偏氟乙烯精餾的Aspen Plus模擬分析

鐘益堂

（中昊晨光化工研究院有限公司，四川 自貢 643201）

偏氟乙烯（VDF）是含氟有機(jī)化合物生產(chǎn)中僅次于四氟乙烯規(guī)模生產(chǎn)的單體[1]。主要用于合成聚偏氟乙烯（PVDF）。PVDF具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、集中應(yīng)用于石油化工、電子電氣和氟碳涂料3大領(lǐng)域。VDF易與乙烯、三氟氯乙烯、四氟乙烯、六氟丙烯、氟乙烯、含氟烷基乙烯基醚等發(fā)生共聚反應(yīng)，制備特種氟橡膠應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、火箭等行業(yè)。PVDF樹(shù)脂還可以與其他樹(shù)脂共混改性，如PVDF與ABS樹(shù)脂共混得到復(fù)合材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑、汽車裝飾、家電外殼等[2]。

Aspen Plus是美國(guó)Aspen技術(shù)公司20世紀(jì)80年代初推向市場(chǎng)、具有準(zhǔn)確單元操作模型和最新計(jì)算方法的大型工藝流程模擬計(jì)算軟件[3－4]。本文應(yīng)用Aspen Plus模擬軟件對(duì)VDF精餾系統(tǒng)中的精餾塔進(jìn)行了靜態(tài)模擬，并對(duì)進(jìn)料位置NF、回流摩爾比R、餾出摩爾比D/F等操作參數(shù)做了靈敏度分析。

1 工藝流程及工藝參數(shù)

VDF精餾系統(tǒng)由脫高塔、脫輕塔、精餾塔及回收塔組成，粗產(chǎn)品VDF進(jìn)入脫高塔除去高沸物，再進(jìn)入脫輕塔除去低沸物，然后進(jìn)入精餾塔精制VDF，釜液進(jìn)入回收塔進(jìn)行回收。精餾塔進(jìn)料液中VDF、二氟一氯乙烷（HFC-142b）摩爾分?jǐn)?shù)分別為90.80%、9.20%，進(jìn)料摩爾流量為10.388 kmol/h，溫度-5℃，壓力1.80 MPa；進(jìn)料位置在第38塊塔板，塔板數(shù)為48；塔頂操作壓力為1.60 MPa，全塔壓降為50 kPa。

2 熱力學(xué)模型選擇

Aspen Plus提供了理想模型、狀態(tài)方程模型、活度系數(shù)模型、特殊模型等多種物性模型[5]。選擇合理的物性方法經(jīng)常是決定模擬結(jié)果的精確度的關(guān)鍵步驟。該模擬系統(tǒng)中2組分具有一定的互溶性，選用NRTL方程建立本系統(tǒng)的活度系數(shù)模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算[6-7]。用NRTL方程計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)符合很好。其他物性的計(jì)算均采用本軟件默認(rèn)值。

3 靈敏度分析

Aspen Plus提供的靈敏度分析（Sensitivity）可以檢驗(yàn)過(guò)程改變是如何對(duì)關(guān)鍵操作變量和設(shè)計(jì)變量產(chǎn)生影響。靈敏度分析是進(jìn)行工況研究最有用的工具之一。用它對(duì)該模擬過(guò)程的進(jìn)料位置NF、回流摩爾比R和餾出摩爾比D/F操作參數(shù)進(jìn)行了分析研究。

3.1 進(jìn)料位置NF

在保證分離效果的情況下，最佳進(jìn)料位置對(duì)應(yīng)其最小的回流比和最小的再沸器熱負(fù)荷，故優(yōu)化時(shí)首先應(yīng)該分析進(jìn)料位置NF。用塔釜再沸器熱負(fù)荷來(lái)衡量進(jìn)料位置的優(yōu)劣。圖1是精餾塔釜再沸器熱負(fù)荷Q與進(jìn)料位置NF的關(guān)系。

