一种热集成五塔精馏分离乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯混合物的方法

技术领域

本发明属于化工行业的分离纯化领域，具体涉及到一种热集成五塔精馏分离乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯混合物的方法。

背景技术

正丙醇可用于硝基喷漆、化妆品、牙科洗涤剂、杀虫剂、杀菌剂、油墨、塑料、防冻液的合成以及中间体，还可用于食品添加剂、增塑剂、香料等许多方面。环己烷可用作橡胶、涂料的溶剂，胶粘剂的稀释剂和油脂萃取剂，还可用于制造尼龙的单体己二酸、己二胺和己内酰胺，也用作制造环己醇、环己酮的原料。甲苯是有机化工的重要原料，可作为溶剂用于涂料、树脂、染料、油墨等行业，作为合成单体用于医药、炸药、农药等行业，也可以作为高辛烷值汽油的组分。煤醇解是一种重要的煤高效转化利用技术，乙醇就是一种常见的煤醇解溶剂，经过几次循环利用后，乙醇溶剂纯度下降，从而影响醇解效率和产物收率，其主要的杂质是甲苯、环己烷和正丙醇。这四种组分可形成四种二元共沸物，乙醇和环己烷（共沸温度为64.7℃，共沸组成为29.9wt%的乙醇）、乙醇和甲苯（共沸温度为76.9℃，共沸组成为68.2wt%的乙醇）、正丙醇和环己烷（共沸温度为74.7℃，共沸组成为18.5wt%的正丙醇）、正丙醇和甲苯（共沸温度为92.3℃，共沸组成为52.6wt%的正丙醇）。普通的分离方法难以实现有效的分离。因此，如何对乙醇循环溶剂进行分离提纯，同时回收有价值的化学品正丙醇、环己烷和甲苯，对于煤醇解转化技术的工业化应用具有重要意义。

文献（

因此，提供一种工艺合理、能耗低，产品纯度高的乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯四元混合物的分离方法，已是一个值得研究的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种热集成五塔精馏分离乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯混合物的分离装置。本发明的另一个目的是提供使用所述装置热集成五塔精馏分离乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯混合物的方法。

一种热集成五塔精馏分离乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯混合物的方法，包括用于分离乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯混合物的装置，所述用于分离乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯混合物的装置包括：正丙醇塔PT、萃取塔ET、溶剂回收塔ST、乙醇塔AT、甲苯塔TT、冷凝器C1-C4、再沸器R1-R6、回流罐D1-D5、加压泵P1-P2、减压阀V1-V2；

加压泵P1连接正丙醇塔PT进料口，再沸器R1连接在正丙醇塔PT的塔底，冷凝器C1和回流罐D1连接在正丙醇塔PT的塔顶，回流罐D1的出口与正丙醇塔PT的塔顶回流口和减压阀V1的进口相连，减压阀V1的出口与萃取塔ET的进料口相连；冷凝器C2和回流罐D2连接在萃取塔ET的塔顶，回流罐D2的出口与萃取塔ET的塔顶回流口相连，再沸器R2连接在萃取塔ET的塔底；冷凝器C3和回流罐D3连接在溶剂回收塔ST的塔顶，回流罐D3的出口与溶剂回收塔ST的塔顶回流口和乙醇塔AT的进料口相连，再沸器R3和再沸器R4连接在溶剂回收塔ST的塔底；冷凝器C4和回流罐D4连接在乙醇塔AT的塔顶，回流罐D4的出口与乙醇塔AT的塔顶回流口和加压泵P2的进料口相连，再沸器R5连接在乙醇塔AT的塔底；加压泵P2的出料口与甲苯塔TT的进料口相连，回流罐D5连接在甲苯塔TT的塔顶，回流罐D5的出口与甲苯塔TT的塔顶回流口和减压阀V2的进料口相连，减压阀V2的出料口于乙醇塔AT的循环物料进料口相连，再沸器R6连接在甲苯塔TT的塔底。

