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陈 明
（启东东岳药业有限公司，江苏南通 226200）
异戊醇、乙醇作为一种常用的有机溶剂，主要应用于医药化工行业生产领域中，由于这两种物质均溶于水，因此，所形成的高COD废水通常含有以上两种物质，为了提高废水处理的科学性和有效性，达到节能环保的理念，如何对含异戊醇、乙醇废水进行精馏分离模拟是必须思考和解决的问题[1]。
2.1 二元组分气液相平衡
Wilson、NRTL、UNIQUAC属于比较典型的物性模型，利用三种物性模型精确地预测气液相平衡，并与文献数据进行全面地对比和分析。三种不同物性模型，并不会对水-乙醇体系的气液相平衡相关数据产生明显的影响，并且能很好地与文献数据进行匹配[2]。另外，对于Wilson、NRTL、UNIQUAC三种物性模型而言，均对乙醇-异戊醇体系的气液相平衡相关数据之间相差比较小，与相关文献数据比较符合。但是，这三种物性模型对水-异戊醇体系的气液相平衡预测数据之间存在较大的差距，同时，相关文献数据之间存在的较大的误差。Wilson模型主要用于对高轻组分含量的精确化预测；
UNIQUAC模型主要用于对低轻组分含量的精确化预测。
2.2 共沸点
对于水-乙醇-异戊醇物系而言，通常存在两种共沸物，利用AspenPlus过程模拟软件，对共沸物组成成分进行精确化预测，并将最终预测结果与相关文献数据进行全面地对比和分析，从而确保Wilson、NRTL、UNIQUAC三种物性模型预测结果的精确性和真实性[3]。不同物性模型对水、乙醇、异戊醇纯组分沸点、共沸物组成与共沸点的预测如表1所示。
从表1可以看出，Wilson、NRTL、UNIQUAC三种物性模型均精确地预测了纯组分沸点，同时，对两组共沸物组成成分进行全面化预测期间，UNIQUAC模型所对应的预测结果相对精确，明显优于Wilson、NRTL模型。
表1 不同物性模型对水、乙醇、异戊醇纯组分沸点、共沸物组成与共沸点的预测
2.3 三元液液相平衡
水-乙醇-异戊醇作为一种重要的互溶体系，主要用于液液部分的分析，在该体系中，水-乙醇、乙醇-异戊醇均表现出较高的互溶性，属于完全互溶体系，水-异戊醇并不完全互溶，仅属于部分互溶体系。对于塔顶而言，由于存在液液分相现象，所以，要重视对体系液液相平衡的全面化分析和预测。对于Wilson物性模型而言，并不适合于液液相物性的精确化预测，所以，只能利用NRTL、UNIQUAC两种物性模型，采用三元相图预测的方式，对50℃物系进行精确化预测。在整个相图中，三角形内部区域和阴影部分分别代表三元组组成方式和分相组成方式，阴影边界将分相组成和不分相组成进行有效地分离。三角形顶点附近处通常含有较高的乙醇含量，乙醇与其他物质均能够完全互溶，造成分相边界变得越来越狭窄。对于三角形而言，其下方底边并不存在乙醇，其乙醇含量为零，此时，通过利用NRTL、UNIQUAC两种物性模型，对两个不同的分相边界点进行精确化预测，从而获得如表2所示的不同物性模型对水-异戊醇相互溶解度的预测数据，从表2可以看出，通过利用NRTL、UNIQUAC两种物性模型，对水-异戊醇相互溶解度进行精确化预测，发现其预测值与文献值之间存在一定的差异，但是，与NRTL物性模型相比，UNIQUAC在预测两相液液平衡物性方面表现出更加明显的优势。另外，在Wilson、NRTL、UNIQUAC三种物性模型的应用背景下，对两组分气液相平衡、共沸点等相关数据进行精确化预测，然后，与相关文献数据进行全面地分析和对比，发现UNIQUAC物性模型更能够精确地预测两相液液平衡物性，所以，可以将UNIQUAC物性模型直接设置为精馏分离模拟重要方法。