從圖1可以看出，塔釜再沸器熱負(fù)荷隨著NF的增加先逐漸減小，然后再劇烈增大。當(dāng)進(jìn)料位置在第18～44塊板時(shí)，再沸器熱負(fù)荷基本保持不變。綜合考慮在保證塔頂出料純度和盡量降低操作費(fèi)用的條件下，選擇第32塊板進(jìn)料為最優(yōu)。

圖1 塔釜Q與進(jìn)料位置NF的關(guān)系Fig 1 Relationship of tower kettle Q with the feed position NF

3.2 回流比

增大回流比使產(chǎn)品的質(zhì)量上升，減少回流比使產(chǎn)品的質(zhì)量下降。但是塔的冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷會(huì)隨著回流比的增大而增加，操作費(fèi)用也隨之增加。因此選擇一個(gè)適宜的回流比可以降低精餾塔的操作費(fèi)用。圖2是塔頂VDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(C2H2F2)與回流比摩爾R的關(guān)系。

圖2 塔頂VDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)與回流摩爾比的關(guān)系Fig 2 Relationship of VDF mass fraction in tower top with reflux mole ratio

從圖2可以看出，精餾塔頂餾出物中的偏氟乙烯VDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著回流比的增加先逐漸增大，當(dāng)回流比大于0.1時(shí)，VDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)都保持分離所要求的99.99%以上?；亓鞅葴p小會(huì)導(dǎo)致氣液相間的推動(dòng)力減小，所以回流比R也不應(yīng)該過(guò)小。分析得到適宜回流摩爾比為0.12。

3.3 餾出比

餾出摩爾比D/F對(duì)滿足生產(chǎn)要求和減少熱負(fù)荷都有重要的影響。對(duì)精餾塔的餾出比進(jìn)行靈敏度分析。圖3是塔頂VDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)與餾出摩爾比D/F的關(guān)系。

圖3 塔頂餾出比與VDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系Fig 3 Relationship of distillate ratio in tower top with VDF mass fraction

由圖3可以看出，隨著餾出比的增大，塔頂產(chǎn)品VDF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先不變后減少。并且當(dāng)餾出摩爾比在0.7～0.9時(shí)，塔頂VDF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本保持不變，都滿足VDF的分離要求在99.99%以上。而當(dāng)餾出摩爾比大于0.9時(shí)，塔頂VDF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速減小不能滿足分離要求?？紤]到盡量滿足生產(chǎn)要求和經(jīng)濟(jì)效益，可知0.89是合適的餾出摩爾比。

4 結(jié)論

通過(guò)Aspen Plus模擬軟件對(duì)VDF和HFC-142b分離過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算與操作參數(shù)優(yōu)化，選用NRTL熱力學(xué)模型分析了進(jìn)料位置、回流比、餾出比對(duì)分離效果和熱負(fù)荷的影響。

確定了適宜的進(jìn)料位置NF、回流摩爾比R、餾出摩爾比D/F分別是32、0.12、0.89。其模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果基本一致，可用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。

[1]鄭根土.VDF生產(chǎn)過(guò)程仿真研究與優(yōu)化[D].杭州:浙江大學(xué),2004.

[2]郭濤,吳嘉.1-氯-1,1-二氟乙烷反應(yīng)精餾工藝的定態(tài)模擬研究[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝,2004,20(3):204-208.

[3]謝安俊,劉世軍,張華巖,等.大型化工流程模擬軟件——Aspen Plus[J].石油與天然氣化工,1995,24(4):247-251.

[4]孫蘭義.化工流程模擬實(shí)訓(xùn)——Aspen plus教程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[5]戚一文,放運(yùn)進(jìn).物性估算在Aspen Plus軟件中的應(yīng)用[J].浙江化工,2007,38(1):9-11.

[6]廖麗華.氯乙烯精制裝置流程模擬[J].氯堿工業(yè),1994(11):22-23.

[7]賈紹義,柴誠(chéng)敬.化工傳質(zhì)與分離過(guò)程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.