待分离正丙醇、乙醇、甲苯和环己烷物流①经加压泵P1加压后进入正丙醇塔PT，正丙醇塔PT塔底得到正丙醇产品物流②，塔顶得到乙醇、环己烷和甲苯混合物蒸汽物流③，该物流用来给萃取塔ET再沸器R2和乙醇塔AT再沸器R5加热，然后经冷凝器C1冷凝后进入回流罐D1，一部分物流④回流，一部分物流⑤经减压阀V1减压后进入萃取塔ET，再沸器R1提高塔内上升蒸汽流。萃取塔ET塔顶环己烷蒸汽物流⑥经冷凝器C2冷凝后进入回流罐D2，一部分物流⑦回流，一部分物流⑧得到环己烷产品。萃取塔ET塔底二甲基亚砜、乙醇和甲苯物流⑨进入溶剂回收塔ST，溶剂回收塔ST塔顶乙醇和甲苯蒸汽物流⑩经冷凝器C3冷凝后进入回流罐D3，一部分物流⑪回流，一部分物流⑫进入乙醇塔AT。溶剂回收塔ST塔底二甲基亚砜物流⑬循环回到萃取塔ET。乙醇塔AT塔顶乙醇和甲苯蒸汽物流⑭经冷凝器C4冷凝后进入回流罐D4，一部分物流⑮回流，一部分物流⑯经加压泵P2加压后进入甲苯塔TT，乙醇塔AT塔底得到乙醇产品物流⑰。甲苯塔TT塔顶乙醇和甲苯蒸汽物流⑱用来给溶剂回收塔ST塔底再沸器R3加热，冷凝后进入回流罐D5，一部分物流⑲回流，一部分物流⑳经减压阀V2减压后循环到乙醇塔AT，再沸器R4为辅助再沸器，甲苯塔TT塔底得到甲苯产品物流㉑，再沸器（R6）提供塔内上升蒸汽流。

一种热集成五塔精馏分离乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯混合物的方法，包括以下步骤：

步骤（1）：待分离乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯混合物经过加压泵P1加压后进入正丙醇塔PT内，正丙醇塔PT的塔底再沸器R1提供塔内上升蒸汽流，同时在正丙醇塔PT的塔底得到正丙醇产品，在正丙醇塔PT塔顶得到乙醇、环己烷和甲苯混合物的蒸汽；此步骤的目的是采用加压精馏的方式将正丙醇从乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯混合物中分离出来，得到高纯度正丙醇产品。

步骤（2）：将步骤（1）中正丙醇塔PT的塔顶乙醇、环己烷和甲苯混合物的蒸汽用来作为萃取塔ET的塔底再沸器R2和乙醇塔AT的塔底再沸器R5的热源，最后在冷凝器C1中经过少量冷凝水的冷凝后进入回流罐D1；此步骤的目的是在正丙醇塔PT和萃取塔ET以及乙醇塔AT之间实现热集成，减少系统的冷凝水和高温蒸汽用量，降低能耗，节约成本。

步骤（3）：将步骤（2）中的回流罐D1一部分物流用来回流，一部分物流经减压阀V1减压后进入萃取塔ET，萃取塔ET所用萃取剂为二甲基亚砜，萃取塔ET塔顶蒸汽经冷凝器C2冷凝后进入回流罐D2，一部分回流，同时得到环己烷产品，在萃取塔ET塔底得到二甲基亚砜、乙醇和甲苯的混合物；此步骤的目的是采用二甲基亚砜萃取剂打破环己烷和乙醇的共沸，将环己烷从环己烷、乙醇和甲苯混合物中分离出来，得到高纯度环己烷产品。

步骤（4）：将步骤（3）中萃取塔ET的塔底二甲基亚砜、乙醇和甲苯的混合物送入溶剂回收塔ST，再沸器R3和再沸器R4为溶剂回收塔ST提供上升蒸汽流，在溶剂回收塔ST的塔底得到纯的二甲基亚砜溶剂，返回萃取塔ET循环利用，溶剂回收塔ST的塔顶蒸汽经冷凝器C3冷凝后进入回流罐D3，得到乙醇和甲苯的混合物；此步骤的目的是将二甲基亚砜萃取剂进行提纯，得到高纯度二甲基亚砜，以便返回萃取塔ET循环利用，减少萃取剂成本。

步骤（5）：将步骤（4）中溶剂回收塔ST的塔顶乙醇和甲苯的混合物一部分回流，一部分送入乙醇塔AT，在乙醇塔AT的塔底得到乙醇产品，乙醇塔AT的塔顶蒸汽经冷凝器C4冷凝后进入回流罐D4，得到乙醇和甲苯混合物；利用乙醇和甲苯共沸物组成随压力改变而变化的特性，采用变压精馏的方式对乙醇和甲苯进行分离，在乙醇塔AT塔底可以得到高纯度的乙醇产品。

