变压精馏分离乙醇苯混合物
摘要：乙醇和苯是工业上极为重要的有机化工原料，广泛的运用到工农业的各个领域。乙醇苯混合物是一种二元最低共沸液体混合物，用普通分离方法难以达到分离效果，故采用变压精馏的方法分离乙醇与苯。
根据产品要求可以通过两个塔实现分离，此设计包括精馏塔的工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、塔体设计、设备计算，并进行了塔板水力学校核计算，得到了比较理想的工艺流程。
关键词: 共沸; 变压精馏; 乙醇苯
1.1前言
苯可以由含碳量高的物质不完全燃烧获得。自然界中，火山爆发和森林火险都能生成苯。苯也存在于香烟的烟中。21世纪以来全球大部分的苯来源于石油化工。工业上生产苯最重要的三种过程是
催化重整、甲苯加氢脱烷基化和蒸汽裂化。苯在工业上最重要的用途是做化工原料。苯可以合成一系列苯的衍生物：苯经取代反应、加成反应、氧化反应等生成的一系列化合物可以作为制取塑料、橡胶、纤维、染料、去污剂、杀虫剂等的原料。大约10%的苯用于制造苯系中间体的基本原料。
工业上一般用淀粉发酵法或乙烯直接水化法制取乙醇，工业制乙醇还主要是通过乙烯氢化制得，而适合中国国情的技术就是利用煤化工技术，将煤转化为合成气，直接或者间接的合成乙醇。然而由于各种原因，一般的发酵法生产乙醇成本较高，乙醇生产难以规模化。联合生物加工技术，一体化程度高，能有效降低生产成本，未来发展前景广阔。乙醇的用途很广，可用乙醇制造醋酸、饮料、香精、染料、燃料等。医疗上也常用体积分数为70%-75%的乙醇
作消毒剂等，在国防工业、医疗卫生、有机合成、食品工业、工农业生产中都有广泛的用途。
乙醇和苯是工业上极为重要的有机化工原料。乙醇苯混合物是一种二元最低共沸液体混合物，用普通分离方法无法对其进行分离，变压精馏可以有效的分离二元共沸液体混合物[1-2]。Wade于1911年首先提出了共沸的概念，到目前为止发现的共沸体系已达22144个，占总发表的汽液平衡体系的47％，可见共沸是一种普遍现象，共沸物的分离也是工业生产中亟待解决的难题。
1.2共沸物分离的方法
根据不同的分离物系，我们常用的分离共沸物的方法有共沸精馏、萃取精馏、膜分离和变压精馏等。
1.2.1共沸精馏
共沸精馏又叫（恒沸精馏）是在原溶液中添加恒沸剂使其与溶液中至少一个组分形成最低（最高）恒沸物，以增大原组分间相对挥发的非理想溶液的多元精馏。共沸精馏可分离具有最低恒沸点的溶液、具有最高恒沸点的溶液以及挥发度相近的物系[3]。在共沸精馏塔中，塔底（塔顶）得到共沸物，而塔顶（塔底）得到目的产物[4]。共沸精馏的流程取决于挟带剂与原有组分所形成的恒沸液的性质。
1.2.2萃取精馏
萃取精馏和共沸精馏相似，也是向原料液中加入第三组分（称为萃取剂或溶剂），以改变原有组分间的相对挥发度而得到分离。但不同的是要求萃取剂的沸点较原料液中各组分的沸点高得多，且不与组分形成恒沸液。适用于近沸点物系和共沸物的分离。萃取精馏按操作方式可分为连续萃取精馏和间歇萃取精馏, 间歇萃取精馏是近年发展起来的新的萃取精馏方法[5]。
1.2.3膜分离
膜分离是根据生物膜对物质选择性通透的原理所设计的一种对包含不同组分的混合样品进行分离的方法。分离中使用的膜是根据需要设计合成的高分子聚合物，分离的混合样品可以是液体或气体[6]
。
1.2.4变压精馏
变压精馏是根据物系压力改变引起液体混合物共沸点组成变化，进而使共沸物系得以分离的一种有效分离方法，和其他分离共沸物的方法如共沸精馏、萃取精馏、膜渗透相比,具有工艺简单、不引入杂质以及节约能耗等优点[7]。
1.3变压精馏的概述
1.3.1变压精馏的原理
很多共沸混合物的共沸组成会随压强的变化而明显改变，所以在理论上可以通过改变压强的方法来分离，而变压精馏就是利用二元混合物系对拉乌尔定律产生偏差的特点，改变压力可以打破常压下形成的二元共沸点或改变其共沸组成，通过精馏可以在塔顶或者塔底得到一个高纯度组分。如图1-1二元物系A+B在不同压力下的汽液平衡图。变压精馏就是利用这一特性，采用两个不同压力操作的双塔精馏流程，实现二元混合物的分离,如图1-2。
由于乙醇和苯之间发生共沸，无法使用一般精馏方法将它们分离。但混合物的共沸组成随压力的变化灵敏，对于乙醇-苯体系而言，随着压力的变化，恒沸物温度和组成均发生变化。当压力从101.3kpa 下降到38.5kpa时，共沸物组成中乙醇的摩尔分数由44.8%变为36%，共沸点温度下降到35摄氏度[8]。根据这一特性，考虑使用变压精馏的方法分离乙醇——苯的混合物。
1.3.2变压精馏的优缺点
在化工工业生产中经常会遇到均相共沸物的分离，其中变压精馏应用广泛，
但是迄今，有关该过程的实验研究数据还很少。相比其它特殊精馏，变压精馏具
有以下突出优点：①通过系统的热集成达到节能的目的，高压塔(HP)塔顶馏出物的热交换器同时作为低压塔(LP)的再沸器，节省能量消耗；②不需添加其它物质(即添加剂)。但两塔间的热量、质量集成给流程的自动化控制带来较大的困难，但我们可以将图1-2中第一个塔的塔顶产品作为第二个塔再沸器的加热蒸汽，从而节约能量。
1.3.3变压精馏的操作方式
变压精馏的操作方式有三种：连续操作、间歇操作、半连续操作[9]。在连续过程中，串联的两塔在不同压力下运行。不同压力下塔顶馏出的共沸物在两塔间回流。间歇变压精馏只需一个塔就可完成整个过程。在半连续操作过程中，也只需一个精馏塔。但塔的操作是连续且周期性的。塔板或填料始终有液相，连续进料，连续冷凝，具有低投资和短停工期等优点。
1.3.4工艺流程
乙醇苯混合物分离的工艺流程, 如图2[10]所示。
工艺中有两个不同压力的塔, B1 (低压塔)和B2(高压塔)。乙醇苯的原料和从高压塔B2循环回来的液相混合后, 进入低压塔B1, B1塔底的物流即为符合纯度要求的乙醇产品, 从B1 塔顶出来的物流3中的乙醇的浓度比塔顶压力下共沸物的略高, 进泵P1升压后在经换热器H1升温到泡点进入高压塔B2, B2塔底的物流即为符合纯度要求的苯产品, B2塔顶物流循环到前面与原料物流1混合。
1.4 总结
采用高压塔和低压塔联用的变压精馏工艺可以实现乙醇苯二元共沸体系的分离。分析及模拟过程对该类具有最低共沸点二元难分离物系的分离提纯提出了一种新分离思路及可行性判别方法，对共沸物系分离工艺设计和现有装置改造具有重要的指导意义。
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