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AspenPlus模拟乙醇-水体系萃取精馏分离：以乙二醇为萃取剂

摘要

乙醇与水形成共沸物系，常规精馏难以实现高纯度分离。本文聚焦于采用乙二醇作为萃取剂，通过AspenPlus流程模拟软件，构建乙醇-水体系萃取精馏分离的稳态模型。文章详细阐述了模拟过程中的关键步骤，包括物系分析、物性方法选择、工艺流程搭建、关键参数设置与优化，并对模拟结果进行了分析与讨论。旨在为相关工艺的设计与优化提供理论依据和实用参考，展现萃取精馏技术在共沸体系分离中的应用价值。

关键词

AspenPlus；乙醇-水分离；萃取精馏；乙二醇；共沸物；模拟优化

引言

乙醇作为一种重要的基础化工原料和清洁能源，在化工、医药、食品等领域有着广泛的应用。工业生产中，乙醇通常通过发酵或水合反应制得，其产物中不可避免地含有大量水分。由于乙醇与水在常压下形成最低共沸物（乙醇质量分数约95.6%），采用普通精馏方法无法获得更高纯度的乙醇产品。为突破共沸限制，工业上常采用萃取精馏、恒沸精馏、膜分离等特殊分离技术。其中，萃取精馏因其操作灵活、能耗相对较低、易于工业化放大等优点而被广泛采用。

萃取精馏的核心在于选择一种高效的萃取剂（或称溶剂），通过改变原有组分间的相对挥发度，从而实现共沸物的有效分离。乙二醇（EG）因其对乙醇-水体系具有良好的选择性、较高的沸点、化学稳定性以及与水的互溶性等特点，常被选为分离乙醇-水的萃取剂。本文将详细介绍如何利用AspenPlus软件，以乙二醇为萃取剂，对乙醇-水体系的萃取精馏过程进行模拟与分析，为实际工艺设计提供指导。

1.萃取精馏原理与物系特性

1.1萃取精馏基本原理

萃取精馏是向精馏塔中加入一种高沸点的溶剂（萃取剂），该溶剂与原溶液中的某一组分（通常是易挥发组分或难挥发组分）具有更强的相互作用，从而显著改变原组分间的相对挥发度。在乙醇-水体系中，加入乙二醇后，乙二醇分子与水分子之间会形成更强的氢键作用，削弱水分子与乙醇分子间的相互作用，使得乙醇相对于水的挥发度增大，从而打破共沸，使乙醇能够从塔顶得到提纯。

1.2乙醇-水-乙二醇体系特性

乙醇（Ethanol），分子式C?H?OH，沸点约78.3℃；水（Water），沸点100℃；乙二醇（EthyleneGlycol），分子式C?H?O?，沸点约197.3℃。乙二醇的沸点远高于乙醇和水，确保其在精馏过程中主要留在塔釜，随釜液排出，经回收后循环使用。在该三元体系中，乙二醇的加入是影响乙醇与水相对挥发度的关键因素，其浓度分布将直接影响整个塔内的分离效果。

2.AspenPlus模拟基础设置

2.1物性方法选择

物性方法的正确选择是保证模拟结果准确性的前提。对于乙醇-水-乙二醇这类强极性、易形成氢键的物系，活度系数模型是描述其汽液平衡行为的合适选择。常用的活度系数模型包括Wilson、NRTL（Non-RandomTwoLiquid）和UNIQUAC等。其中，NRTL模型因其对非理想性较强的体系，尤其是部分互溶体系和含强极性组分体系具有较好的适应性，且所需的二元交互作用参数相对容易获取或回归，故在本模拟中选用NRTL方程作为物性方法。AspenPlus数据库中通常包含常见物系的NRTL二元交互参数，对于缺失或精度不足的参数，可能需要通过实验数据回归或选用可靠的文献值进行补充。

2.2组分定义与流股设置

3.工艺流程构建

3.1单元操作模块选择

萃取精馏过程主要涉及以下核心单元操作模块：

*萃取精馏塔（RADFRAC）：选用AspenPlus中的RADFRAC模块进行严格的精馏计算。该模块可模拟具有任意进料和侧线采出的多级汽液传质设备，适用于萃取精馏过程。

*溶剂回收塔（RADFRAC）：由于萃取剂乙二醇沸点远高于水，塔釜液经简单蒸馏即可回收乙二醇，故溶剂回收塔同样采用RADFRAC模块。塔顶得到水，塔釜得到回收的乙二醇，可循环回萃取精馏塔使用。

*泵（PUMP）：用于加压输送回收的乙二醇。

*换热器（HEATER/COOLER）：用于调节循环乙二醇的温度，使其达到萃取精馏塔所需的进料温度。

3.2流程连接

典型的工艺流程如下：

1.乙醇-水原料液（FEED）从萃取精馏塔的中下部适当位置进料。

2.纯乙二醇萃取剂（SOLVENT）从萃取精馏塔的上部，原料进料口上方若干块理论板处进料，以保证在整个萃取精馏段（原料进料口以上至塔顶）都有足够浓度的萃取剂，充分发挥其作用。

3.萃取精馏塔塔顶采出高纯度乙醇产品（DISTILLATE）。

4.萃取精馏塔塔釜液（BOTTOMS1）主要包含水和乙二醇，送入溶剂回收塔。

5.溶剂回收塔塔顶采出水分（DISTILLATE2）。

6.溶剂回收塔塔釜采出回收的乙二醇（BOTTOMS2）