步骤（6）：将步骤（5）中乙醇塔AT的塔顶乙醇和甲苯混合物一部分回流，一部分经加压泵P2加压后送入甲苯塔TT，再沸器R6为甲苯塔提供上升蒸汽流，在甲苯塔TT的塔底得到甲苯产品，在甲苯塔TT的塔顶得到乙醇和甲苯蒸汽物流，该物流作为溶剂回收塔ST的塔底再沸器R3的热源，然后经回流罐D5，一部分回流到甲苯塔TT内，一部分经减压阀V2减压后循环到乙醇塔AT。利用乙醇和甲苯共沸物组成随压力改变而变化的特性，采用变压精馏的方式对乙醇和甲苯进行分离，在甲苯塔TT塔底可以得到高纯度甲苯产品，同时在甲苯塔TT和溶剂回收塔ST之间实现热集成，减少系统的冷凝水和蒸汽用量，降低能耗，节约成本。

所述步骤（1）至步骤（6）中，分离的乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯混合物中，乙醇的质量分数为50%-60%，正丙醇质量分数为10%-18%，甲苯质量分数为10%-15%，其余为环己烷，萃取剂与进料的质量流量之比为0.78-1.11。

所述正丙醇塔PT的操作压力为2.2-2.4atm绝压，回流比1.5～2.4，塔底产品正丙醇的质量分数大于99.7％，收率大于99.7％。由于塔压力和回流比对产品纯度和收率均有影响，此操作压力和回流比的目的是确保正丙醇塔PT塔底产品正丙醇的纯度和收率满足要求。

所述萃取塔ET的操作压力为0.2～0.4atm绝压，回流比0.8～2.0，塔顶产品环己烷的质量分数大于99.7％，收率大于99.7％。由于塔压力和回流比对产品纯度和收率均有影响，此操作压力和回流比的目的是确保萃取塔ET塔顶产品环己烷的纯度和收率满足要求。

所述溶剂回收塔ST的操作压力为0.2～0.4atm绝压，回流比0.5～1.2，塔底二甲基亚砜的质量分数大于99.9%，收率大于99.9%。由于塔压力和回流比对产品纯度和收率均有影响，此操作压力和回流比的目的是确保塔底二甲基亚砜萃取剂的纯度和收率满足要求，以便返回萃取塔循环利用，节省萃取剂用量，降低生产成本。

乙醇塔AT操作压力为0.2～0.5atm绝压，回流比1.8～2.8，塔底乙醇的质量分数大于99.7%，收率大于99.7%。由于塔压力和回流比对产品纯度和收率均有影响，此操作压力和回流比的目的是确保塔底乙醇的纯度和收率满足要求。

甲苯塔TT操作压力为9～11atm绝压，回流比0.7～2.0，塔底甲苯的质量分数大于99.7%，收率大于99.7%。由于塔压力和回流比对产品纯度和收率均有影响，此操作压力和回流比的目的是确保塔底甲苯的纯度和收率满足要求。

所述正丙醇塔PT塔板数28～37块，原料进料板位置为第8～15块；萃取塔ET塔板数24～35块，原料进料位置为第16～20块，萃取剂进料位置为5～9块；溶剂回收塔ST塔板数为32～40块，进料板位置为第20～26块；乙醇塔AT塔板数为26-33块，原料进料位置为第18～21块，循环物料进料位置为8～11块；甲苯塔TT塔板数为35～43块，进料位置为24～27块。由于塔板数、进料位置对产品纯度均有影响，所述正丙醇塔PT、萃取塔ET、溶剂回收塔ST、乙醇塔AT、甲苯塔TT的结构确保步骤1-6各个阶段产品纯度能够满足要求。

有益效果：本发明根据二甲基亚砜萃取剂能够改变乙醇和环己烷共沸组分的相对挥发度，以及正丙醇和环己烷、正丙醇和甲苯、甲苯和乙醇共沸物组成随压力改变这些特性，采用萃取精馏和变压精馏相结合的方式，实现正丙醇、乙醇、环己烷和甲苯混合物的分离。将正丙醇塔塔顶蒸汽作为萃取塔和乙醇塔的再沸器热源，将甲苯塔塔顶蒸汽作为溶剂回收塔的再沸器热源，不仅获得了高纯度的正丙醇、乙醇、环己烷和甲苯产品，而且实现了热集成，减少了能耗，提高了能量利用效率。

附图说明

图1是热集成五塔精馏分离乙醇、正丙醇、环己烷和甲苯混合物的流程图；

其中，PT-正丙醇塔，ET-萃取塔，ST-溶剂回收塔，AT-乙醇塔，TT-甲苯塔，D1、D2、D3、D4、D5-回流罐，R1、R2、R3、R4、R5、R6-再沸器，C1、C2、C3、C4-冷凝器，P1、P2-加压泵，V1、V2-减压阀，数字表示各物流。

