乙腈-水的變壓精餾分離模擬與優(yōu)化

楊 倩，王彩琴（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712099）

0 引言

乙腈是優(yōu)良的有機(jī)溶劑，能溶解多種有機(jī)、無機(jī)和氣體物質(zhì)，能發(fā)生典型的腈類反應(yīng)，是重要的有機(jī)合成中間體；此外，在織物染色、照明、香料制造及感光材料制造中也有許多用途[1]。

乙腈與水能形成二元共沸物，因此在進(jìn)行分離的時候，常規(guī)的分離方法難以滿足[2]。目前處理共沸體系物質(zhì)常用的方法是萃取精餾和變壓精餾，兩者的區(qū)別在與萃取精餾需要加入第三種物質(zhì)形成最大共沸溫度，變壓精餾要求該體系的共沸組成隨壓力的變化明顯[3-6]。何桃吉[2]等研究了乙腈-水共沸物的分離模擬與實(shí)驗(yàn)研究，研究內(nèi)容包括進(jìn)料位置和循環(huán)物料進(jìn)料位置、溫度的影響，得到了優(yōu)化的工藝參數(shù)，產(chǎn)品中乙腈的濃度能達(dá)到 99.9%（wt%）；李肖華[7]等研究了甲醇-乙腈體系的變壓精餾過程模擬，模擬結(jié)果為：加壓塔理論板數(shù)22，進(jìn)料位置第17塊塔板，循環(huán)物流進(jìn)料位置為第11塊塔板，回流比1.38，操作壓力0.5 MPa，減壓塔理論板數(shù)35，進(jìn)料位置第12塊塔板，回流比3.8，操作壓力0.04 MPa，模擬結(jié)果表明雙效精餾比常規(guī)精餾可以節(jié)能47.4%，趙俊彤[8]研究了乙醇與乙腈混合物的變壓精餾分離方法，確定了適宜的操作參數(shù) ，同時對比了傳統(tǒng)的變壓精餾和熱集成的變壓精餾，發(fā)現(xiàn)節(jié)能效率達(dá)到35%。

本文利用Aspen Plus模擬軟件對乙腈和水體系進(jìn)行變壓精餾的分離，選用不同壓力下的共沸組成，優(yōu)化了工藝參數(shù)，對實(shí)際工業(yè)過程分離兩個混合物提供了一定的理論依據(jù)。

1 變壓精餾可行性研究與流程

變壓精餾是利用共沸點(diǎn)對壓力的敏感性來改變體系的共沸點(diǎn)及共沸組成的分離方法。一般變壓精餾要求物質(zhì)的共沸點(diǎn)組成變化為5%以上，才會選用。因此對該體系進(jìn)行不同壓力下的共沸組成模擬，對比350 kPa下和常壓下的數(shù)據(jù)。如圖1所示。

由圖1可知不同壓力下的共沸組成具體數(shù)據(jù)為0.101 MPa下，乙腈含量為84.05%，水15.95%；0.35 MPa下，乙腈 77.39%，水 22.61%，計(jì)算的共沸點(diǎn)的變化為8%，說明共沸精餾的可行性。

圖1 0.35 MPa和0.101 MPa下共沸數(shù)據(jù)

依據(jù)變壓精餾的可行性，建立如圖2所示的模擬流程圖。該流程的主要介紹如下，其中HP為高壓塔，LP為低壓塔，物料首先進(jìn)入高壓塔進(jìn)行分離，在高壓塔中得到一個共沸組成為77.39%的乙腈，然后在低壓塔中得到乙腈含量為84.05%的共沸組成，這樣經(jīng)過循環(huán)后，在高壓塔塔底得到合格的乙腈，在低壓塔得到水。

圖2 模擬流程圖

2 物性方程的選擇

選擇熱力學(xué)方法時首先確定物系，一般非極性物系選擇狀態(tài)方程法或通用關(guān)聯(lián)式法，極性物系選擇活度系數(shù)法，此外還需要確定該物系的二元對，核實(shí)交互作用參數(shù)并估算缺少的其它二元對作用參數(shù)。對于乙腈和水體系，該體系是極性物系，因此選擇活度系數(shù)法，最后確定WILSON物性方程來模擬[9-10]。二元交互參數(shù)如圖3所示。

3 模擬結(jié)果與討論

由圖1可以看出，在0.35 MPa和0.101 MPa下兩者的共沸組成有一定的變化。因此建立不同壓力下的精餾塔，在高壓塔得到乙腈，低壓塔得到水，如圖2所示。各物流模擬結(jié)果如表1所示，精餾塔的模擬結(jié)果如表2所示。

圖3 乙腈與水的二元交互參數(shù)

表1 各物流信息

表2 高壓塔和低壓塔的模擬結(jié)果

由表1可以看出，進(jìn)料流股中總流量100 kg/h，高壓塔塔底出料中乙腈流量19.39 kg/h，水量很少，乙腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100，低壓塔的塔底出料中水流量為80.61 kg/h，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.2%，乙腈含量0.8%，由此可以看出，變壓精餾可以將該體系較好的分離，為了可以將廢水直接進(jìn)行排放到環(huán)保車間，需要將廢水中的乙腈含量降至1000×10-6以下。因此對該模擬進(jìn)行靈敏度分析與調(diào)節(jié)。

