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无锡瑞升酒精回收塔:萃取精馏提纯乙二胺的过程模拟

发布时间:2019-01-09 12:47:00 点击:    

引言

无锡瑞升酒精回收塔2019年1月9日讯  乙二胺主要作为制备各种功能性产品的中间体,用于生产医药、农药、环氧树脂固化剂、燃料中间体、固色剂和EDTA(乙二胺四乙酸)等。在有机化合物、高分子化合物、医药、燃料、农药等行业中,乙二胺可用于生产螯合剂、防虫剂、土壤改良剂、润滑剂、橡胶促进剂此外,乙二胺还可用作环氧树脂固化剂、乳化剂、防冻剂、有机溶剂和化学分析试剂,也用作蛋白、纤维蛋白等的溶剂[1]

乙二胺生产方法主要有二氯乙烷(EDC)法、乙二醇法,乙醇胺(MEA)法、环氧乙烷(EO)法、乙烯氨化法、甲醛-氢氰酸法、氯乙酰氯氨法、氨基乙腈加氢法和二甘醇氨化法。其中乙二醇法原料便宜,反应步骤简单,采用非均相金属为催化剂,无氯化盐生成,并且解决了其他工艺催化剂制备费用昂贵及设备腐蚀的问题。然而,由于常压下乙二胺和副产物水形成最高恒沸物,恒沸温度为119.5℃,恒沸组成乙二胺质量含量81.6%,不易分离。因此,该工艺过程中,分离乙二胺和水的过程成为了关键之一。目前常用的分离方法有:变压精馏、共沸精馏、萃取精馏[2]

本文利用Aspen Plus软件对乙二醇法制备乙二胺工艺进行系统模拟,并采用新型萃取剂萃取精馏分离乙二胺-水恒沸体系,分析各操作单元的工艺条件、对系统进行优化,为该工艺路线的运行优化进行模拟[3]

1 乙二醇法制备乙二胺工艺

1.1 乙二醇法制备乙二胺的工艺流程

 乙二醇法制备乙二胺的工业操作流程可以简单介绍为:乙二醇与氨进入装填以铜为主要组分的催化剂的反应器,进行氢化胺化反应,生成乙二胺、水、副产乙醇胺,反应后的混合物经过除氨、除水等得到产品乙二胺[4]

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图1 乙二胺-水T-x-y图(308K)

利用ASPENPLUS的物性分析功能,做出乙二胺-T-x-y图(如图1所示)。明显可以看出存在共沸点,因此常用的精馏方法很难将此体系分离。

2 萃取工艺流程

2.1萃取剂的选择

传统工艺中萃取剂多选用氢氧化钠,但提纯后的乙二胺纯度不高,另外强碱性萃取剂对设备有腐蚀。本文采用萃取效果更好的二乙二醇单甲醚作为萃取剂。

2.2萃取精馏工艺流程

乙二胺除水的工艺过程是从乙二醇反应器出来的粗产品经过除氨的粗产品(乙二胺摩尔流率6kmol/hr 水摩尔流率18 kmol/hr)经过加热后,从萃取精馏塔(22块理论板,20KPa)底部进入,萃取精馏塔塔顶流出物为水和部分萃取剂,塔底流出的乙二胺和大部分萃取剂进过预热从中部进入分离塔(20块理论板,3KPa),塔顶得到质量分数98%的乙二胺,塔底分离得到的萃取剂回流至混合器中循环使用。工艺流程见图2。

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图2 乙二胺萃取除水工艺流程

3 萃取精馏塔的优化

选用RADFRAC精馏模块,热力学模型选择精馏体系常用的UNIFAC方程。为了确保乙二胺提纯效果,需要优化塔的相关工艺参数。影响分离效果的因素有进料温度、进料位置、塔板数、回流比等。通过灵敏度分析和设计规定多次调整参数,得到最佳操作条件。

3.1 塔板数对萃取精馏塔的影响

塔板数对萃取精馏塔分离效果的影响见图3。

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图3 塔的理论板数灵敏度分析

塔板数越多,分离效果越好,但是设备费用也会随之增加。对于精馏塔的计算,先确定塔板数。利用Aspen Plus软件内的Model Analysis Tools对严格塔内塔板数与分离效果的关系进行灵敏度分析。

从图3可以看出,随着塔板数增加,乙二胺的摩尔流率呈上升趋势,水的摩尔流率呈下降趋势,塔板数23-27块时乙二胺摩尔流率接近6kmol/hr,水含量接近于0kmol/hr。考虑到工业成本和实际操作的难易程度,确定塔的理论板数为26块。

3.2 进料位置的影响

理论板数确定后,进料位置同样会影响产品的质量,将萃取分离塔分离出的萃取剂加入循环过程后,会有循环流股出现。采用序贯模块法分析,定义物流9为撕裂物流。通过灵敏度分析确定进料位置,以物流2,5的进料位置为自变量,以塔釜乙二胺摩尔流率为因变量作灵敏度分析,见图4

