變壓精餾分離乙腈-異丙醇模擬計(jì)算及中試應(yīng)用

王爐鋼 湯利亞 趙建明

（杭州原正化學(xué)工程技術(shù)有限公司，杭州310012）

乙腈和異丙醇都是重要的化工原料。2者形成最低共沸，采用普通精餾的方法難以分離。分離共沸物系的特殊精餾方法有萃取精餾、恒沸精餾、加鹽精餾和變壓精餾等。其中變壓精餾的突出特點(diǎn)是無(wú)需向物系中引入新的組分，因此產(chǎn)品純度容易控制，也避免了引入新組分后所需要的回收等步驟。

變壓精餾利用壓力的改變而引起共沸組成發(fā)生變化，甚至使共沸點(diǎn)消失，達(dá)到最終實(shí)現(xiàn)精餾分離的目的。不同共沸物系的共沸組成對(duì)壓力變化的敏感程度有所不同，當(dāng)共沸物組成對(duì)壓力變化靈敏時(shí)，便可由壓力不同的2個(gè)精餾塔串聯(lián)構(gòu)成的精餾塔組有效地分離共沸物。文獻(xiàn)指出，要采用變壓精餾，需要在差值不超過(guò)1 MPa的2個(gè)壓力點(diǎn)，共沸組成變化至少應(yīng)超過(guò)5%，最好是在10%以上[1]。壓力差大，就可能需要高品位的冷媒或熱媒。共沸組成變化小，則2塔之間的循環(huán)流大，能耗也大。

本文擬對(duì)變壓精餾分離乙腈-異丙醇物系進(jìn)行模擬計(jì)算，得到優(yōu)化之后的工藝參數(shù)，為工藝流程與裝置的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 可行性分析

選擇正確的物性方法是模擬計(jì)算的關(guān)鍵，直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。莊瓊紅選用WILSON活度系數(shù)方程計(jì)算了乙腈-甲醇物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好[2]。作為近似物系，本文采用WILSON模型計(jì)算乙腈-異丙醇物系的液液平衡。

由WILSON方程計(jì)算不同壓力下乙腈-異丙醇物系的沸點(diǎn)、共沸溫度和共沸組成如表1所示。

由表1可見(jiàn)，壓力從30 kPa上升至101.3 kPa時(shí)，共沸組成中乙腈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少了15.23個(gè)百分點(diǎn)。因此，可以采用變壓精餾分離乙腈-異丙醇物系，在塔頂?shù)玫讲僮鲏毫ο碌墓卜形铮玫礁呒兌鹊囊译婧彤惐?。同樣，壓力?01.3 kPa上升至300 kPa時(shí)，共沸組成中乙腈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少了12.13個(gè)百分點(diǎn)，符合變壓分離的條件，但是300 kPa時(shí)乙腈的沸點(diǎn)與共沸溫度十分接近，不利于精餾分離。

表1 不同壓力下乙腈-異丙醇物系的沸點(diǎn)、共沸溫度和共沸組成Tab 1 Boiling point,azeotropic temperature and azeotropic composition of acetonitrile-isopropyl alcohol under different pressure

2 工藝流程與計(jì)算模型

待分離物料工況：進(jìn)料質(zhì)量流量為100 kg/h、溫度50℃、壓力為常壓，乙腈和異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%和70%。經(jīng)分離，要求產(chǎn)品乙腈和異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為99.90%和99.50%。

圖1為乙腈-異丙醇變壓精餾的工藝流程。減壓塔操作壓力為30 kPa，常壓塔操作壓力為101.3 kPa。2塔串聯(lián)構(gòu)成了變壓精餾分離乙腈-異丙醇的塔組。乙腈-異丙醇混合液先進(jìn)入減壓塔，在塔底得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.50%的異丙醇產(chǎn)品；塔頂物流進(jìn)入常壓塔。在常壓塔底得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.90%的乙腈產(chǎn)品，塔頂物流返回減壓塔。減壓塔和常壓塔的塔頂出料組成分別接近于2個(gè)精餾塔操作壓力下的共沸組成。