由表2可得高壓塔和低壓塔的相關(guān)模擬結(jié)果，對于高壓塔，塔板數(shù)30塊，第15塊塔板進(jìn)料，回流比1.5，冷凝器溫度117.13℃，再沸器溫度127.81℃；對于低壓塔，理論板數(shù)25塊，第10塊塔板進(jìn)料，回流比0.5，冷凝器溫度78.83℃，再沸器溫度103.99℃。

4 靈敏度分析與優(yōu)化

初步的模擬結(jié)果并不能滿足廢水的排放要求，并且該塔的結(jié)果并不是最優(yōu)的結(jié)果，需要在初步模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行靈敏度分析和優(yōu)化。利用Aspen Plus的流程模擬分析工具Sensitivity對該流程進(jìn)行模擬[10]。

4.1 回流比的優(yōu)化

在精餾的操作中，回流比是很重要的操作參數(shù)，關(guān)系到分離的效果和能耗，為了更好地考察回流比的影響，做回流比與能耗的關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 高壓塔負(fù)荷

圖5 低壓塔負(fù)荷

由圖4和圖5可知，隨著回流比的增加，冷凝器和再沸器的負(fù)荷增加，這是因?yàn)殡S著回流比的增加，塔的回流量增加，回流量的增加，意味著要增加更多的蒸發(fā)量，所以冷凝器和再沸器的量是增加的。

因此對于HP塔，選擇回流比為1；對于LP塔，選擇回流比為0.2，這樣總的負(fù)荷可以達(dá)到最小。

4.2 采出率的優(yōu)化

采出率一般指的是塔底或者塔頂?shù)牧髁颗c進(jìn)料的比值。對于該模擬，由于在高壓塔和低壓塔塔底采出，兩個采出不是相互獨(dú)立的變量，即當(dāng)高壓塔的塔底采出變化時，因此一般選擇塔底的采出率作為靈敏度分析的自變量，以低壓塔塔底物流中水中的乙腈含量為因變量，考察對其影響。圖6是高壓塔采出對水中乙腈含量的影響。

圖6 HP塔采出對水中乙腈含量的影響

由圖6可知，隨著HP塔底采出從0.190增加到 0.2，即HP塔的采出從 19 kg/h增加到20 kg/h，水中乙腈含量的變化?？梢钥闯?，當(dāng)HP塔的采出增加時，水中乙腈含量減小。這是因?yàn)殡S著采出的增加，在HP塔得到更多的乙腈，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，水中的乙腈會減小，因此選擇采出在19.9 kg/h，水中基本不含乙腈。

5 結(jié)論

基于Aspen Plus流程模擬軟件，對乙腈、水體系進(jìn)行變壓精餾模擬，得到以下結(jié)論。

（1）對該體系進(jìn)行分析，求得0.35 MPa和0.101 MPa下的共沸點(diǎn)，計(jì)算不同壓力下共沸點(diǎn)的變化為8%，說明共沸精餾的可行性。

（2）選用Aspen Plus流程模擬軟件，利用WILSON方程對流程進(jìn)行模擬，得到初步的物料平衡表。

（3）對HP塔的回流比和采出率進(jìn)行了靈敏度分析，隨著回流比的增加，再沸器負(fù)荷和冷凝器負(fù)荷增加，對于高壓塔，選擇回流比1；對于低壓塔，選擇回流比0.2；隨著采出率的增加，水中乙腈含量較少，選擇采出率0.199。

[1] 楊君豪，乙腈的利用[J].江蘇化工，1993，21（4）： 1-4.

[2] 何桃吉.乙腈-水共沸物分離的模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].天津，天津大學(xué)，2008，55-57.

[3] 賈紹義，柴誠敬.化工傳質(zhì)與分離工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：206-211.

[4] 鄧修，吳俊生.化工分離工程[M].北京：科學(xué)出版社，2000：73-81.

[5] 王春蓉.共沸精餾技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].礦冶，2011，20（1）： 47-49.

[6] Fidkowski Z T，Doherty M F，Malone M F.Feasibility of separations for disitillation of nonideal tenary mixtures[J].AIChE J.，1993， 39：1303-1321.

[7] 李肖華，艾雙，計(jì)建炳.雙效變壓精餾分離甲醇-乙腈的工藝模擬與優(yōu)化[J].現(xiàn)代化工，2013，12（33）：111-115.

[8] 趙俊彤.乙醇-乙腈混合物分離工藝研究及過程模擬[D].天津，天津大學(xué)，2013，2-8.

[9] 天津大學(xué)物理化學(xué)教研室.物理化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2001：104-107.

[10]孫蘭義.化工流程模擬實(shí)訓(xùn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：163-165.