利用三元相图分析精馏分离的可行性

  三元相图在组分分离过程中的作用非常重要，正确解读三元相图不仅能帮助我们分析一个分离方案是否可行，甚至能帮助我们对流程模拟的循环流股进行合理的初值估算。

  下面我们以一个典型的乙醇-水体系通过夹带剂苯共沸精馏得到高纯乙醇的典型案例，来说明三元相图是如何帮助我们进行分离方案选择的。

  该体系是海川石化为河北某企业设计的工艺包，该工艺包以生物质发酵，制得4%~6%摩尔分数的乙醇水溶液，经预处理后，得到大约84%摩尔分数的乙醇和16%的水。由于乙醇-水常压下在此摩尔组成形成共沸，无法通过常规的精馏手段实现进一步的提纯。海川石化根据三元相图结合文献报道，得到如图1设计方案，在此我们分析此方案的依据。

图1 乙醇-水共沸分离工艺流程图

  通过图2的乙醇-水-苯的三元相图可以看出，该三元体系共沸物如表1所示。精馏边界线将线图分为3个部分，在每个区域内的进料，只能得到其边界包围的产品，而不能得到超出此区域的产品。下面红色区域为三元体系的液液平衡区域，在此区域内乙醇-水-苯分层为富苯层和富水层两相，落在此区域的物系F经分相后，富苯层和富水层的组成及流量遵循杠杆规则。即先绘制出通过F点的连接线，连接线与液液平衡边界线的交点，即为富苯层和富水层的组成点。

表1 乙醇-水-苯物系的共沸物组成及共沸点

图2 乙醇-水-苯三元相图

图3 乙醇-水-苯系统初始操作点

  由于预期产品乙醇在CGHJ区域内，而待分离物系组成在F0处，因此，如果没有共沸剂不能得到纯乙醇，因此二者不在一个区域内。如果加入苯，当新的物系组成点F1在CGHJ区域内可以得到高纯乙醇。根据杠杆规则可以得到苯的初始加入量即苯/进料=F0F1/F1A。同理，连接CF1并延长，与GH相交，交点即为T1塔顶馏出物组成，其流量计算方法为：D1/F1=CF1/CD1。以上分析看出T1塔设置为共沸精馏合理。

  T1塔塔顶馏出物经冷却降温后分层，富水相组成与纯水（直角顶点）在同一精馏边界区内，因此可通过精馏实现其中的水分离。值得注意的是，此处设置分相器的作用是使塔顶馏出物在接下来的精馏操作中得到水，如果不采用它，则无论如何是得不到纯水的。流量方面，富水相/富苯相可通过杠杆原则求得。

  在接下来的脱水塔T2中，知道富水相组成，及纯水。则塔顶返回T1塔返回液组成L又可通过杠杆原则得到。至此，按以上步骤即可得到各变量初始值。

图4 乙醇-水-苯系统迭代求解图例

  在第一次计算的基础上，得到返回液初始值L。将F0和L组成混合得到新的进料F0’，以此作为新的计算起点，按上述步骤，依次得到F1’、新富水相、新富苯相、L1’。

  比较各变量两次偏差，直至所有变量前后两次偏差可忽略不计，即为最终稳定状态解。

  需要说明的是，由于共沸精馏中物质挥发度的高度非理想性，极有可能得到多个稳定态解，微小的组成变化就会导致塔内温度、组成分布的巨大差异。因此，在模拟计算中，要始终观察流股结果的变化，根据经验判断结果的合理性。