作者：张毅
乙酸乙酯和乙醇是均是重要的工业溶剂，广泛应用于食品、纺织、医药、染料等行业。在乙醇和乙酸制取乙酸乙酯的生产过程中，会产生含有少量乙酸乙酯和乙醇的有机废水，不仅造成环境污染，而且会造成乙酸乙酯和乙醇的损失。由于乙酸乙酯与乙醇、水会形成二元和三元共沸物，给有机废水的净化回收造成了困难。常用的共沸物分离方法有萃取精馏、共沸精馏等方法，本文中在已有文献的基础上，提出一种新型的三塔一层析分离工艺，对其可行性和最佳工艺条件进行模拟研究，以期为工业生产提供一定指导。
1工艺概述
以某厂生产过程中产生的一股2 t/h低浓度有机废水的处理为例，其组成（质量分数）：醋酸乙酯5%，乙醇10%，水85%，欲得到质量分数为95%的乙酸乙酯的产品，且水中乙醇和乙酸乙酯质量分数均小于1 x10-4。用于含有少量乙醇和乙酸乙酯的有机废水净化回收的三塔一层析分离工艺流程如图1所示。
有机废水0101与层析器S0102的水相物流0113在混合器M0101混合，混合物流0114进入粗馏塔T0101，塔顶含有全部乙酸乙酯、少量的水和乙醇的物流0102进入冷却器H0101，冷却物流0103进入层析器S0101分层后，水相0104作为该塔液相回流，油相0109与层析器S0102的油相0112在混合器M0102中混合，混合物流01 15进入酯精制塔T0102进一步提纯，该塔塔顶混合相回流，塔顶物流0110为水、乙醇、乙酸乙酯的三元共沸物，进入层析器S0102冷却分层后，油相0112返回混合器M0102，水相返回混合器M0101，塔底得到质量分数为95%乙酸乙酯产品0111；粗馏塔TOl01塔底得到的不含乙酸乙酯的物流0105进入脱醇塔T0103，该塔塔底采用低压蒸汽0106进行直接加热，塔顶得到体积分数为95%的工业乙醇产品0107，塔底得到净化水0108。
2概念设计
对水一乙醇一乙酸乙酯强极性的非理想体系，采用UNIQUAC活度系数模型对其进行物性计算，得到纯组分和共沸物的温度及组成，并与文献[8 -9]数据比较，如表1所示。
由表1可以看出，模拟预测的组分的沸点和质量组成数据与文献数据对比误差均比较小，因此采用UNIQUAC物性模型对本工艺流程模拟是可行的。
由精馏原理可知，对存在共沸物的三元物系而言，在三元残余曲线图中存在精馏边界将其分成不同的区域，精馏塔的进料组成、塔顶产品组成和塔底产品组成在同一个精馏区域且在一条直线上。若获得其他精馏区域的产品，则需采用加入萃取剂、恒沸剂或层析等方法使进料点跨过精馏边界进入该区域。
使用Aspen Plus绘制的乙酸乙酯一水一乙醇体系的蒸馏残余曲线( RCM)及三塔一层析工艺分离过程如图2所示。
三元平衡相图由精馏边界线D、C、E划分为I、Ⅱ、Ⅲ3个精馏区域，液液相平衡线F和坐标轴围成的阴影区域为两相区且跨越精馏边界，区域之外为均相区。
粗馏塔分离过程为进料点Fl与层析器S0101的水相回流组成点Wl的混合组成点、塔底产品组成点Bl、塔顶产品组成点Sl的连线，该线位于精馏区域I；酯精制塔的分离过程为进料点F2、塔底产品组成点B2和塔顶产品组成点D2的连线，该线位于精馏区域Ⅲ；脱醇塔的分离过程为进料点Bl、塔底产品组成点B3和塔顶产品组成点D3的连线，该线位于精馏区域I；层析器S0101的分离过程为进料点Sl、油相组成点01和水相组成点Wl的液液连接线，层析器S0102的分离过程为进料点D2、油相组成点02和水相组成点W2的液液联结线，该两线跨越精馏边界，使各自油相点01和02进入精馏区域Ⅲ，两者的混合点F2作为酯精制塔的进料，在该区域可获得组成为B2的乙酸乙酯产品。
通过以上分析，只要合理确定粗馏塔和酯精制塔的塔顶产品组成使其处于两相区，分层后的油相进入精馏区域Ⅲ，即可在精馏区域I得到工业乙醇和纯水，在精馏区域Ⅲ得到乙酸乙酯。因此，上述充分证实了三塔一层析分离工艺的可行性。
3流程模拟
3.1模拟过程
上述模拟流程当中各塔均采用RadFrac严格模块，其关键参数如表2所示，层析器S0101和S0102采用Decanter模块，层析温度分别为35℃和30C，各模块均忽略压降。
