算,在回流比为0.4、萃取塔苯胺为 16 365.6 kg/h时,可将DMC和甲醇分离,计算结果见图2。

3 复合萃取精馏模拟计算

3.1 不同萃取液量对精馏的影响

采用Aspen Plus的Property Analysis模块,考察了不同夹带分率的苯胺对共沸物气液平衡的影响,对应的等压气液平衡相图见图3。由图3可知,调整苯胺的含量可改变DMC和甲醇的相对挥发度,因此在不改变萃取精馏塔设计参数情况下,可以调整萃取剂的进液量改变萃取塔的分离效果,即可改变萃取塔塔顶DMC和甲醇的比例,达到变压精馏系统中不同压力下的高压塔效果。

3.2 复合萃取精馏模拟计算

利用Aspen Plus模拟计算,维持DMC-甲醇进液量和组成不变,且进料位置、回流比等维持与2.2节中萃取塔一致,调整进入萃取塔的苯胺流量以达到萃取塔塔顶组成为甲醇86.38%,即对应0.8 MPa下高压塔的分离效果。同时增加常压塔,用于分离得到甲醇产品,分离流程见图4。经计算在萃取塔苯胺进料流量为7 895.5 kg/h时可达到对应结果,计算结果见图4。

通过以上模拟计算可知,调整萃取塔萃取剂的用量可以控制萃取塔顶组成,即可达到变压精馏流程中高压塔塔压为0.8 MPa时的效果,增加常压塔后可得到复合萃取分离流程。

在维持进料位置、理论塔板数、回流比不变情况下,调整萃取剂用量改变萃取塔顶甲醇/DMC比例,可得到不同的复合萃取分离流程,即可达到不同压力高压塔的变压精馏效果。利用Aspen Plus模拟,通过调整萃取塔萃取剂流量计算了不同萃取塔塔顶组成的复合萃取分离流程,并通过Aspen Plus物性分析查得该塔顶组成对应的变压精馏中高压塔压力,相关参数见表3。

3.3 萃取塔回流比对萃取效果的影响

由上述讨论可知萃取剂的浓度可影响DMC-甲醇的相对挥发度,进而影响两者的分离效果。但萃取剂的浓度除与萃取剂的加入量有关,也与萃取塔的回流比有关,因此通过灵敏度分析对复合萃取流程3中不同回流比下达到预定分离效果所需萃取剂的量进行分析,得到回流比与萃取剂流量关系如图5。

由图5可知,在回流比为0.8时需要的萃取剂最少。在回流比小于0.8时,因回流量较小,为到达分离效果需要更大的DMC-甲醇的相对挥发度,因此回流比越小需要越多的萃取剂。当回流比大于0.8时,因回流量较大,会稀释萃取剂的浓度,需要更多的萃取剂来维持DMC-甲醇较大的相对挥发度,即回流比越大需要越多的萃取剂。

因此在调整萃取剂流量的同时,应注意塔顶回流量对萃取剂的稀释影响。

4 不同复合萃取精馏流程能耗对比

变压精馏中因高压塔回流比较大,能耗较高,当采用萃取塔代替高压塔时可明显降低全流程能耗,不同萃取剂用量时全流程的能耗对比见表4。

由表4可知随着萃取剂使用量增加,萃取塔和常压塔的能耗不断降低。当萃取剂量使得萃取塔塔顶组成为100%甲醇时(即常规萃取精馏),能耗最小。这是因为在萃取塔中,萃取剂浓度越高,DMC和甲醇的相对挥发度越高,分离越容易。另外萃取剂浓度越高,萃取塔顶甲醇浓度越高,使得进入常压塔的物流越少,常压塔能耗也随之降低,总能耗也会降低。

相较于变压精馏流程,在相同塔顶甲醇浓度时(如复合萃取流程3和变压精馏流程对比),复合萃取流程能耗更低。这是因为萃取塔改变了DMC和甲醇的相对挥发度,需要较小的回流比即可得到目标塔顶甲醇浓度,而变压精馏就需要更大的回流比。但相较于萃取流程1,变压精馏流程能耗更小,这是因为萃取流程1中塔顶甲醇浓度过小,导致循环流股流量过大,使得常压塔能耗过高。

5 结论

在萃取精馏分离DMC-甲醇共沸物流程中,不改变塔板数量、回流比、进料位置等参数时,仅通过调整萃取剂用量可有效改变萃取塔塔顶产品组成,达到不同压力高压塔的变压精馏效果,再增加常压塔可以完成碳酸二甲酯的分离。模拟计算时应注意回流比对萃取效果的影响,过大的回流比会稀释萃取剂浓度,导致萃取效果降低。

通过调整萃取剂用量,核算各复合萃取精馏流程的能耗,发现萃取塔回流比不变时,随着萃取剂用量逐渐增加流程能耗逐渐降低,当萃取塔塔顶甲醇质量分数为100%时(即萃取流程)能耗最低。在塔顶甲醇浓度相同时,变压精馏流程能耗要高于复合萃取流程。

由以上结果可以看出复合萃取精馏分离DMC-甲醇共沸物在技术上是可行的,相对于变压精馏能耗上也有一定优势,为化工实际生产过程提供了指导意义。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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