实施方式

实施例1

以5500kg/h的乙醇质量分数为50%，正丙醇质量分数为15%，甲苯质量分数为15%，环己烷质量分数为20%的混合溶液为例：

正丙醇塔PT操作压力为2.2atm，塔板数为28块，原料进料位置为第8块塔板，回流比为2.4。萃取塔ET操作压力为0.2atm，塔板数为35块，原料进料位置为第16块塔板，萃取剂进料位置为第5块塔板，回流比为0.8，萃取剂流量为3646kg/h。溶剂回收塔ST操作压力为0.2atm，塔板数为32块，进料位置为第20块塔板，回流比为1.2。乙醇塔AT操作压力为0.2atm，塔板数为33块，进料位置为第21块塔板，循环物流进料位置为第11块塔板，回流比为1.8。甲苯塔TT操作压力为9atm，塔板数为35块，进料位置为第24块，回流比为2。正丙醇塔PT塔底得到的正丙醇产品质量分数为99.8%，收率为99.8%。萃取塔ET塔顶得到的环己烷产品质量分数为99.9%，收率为99.9%。溶剂回收塔ST塔底二甲基亚砜的质量分数为99.92%，收率为99.91%。乙醇塔AT塔底得到的乙醇产品质量分数为99.8%，收率为99.8%。甲苯塔TT塔底甲苯产品质量分数为99.9%，收率为99.9%。和无热集成流程相比，总冷凝器负荷减少41.1%，总再沸器负荷减少37.3%。

实施例2

以4100kg/h的乙醇质量分数为53%，正丙醇质量分数为18%，甲苯质量分数为11%，环己烷质量分数为18%的混合溶液为例：

正丙醇塔PT操作压力为2.3atm，塔板数为30块，原料进料位置为第9块塔板，回流比为2.2。萃取塔ET操作压力为0.2atm，塔板数为32块，原料进料位置为第17块塔板，萃取剂进料位置为第7块塔板，回流比为1.0，萃取剂流量为2858kg/h。溶剂回收塔ST操作压力为0.3atm，塔板数为40块，进料位置为第26块塔板，回流比为0.5。乙醇塔AT操作压力为0.3atm，塔板数为31块，进料位置为第18块塔板，循环物流进料位置为第9块塔板，回流比为2.0。甲苯塔TT操作压力为9.3atm，塔板数为41块，进料位置为第24块，回流比为0.9。正丙醇塔PT塔底得到的正丙醇产品质量分数为99.8%，收率为99.8%。萃取塔ET塔顶得到的环己烷产品质量分数为99.8%，收率为99.9%。溶剂回收塔ST塔底二甲基亚砜的质量分数为99.93%，收率为99.94%。乙醇塔AT塔底得到的乙醇产品质量分数为99.9%，收率为99.9%。甲苯塔TT塔底甲苯产品质量分数为99.9%，收率为99.9%。和无热集成流程相比，总冷凝器负荷减少43.5%，总再沸器负荷减少38.1%。

实施例3

以6330kg/h的乙醇质量分数为55%，正丙醇质量分数为13%，甲苯质量分数为14%，环己烷质量分数为18%的混合溶液为例：

正丙醇塔PT操作压力为2.4atm，塔板数为32块，原料进料位置为第11块塔板，回流比为2.0。萃取塔ET操作压力为0.3atm，塔板数为24块，原料进料位置为第16块塔板，萃取剂进料位置为第6块塔板，回流比为2.0，萃取剂流量为6113kg/h。溶剂回收塔ST操作压力为0.4atm，塔板数为34块，进料位置为第24块塔板，回流比为1.0。乙醇塔AT操作压力为0.3atm，塔板数为29块，进料位置为第18块塔板，循环物流进料位置为第8块塔板，回流比为2.4。甲苯塔TT操作压力为11atm，塔板数为43块，进料位置为第25块，回流比为0.7。正丙醇塔PT塔底得到的正丙醇产品质量分数为99.9%，收率为99.9%。萃取塔ET塔顶得到的环己烷产品质量分数为99.8%，收率为99.8%。溶剂回收塔ST塔底二甲基亚砜的质量分数为99.97%，收率为99.92%。乙醇塔AT塔底得到的乙醇产品质量分数为99.8%，收率为99.8%。甲苯塔TT塔底甲苯产品质量分数为99.9%，收率为99.9%。和无热集成流程相比，总冷凝器负荷减少38.6%，总再沸器负荷减少36.3%。