圖1 乙腈-異丙醇變壓精餾的工藝流程Fig 1 Variable pressure distillation process of acetonitrile-isopropyl alcohol

精餾塔的計(jì)算采用嚴(yán)格計(jì)算法，對(duì)全塔每塊塔板作平衡級(jí)過(guò)程計(jì)算。描述該過(guò)程特性的基本方程組包括物料衡算方程（M），相平衡方程（E），熱量衡算方程（H）和摩爾分?jǐn)?shù)總和方程（S），這4組方程簡(jiǎn)稱MESH方程。關(guān)于MESH方程的具體表達(dá)式及求解方法，多種文獻(xiàn)中已有報(bào)道，本文不再贅述[3-5]。

3 結(jié)果與討論

3.1 常壓塔單塔的模擬

影響常壓塔分離效果的主要參數(shù)包括理論塔板數(shù)、進(jìn)料位置和回流比?？紤]到常壓塔進(jìn)料來(lái)自于減壓塔的塔頂，故設(shè)定常壓塔進(jìn)料組成為減壓塔操作壓力下的共沸組成，進(jìn)料溫度為減壓塔塔頂出料的溫度。

保持其他工藝參數(shù)不變，其中回流質(zhì)量比設(shè)定為1.60，進(jìn)料位置設(shè)定為中部進(jìn)料，調(diào)整理論塔板數(shù)，考察常壓塔塔底乙腈（CH3CN）含量變化情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 理論塔板數(shù)對(duì)常壓塔底乙腈含量的影響Fig 2 Effect of theoretical plate number on acetonitrile content in tower bottom atatmospheric pressure

由圖2可見(jiàn)，隨著理論塔板數(shù)的增加，乙腈含量先快速增加后趨于平穩(wěn)，當(dāng)理論板數(shù)為24塊時(shí)，乙腈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到99.90%的要求。

保持其他工藝參數(shù)不變，其中理論板數(shù)設(shè)定為24塊，回流質(zhì)量比設(shè)定為1.60，調(diào)整進(jìn)料位置，考察常壓塔底乙腈含量的變化情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 進(jìn)料位置對(duì)常壓塔底乙腈含量的影響Fig 3 Effect of feed stage on acetonitrile content in tower bottom at atmospheric pressure

由圖3可見(jiàn)，隨著進(jìn)料位置的下移，乙腈含量先升高后趨于平穩(wěn)，再逐漸減小。當(dāng)進(jìn)料位置為第13塊理論塔板時(shí)，乙腈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，為99.98%，因此第13塊板為最佳進(jìn)料位置。

減少理論板數(shù)，同時(shí)改變進(jìn)料位置，當(dāng)塔底乙腈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到接近99.90%時(shí)，即得設(shè)定回流比下的理論塔板數(shù)與最佳進(jìn)料位置：理論塔板數(shù)為22塊，進(jìn)料位置為第13塊塔板。

保持其他工藝參數(shù)不變，其中理論板數(shù)設(shè)定為22塊，進(jìn)料位置設(shè)定為第13塊，調(diào)整回流比，考察常壓塔塔底乙腈的質(zhì)量含量變化情況，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，隨著回流比的增加，乙腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)先快速增加后趨于平穩(wěn)。回流質(zhì)量比為1.60對(duì)應(yīng)的點(diǎn)正好位于快速增加段和平穩(wěn)段之間的過(guò)渡區(qū)域。若該點(diǎn)位于快速增加段，則說(shuō)明回流比偏小，若位于平穩(wěn)段，則說(shuō)明回流比偏大，均需重復(fù)調(diào)整回流比、理論塔板數(shù)和進(jìn)料位置，直到符合要求為止。

圖4 回流比對(duì)常壓塔底乙腈含量的影響Fig 4 Effect of reflux ratio on acetonitrile content in tower bottom at atmospheric pressure