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图4 进料位置灵敏度分析

由图4可知,物流5进料位置在第4块板,物流2进料位置在第14块板时,乙二胺摩尔流率接近6 kmol/hr,因此确定物流2进料位置为第14块塔板。

确定物流2进料位置以后,以物流5的进料位置为自变量,分别以塔釜乙二胺和水的摩尔流率以及塔底再沸器热负荷为因变量做灵敏度分析,见图5、图6。

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  图5 进料位置灵敏度分析

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 图6 进料位置灵敏度分析

由图5、图6可以看出随着物流5的进料位置靠近塔釜,再沸器的热负荷加大,当物流5进料位置为第2块塔板时,乙二胺摩尔流率≈6kmol/hr,水的摩尔流率≤0.00001kmol/hr,达到了工业分离要求,因此物流5进料位置为第2块。

3.3 回流比的影响

以萃取精馏塔的回流比为自变量,塔釜乙二胺和水的摩尔流率作为因变量作图,灵敏度分析见图7。

图7 回流比的灵敏度分析

由图7可知,回流比在0.3~0.4时乙二胺产品的质量分数随回流比的减小而增大,综合考虑塔釜水的摩尔流率,回流比在0.4较为适宜。

3.4 塔顶产品与进料流率之比的影响

以萃取精馏塔的塔顶产品与进料流率之比为自变量,塔釜乙二胺和和水的摩尔流率作为因变量作图,灵敏度分析见图8

图8 塔顶流出率的灵敏度分析

由图8可知,流率比在0.18-0.20之间塔釜乙二胺含量较多,水的含量较少。且加大流率比会有乙二胺产品进入塔顶,综合考虑选择流率比为0.18

3.5 进料温度的影响

以换热器12的温度为自变量,塔釜乙二胺和和水的摩尔流率作为因变量作图,进料温度对萃取精馏塔分离效果的影响见图9、图10

图9 进料温度的灵敏度分析

图10 换热器2进料温度灵敏度分析

由图9、图10可以看到随着进料温度的上升塔釜乙二胺和水的含量逐渐增多,温度越高,换热器需要的能耗越高,换热器2温度为140℃时,乙二胺摩尔流率最大,此时塔釜中水的摩尔流率接近于0。换热器1的温度由于在10℃-100℃之间,乙二胺和水的摩尔流率变化不大,所以选择常温25℃进料。综合考虑,换热器1的温度选择25℃,换热器2的温度选择140℃

以换热器3温度为自变量,分离塔塔顶乙二胺质量分数为因变量作图,

图11 换热器3进料温度灵敏度分析

由图11可知,换热器3温度越低萃取分离塔塔顶乙二胺质量分数越高,换热器在0-10℃之间塔顶组成变化不大,且已达到分离要求,考虑换热费用,换热器3的温度选择10℃

4 模拟数据与试验数据的比较

在乙二胺萃取精馏的工艺基础上,通过工艺软件模拟定量分析了工艺过程的操作影响,根据模拟结果得出最佳操作工艺参数,进行工艺设计。模拟数据与实验数据[5]的比较见表1

表1 模拟数据与实验数据比较       W/%

组分

进料

精馏分离塔塔顶

实验数据



乙二胺

60%

93.6%

40%

6.4%

模拟数据



乙二胺

54.2%

98%

45.8%

2%


从表1可以看出,在定量分析下,通过萃取精馏,采用新型萃取剂乙二胺的分离效果优于实验数据,因此该模拟结果具有一定的参考价值。

5 结论

采用萃取精馏法分离乙二胺和水共沸体系,同时最后分离出的二乙二醇单甲醚可以循环到萃取阶段,减少了工艺过程后续处理的阶段,工艺产品乙二胺的质量分数达到98%。经过对萃取精馏过程的优化,确定萃取精馏塔的分离操作条件:塔板数26块,物流2进料位置为第14块塔板,物流5进料位置为第2块塔板,回流比0.18,塔顶产品与进料流率比0.19.换热器1温度140℃,换热器2温度25℃,换热器3温度10℃

参考文献

[1]韩长平,宋小平. 精细有机中间体制造技术[M]. 北京:科学技术文献出版社,2004:5 - 9.

[2]孔望清,张良晓,谢静思。乙二胺的应用及其下游产品开发[J]。河北化工,2005,(3):13-15

[3]张培辉,秦学洵; 乙二胺提纯的研究[J]; 上海化工,1996,10(6):16-20

[4]Texaco Chemical Inc. Decolorization ofPolyethylene Polyamines Using Ruthenium:US,5364971[P]. 1994 - 11 - 15.

[5]张海江,陈新志。管道化反应器合成乙二胺的工艺研究[D];浙江大学,2008.06


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