由于该模拟物系为强非理想极性物系，模拟过程较难收敛，粗馏塔和酯精制塔的收敛方法均采用Strongly non -ideal Liquid，脱醇塔的收敛方法为Aze-otropic。
3.2工艺参数分析
为了确定最佳工艺流程参数，分析各塔几个工艺参数对产品纯度和再沸器热负荷的影响，从而确定最佳的工艺参数。
3.2.1 粗馏塔进料位置的影响
在理论板数、塔底再沸器热负荷和塔顶回流量一定，保证乙酸乙酯全部进入塔顶时，进料位置对塔顶乙酸乙酯组成和塔底乙醇含量的影响如图3所示。
从图3可以看出，当进料位置大于第4块理论板时，塔顶乙酸乙酯组成和塔底乙醇组成变化不大，故选择最佳进料位置为第4块理论板。
3.2.2 酯精制塔理论塔板数的影响
在进料位置、回流比等条件不变的情况下，理论板数与塔底再沸器热负荷、塔底乙酸乙酯组成的关系如图4所示。
从图4可以看出，随着塔板数逐渐增多，塔底再沸器热负荷逐渐降低，塔底乙酸乙酯的质量分数逐渐增多，塔板数为33时，乙酸乙酯的质量分数大于95 %，满足分离要求。
3.2.3 酯精制塔塔顶采出比的影响
固定塔板数为33，进料位置为第6块塔板时，塔顶采出比与塔底乙酸乙酯组成的关系如图5所示。
从图5可以看出，随着塔顶采出比的增加，塔底乙酸乙酯组成逐渐增加，当塔顶采出比大于0. 82时，其值大于95%，满足分离要求。
3.2.4脱醇塔进料位置的影响
在理论板数为22，回流比为5.9时，进料板位置与塔顶乙醇组成和塔底水质量分数的关系如图6所示。
从图6可以看出，随着进料位置从塔顶移到塔底位置时，塔顶乙醇的质量分数和塔底水的质量分数逐渐增多，进料位置为第17块塔板时，水中乙醇和乙酸乙酯的质量分数均小于100×10-4，塔顶乙醇的体积分数达到0. 95，满足分离要求。
3.2.5 脱醇塔汽提水蒸汽流量的影响
在塔板数为22块板，回流比为5.9时，汽提水蒸汽用量和塔底水组成的关系如图7所示。
从图7可以看出，随着汽提水蒸汽用量的增加，塔底水的质量分数增加，汽提水蒸汽用量为30 kmol/h时，塔底水的质量分数基本不变且满足分离要求。
3.3模拟结果与讨论
利用以上分析得出的工艺参数对工艺流程进行模拟，可得各物流结果（表3）以及各塔浓度分布（图8—图10）。由表3可知，酯精制塔T0102塔底物流0111中乙酸乙酯的质量分数为95%，脱醇塔T0103塔顶物流0107中乙醇质量分数为93. 8%，塔底物流0108中水的质量分数为1，满足了分离要求，实现了净化有机废水和回收乙酸乙酯、乙醇的目的。
从图8可以看出，从塔顶到第4块板乙醇和乙酸乙酯的摩尔分数逐渐降低，水的摩尔分数逐渐增加，这是因为乙酸乙酯全部蒸出的同时夹带了大量水和少量乙醇，需进入酯精制塔进一步提纯，从进料板第6块板到第15块板乙酸乙酯的摩尔分数逐渐降低，水的摩尔分数逐渐增加，乙醇的摩尔分数先增加后降低，塔底得到几乎不含乙酸乙酯的乙醇和水混合物，需进入脱醇塔进一步净化。
从图9可以看出，从塔顶到第30块塔板，乙醇、乙酸乙酯、水的摩尔分数基本不变，从第30块塔板到塔底乙醇和水的摩尔分数逐渐降低，乙酸乙酯的摩尔分数逐渐升高。
由图10可知，从塔顶到塔底中乙酸乙酯的摩尔分数基本不变，接近为0，乙醇的摩尔分数逐渐降低，水的摩尔分数逐渐增大，塔顶得到体积分数为95%乙醇与水的共沸物即工业乙醇，塔底得到净化水。
4结论
采用三塔流程可以实现有机废水的净化并回收其中的乙酸乙酯、乙醇等有用组分，并能达到规定的要求。利用Aspen Plus流程模拟软件能够有效模拟该非理想物系的分离，为工业应用提供基础研究。通过概念设计能够为分离过程提供理论基础。
5摘要：
为了对含有少量乙酸乙酯和乙醇的有机废水进行有效净化回收，提出非均相共沸精馏三塔一层析分离工艺，并基于Aspen Plus的概念设计对该方案进行了可行性验证，通过考察粗馏塔、脱醇塔和酯精制塔的工艺参数对分离效果的影响，得到了最佳工艺操作条件。模拟结果表明，该工艺可达到分离要求，具有工艺简单、能耗低、易操作的特点。