表2 不同物性模型对水-异戊醇相互溶解度的预测数据
3.1 工艺流程建立
废水精馏工艺流程如图1所示。T1代表精馏塔；
E1代表塔顶冷凝器；
V1代表塔顶产品分相罐；
F代表废水进料；
B代表处理后废水塔底出料；
D1代表塔顶气相出料；
D2代表塔顶产品冷凝液；
D3代表塔顶产品分相出料；
R代表塔顶分相回流；
CWS代表冷却水进塔顶冷凝器；
CWR代表冷却水出塔顶冷凝器。
图1 废水精馏工艺流程
3.2 物料平衡初算
通过对之前初算各物流流量进行精确化模拟计算，并结合表3所示的精馏塔物料平衡初算表设置为物料平衡计算的初始值，为后期AspenPlus模拟工作的有效开展提供重要的数据支持。
表3 精馏塔物料平衡初算表
4.1 理论板数与蒸发量的对应关系
在本次精馏模拟期间，塔底水分质量分数标准值为99.9%通过对蒸发率理论板数之间的关系进行模拟试验，发现蒸发量会对着理论板数的不断上升而呈现出不断下降的趋势，当理论板数从原来的14块上升至22块时，蒸发量下降了37kg/h-1。由于蒸发量和理论板数分别关系到精馏运行成本和装置的采购成本，所以，为了降低财力成本和物力成本，需要将理论板数设置为14。精馏理论板数与蒸发量的对应关系如图2所示。
图2 精馏理论板数与蒸发量的对应关系
4.2 进料位置与蒸发量的关系
严格按照相关设计标准和要求，将塔底水分质量分数和理论板数分别设置为99.9%、14，并绘制出，如图3所示的精馏进料位置与蒸发量的关联图，从图3可以看出，当进料板数从原来的2块增加到6块，蒸发量始终处于恒定不变的状态。当进料板从原来的6块增加到13块时，蒸发量呈现出逐渐增加的趋势，同时，进料位置不断地逼近塔底，此时，蒸发量的增加幅度变得越来越大，为了将精馏运行成本降到最低，将进料位置设置为6块。
图3 精馏进料位置与蒸发量的关系
4.3 塔顶冷凝液在三元相图中的位置
塔顶通常会存在液液分相问题，所以，需要结合塔顶各个流股设置情况，完成对三元相的精确化定位。结果发现，当塔顶蒸馏液相集中分布于底部时，会出现分相现象，两相所对应的组成成分主要分布于阴影区域内，三个点经过连接后，形成相应的直线段。此时，三个组分逐渐逼近于阴影部分的顶点位置。通过精确地计算，发现当废水中乙醇含量不断上升，并上升至3.3%（w）时，造成塔顶蒸馏液所对应的组成成分超出所设置好的边界线，从而形成相应的互溶体系。
在AspenPlus过程模拟软件的应用背景下，提出一套行之有效的含异戊醇、乙醇废水精馏分离模拟方案。利用Wilson、NRTL、UNIQUAC三种物性模型，对二元组分气液相平衡数据、三元液液相平衡数据等相关数据进行全面化、精确化预测，发现通过应用UNIQUAC模型，可以对水-乙醇-异戊醇体系的物性进行精确化预测。此外，通过确定蒸馏量与进料位置两者之间的关系，精确地计算出理论板数值为14。在此基础上，通过对塔顶各组分存在的分相现象进行分析，发现当废水内乙醇质量分数达到3.3%，造成塔顶蒸馏液形成相应的互溶体系。总之，本文所提出含异戊醇、乙醇废水精馏分离处理方案具有较高的可靠性和可行性，保证了最终模拟操作的规范性和合理性，完全符合实际应用需求。
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