對(duì)常壓塔單塔優(yōu)化后的參數(shù)為：理論塔板數(shù)22，進(jìn)料塔板13，回流質(zhì)量比1.60。

3.2 減壓塔單塔的模擬

與常壓塔相比，影響減壓塔分離效果的主要參數(shù)除了理論塔板數(shù)、進(jìn)料位置和回流比，還有循環(huán)流量。假定減壓塔和常壓塔的塔頂出料組成分別等于2個(gè)精餾塔操作壓力下的共沸組成，減壓塔塔底出料為純凈的異丙醇產(chǎn)品且質(zhì)量流量為70 kg/h，可以計(jì)算出循環(huán)質(zhì)量流量為77.85 kg/h，以此作為減壓塔單塔模擬的設(shè)定值。

對(duì)減壓塔單塔的模擬過(guò)程可以參考常壓塔。減壓塔優(yōu)化后的工藝參數(shù)如下：理論塔板數(shù)20，進(jìn)料塔板16，回流質(zhì)量比2.80。

3.3 2塔串聯(lián)后的模擬

以上分別對(duì)常壓塔和減壓塔單塔作了模擬，可以看出，影響單塔分離效果的因素不是孤立的，單個(gè)因素的分析需要與其他因素結(jié)合起來(lái)考慮。同樣，在減壓塔和常壓塔之間各個(gè)因素也是相互作用的，將2塔串聯(lián)構(gòu)成塔組，經(jīng)反復(fù)調(diào)整得到的優(yōu)化后的工藝參數(shù)如表2所示，物流模擬結(jié)果如表3所示。

表2 2塔優(yōu)化后的工藝參數(shù)Tab 2 Optimized process parameters of two towers

表3物流模擬結(jié)果Tab 3 The simulation results of fluid

4 中試應(yīng)用

通過(guò)模擬計(jì)算得到了變壓精餾分離乙腈-異丙醇物系優(yōu)化后的工藝參數(shù)， 以此為指導(dǎo)設(shè)計(jì)并建立了中試裝置。中試運(yùn)行部分關(guān)鍵結(jié)果與模擬值對(duì)比如表4所示。

表4 中試運(yùn)行部分結(jié)果關(guān)鍵與模擬值的對(duì)比Tab 4 Contrast of simulation value and the key to the results of pilot running

由表4可見(jiàn)，中試結(jié)果與模擬值基本相符，以模擬計(jì)算指導(dǎo)工藝流程與裝置的設(shè)計(jì)是可行的。

5 結(jié)論

1)對(duì)乙腈-異丙醇物系共沸特性的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力從30 kPa上升至101.3 kPa時(shí)，共沸組成中乙腈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少了15.23個(gè)百分點(diǎn)。因此，可以采用變壓精餾分離乙腈-異丙醇物系。

2)模擬計(jì)算結(jié)果表明，采用減壓塔和常壓塔組成的變壓精餾塔組可有效分離乙腈-異丙醇物系，2塔塔底分別得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.50%的異丙醇產(chǎn)品和99.90%的乙腈產(chǎn)品；優(yōu)化后的工藝參數(shù)：減壓塔理論板數(shù)20，進(jìn)料位置為第16塊板，回流質(zhì)量比2.66；常壓塔理論板數(shù)22，進(jìn)料位置為第13塊板，回流質(zhì)量比1.79。

3)中試結(jié)果表明，關(guān)鍵參數(shù)與模擬值基本相符，以模擬計(jì)算指導(dǎo)工藝流程與裝置的設(shè)計(jì)是可行的。

[1]M F Doherty,Z T Fidkowski,M F Malone,et al.Perry′s Chemical Engineers′Handbook(8th Edition,Section 13)[M].New York:McGraw-Hill Press,2008:82.

[2]莊瓊紅.變壓精餾分離二元均相共沸物的研究[D].天津:天津大學(xué),2008.

[3]宋海華.精餾模擬[M].天津:天津大學(xué)出版社,2005:87-89.

[4]中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè):上冊(cè)[M].4版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:456-457.

[5]吳俊生,邵惠鶴.精餾設(shè)計(jì)、操作和控制[M].北京:中國(guó)石化出版社,1997:46-47.