实施例4

以7250kg/h的乙醇质量分数为57%，正丙醇质量分数为16%，甲苯质量分数为13%，环己烷质量分数为14%的混合溶液为例：

正丙醇塔PT操作压力为2.2atm，塔板数为34块，原料进料位置为第13块塔板，回流比为1.8。萃取塔ET操作压力为0.3atm，塔板数为26块，原料进料位置为第19块塔板，萃取剂进料位置为第8块塔板，回流比为1.8，萃取剂流量为5603kg/h。溶剂回收塔ST操作压力为0.2atm，塔板数为35块，进料位置为第23块塔板，回流比为0.9。乙醇塔AT操作压力为0.5atm，塔板数为28块，进料位置为第19块塔板，循环物流进料位置为第9块塔板，回流比为2.5。甲苯塔TT操作压力为10.6atm，塔板数为39块，进料位置为第26块，回流比为1.4。正丙醇塔PT塔底得到的正丙醇产品质量分数为99.9%，收率为99.9%。萃取塔ET塔顶得到的环己烷产品质量分数为99.9%，收率为99.9%。溶剂回收塔ST塔底二甲基亚砜的质量分数为99.99%，收率为99.94%。乙醇塔AT塔底得到的乙醇产品质量分数为99.8%，收率为99.8%。甲苯塔TT塔底甲苯产品质量分数为99.8%，收率为99.9%。和无热集成流程相比，总冷凝器负荷减少39.4%，总再沸器负荷减少35.2%。

实施例5

以3150kg/h的乙醇质量分数为58%，正丙醇质量分数为10%，甲苯质量分数为12%，环己烷质量分数为20%的混合溶液为例：

正丙醇塔PT操作压力为2.3atm，塔板数为37块，原料进料位置为第12块塔板，回流比为1.5。萃取塔ET操作压力为0.4atm，塔板数为28块，原料进料位置为第18块塔板，萃取剂进料位置为第6块塔板，回流比为1.6，萃取剂流量为2722kg/h。溶剂回收塔ST操作压力为0.2atm，塔板数为36块，进料位置为第22块塔板，回流比为0.8。乙醇塔AT操作压力为0.2atm，塔板数为30块，进料位置为第20块塔板，循环物流进料位置为第10块塔板，回流比为2.2。甲苯塔TT操作压力为10.2atm，塔板数为37块，进料位置为第27块，回流比为1.8。正丙醇塔PT塔底得到的正丙醇产品质量分数为99.8%，收率为99.9%。萃取塔ET塔顶得到的环己烷产品质量分数为99.9%，收率为99.9%。溶剂回收塔ST塔底二甲基亚砜的质量分数为99.97%，收率为99.95%。乙醇塔AT塔底得到的乙醇产品质量分数为99.8%，收率为99.8%。甲苯塔TT塔底甲苯产品质量分数为99.8%，收率为99.9%。和无热集成流程相比，总冷凝器负荷减少40.7%，总再沸器负荷减少37.8%。

实施例6

以8800kg/h的乙醇质量分数为60%，正丙醇质量分数为11%，甲苯质量分数为10%，环己烷质量分数为19%的混合溶液为例：

正丙醇塔PT操作压力为2.4atm，塔板数为35块，原料进料位置为第15块塔板，回流比为1.7。萃取塔ET操作压力为0.2atm，塔板数为30块，原料进料位置为第20块塔板，萃取剂进料位置为第9块塔板，回流比为1.2，萃取剂流量为7989kg/h。溶剂回收塔ST操作压力为0.3atm，塔板数为38块，进料位置为第25块塔板，回流比为0.6。乙醇塔AT操作压力为0.4atm，塔板数为26块，进料位置为第18块塔板，循环物流进料位置为第9块塔板，回流比为2.8。甲苯塔TT操作压力为9.8atm，塔板数为37块，进料位置为第25块，回流比为1.6。正丙醇塔PT塔底得到的正丙醇产品质量分数为99.8%，收率为99.9%。萃取塔ET塔顶得到的环己烷产品质量分数为99.8%，收率为99.9%。溶剂回收塔ST塔底二甲基亚砜的质量分数为99.96%，收率为99.94%。乙醇塔AT塔底得到的乙醇产品质量分数为99.8%，收率为99.9%。甲苯塔TT塔底甲苯产品质量分数为99.8%，收率为99.9%。和无热集成流程相比，总冷凝器负荷减少35.5%，总再沸器负荷减少36.4%。。