乙腈-水共沸物的變壓精餾模擬與優(yōu)化

徐東芳，楊陽(yáng)陽(yáng)

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266100)

乙腈是典型的腈類(lèi)反應(yīng)原料和優(yōu)良的溶劑，在化工和醫(yī)藥等領(lǐng)域經(jīng)常被用于含氮化合物的制備。然而，在溶劑回收過(guò)程中會(huì)形成乙腈和水的有機(jī)廢液，由于乙腈和水會(huì)形成二元最低共沸物，給乙腈的高純度回收工作增加了困難。近年來(lái)，乙腈-水共沸物的分離得到廣泛研究。侯濤等[1]選用UNIQUAC物性計(jì)算模型研究了乙腈-水共沸物分離的變壓精餾穩(wěn)態(tài)過(guò)程，運(yùn)用靈敏度分析模塊研究了進(jìn)料位置和回流比對(duì)乙腈提純濃度的影響。崔現(xiàn)寶等[2]研究了乙腈-水體系的加鹽萃取過(guò)程，選用氯化鈣乙二醇溶液作為萃取劑，乙腈提純濃度達(dá)99%(摩爾分?jǐn)?shù))?；诰鶆蛟O(shè)計(jì)方法，黃前程和朱志亮[3]研究了乙腈-水體系的變壓精餾過(guò)程，并利用遺傳算法得到了最優(yōu)回流比。周金波等[4]考察了乙二醇作萃取劑的間歇萃取精餾過(guò)程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了乙二醇能消除乙腈-水的共沸點(diǎn)。與萃取精餾和共沸精餾相比，變壓精餾因工藝簡(jiǎn)單，不加入第三種組分，避免了產(chǎn)品中夾帶其他雜質(zhì)，應(yīng)用更加廣泛。隨著變壓精餾[5]工藝的成熟性，變壓精餾工藝研究得到了廣泛關(guān)注。針對(duì)乙醇-氯仿共沸體系，徐東芳等人[6]利用Aspen Plus研究了其穩(wěn)態(tài)變壓精餾過(guò)程，并利用Aspen Dynamics動(dòng)態(tài)模擬軟件考察了變壓精餾的動(dòng)態(tài)控制。Zhu等人[7]研究了乙腈-甲醇-苯三元共沸體系不同熱集成穩(wěn)態(tài)工藝，包括無(wú)熱集成、部分熱集成和完全熱集成變壓精餾。

針對(duì)乙腈-水二元共沸物系，本文研究了乙腈-水共沸物的壓力敏感特性，運(yùn)用Aspen Plus穩(wěn)態(tài)模擬軟件模擬了變壓精餾的穩(wěn)態(tài)過(guò)程，并采用序貫迭代優(yōu)化方法確定了最佳工藝操作參數(shù)。

1 變壓精餾工藝可行性

擬分離的物系一般性質(zhì)如下：進(jìn)料組成為乙腈(x1)85 %和水(x2)15 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，進(jìn)料量為2500 kg/h，進(jìn)料溫度為25℃，設(shè)計(jì)規(guī)定要求乙腈和水產(chǎn)品純度不低于99.9%。

物性方法對(duì)分離物系的汽液平衡參數(shù)影響較大，侯濤等[1]研究了乙腈-水體系的物性方法選取原則，選用UNIQUAC物性方法作為模擬計(jì)算模型。

圖1 不同壓力下乙腈-水的xy相圖

基于Aspen Plus，研究不同壓力下乙腈-水體系的x-y相圖，如圖1所示。從圖中可以看出，隨著壓力的改變，共沸組成中乙腈含量發(fā)生了明顯的偏移，這表明了變壓精餾分離乙腈-水共沸體系是可行的。分別取常壓和350 kPa為設(shè)計(jì)壓力，繪制T-xy圖(見(jiàn)圖2)。從圖2可以看出，乙腈和水二元體系出現(xiàn)了最低溫度點(diǎn)，形成最低共沸物，乙腈含量由常壓下的83.99%減少為350 kPa下的77.39%。若采用先高壓后常壓的精餾序列，進(jìn)料物流進(jìn)入高壓塔，塔底得到乙腈產(chǎn)品，最低共沸物自塔頂輸送至常壓塔，常壓塔塔底得到純度達(dá)標(biāo)的水，塔頂?shù)玫匠合鹿卜形镅h(huán)輸送至高壓塔。若采用先常壓后高壓的精餾序列，進(jìn)料物流先進(jìn)入常壓塔，塔底得到純度較高的乙腈，常壓共沸物輸送至高壓塔，塔底無(wú)法得到純度較高的水。綜上所述，采用先高壓后常壓的精餾序列可行。

圖2 乙腈-水共沸體系的T-xy圖

2 工藝模擬及優(yōu)化

利用Aspen Plus軟件，初步給定精餾塔塔板數(shù)為50塊板，回流比設(shè)為2.0，采用全凝器及釜式再沸器，借助“design specs”及“vary”功能完成變壓精餾流程模擬的初步收斂，乙腈-水體系的變壓精餾工藝流程圖如圖3所示。

圖3 乙腈-水體系的變壓精餾工藝流程圖

圖4 進(jìn)料位置與TAC的關(guān)系

圖5 回流比與TAC的關(guān)系

圖6 塔板數(shù)與TAC的關(guān)系

年操作時(shí)間設(shè)為8000 h，設(shè)備折舊期設(shè)為5年，冷凝器和再沸器的傳熱系數(shù)分別按照0.852 kW/(K·m2)和0.568 kW/(K·m2)[8]計(jì)算。根據(jù)序貫迭代法，以最小年度總費(fèi)用(Total Annual Cost，簡(jiǎn)稱(chēng)TAC)為目標(biāo)，對(duì)流程進(jìn)行全局優(yōu)化。進(jìn)料位置(NF1、NR、NF2)為序貫迭代法的最內(nèi)層迭代變量，進(jìn)料位置與TAC的關(guān)系圖見(jiàn)圖4。從圖中可以看出，TAC隨著進(jìn)料位置的增加先減小至一定的最小值，后隨著進(jìn)料位置的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。取TAC最小值點(diǎn)為最佳進(jìn)料位置點(diǎn)，即高壓塔的進(jìn)料位置NF1為19塊板，循環(huán)物流進(jìn)料位置NR為17塊板，常壓塔進(jìn)料位置為24塊板?；亓鞅?RR1、RR2)為序貫迭代法的次內(nèi)層迭代變量，根據(jù)TAC隨回流比的增加先減少后增加的趨勢(shì)圖(見(jiàn)圖5)可以看出，TAC最小值點(diǎn)高壓塔回流比RR1為1.93和常壓塔回流比RR2為0.5。理論板數(shù)的變化主要影響關(guān)鍵設(shè)備的投資費(fèi)用，理論板數(shù)(N1、N2)作為序貫迭代法的最外層迭代循環(huán)變量。從圖6可以看出，理論板數(shù)的改變TAC變化較大，以圖中最低點(diǎn)為最佳理論板數(shù)操作點(diǎn)，即高壓塔理論板數(shù)為38塊板，常壓塔理論板數(shù)為30塊板。

表1 最佳操作參數(shù)模擬結(jié)果

綜上所述，乙腈-水體系的變壓精餾最佳工藝參數(shù)見(jiàn)表1。高壓塔和常壓塔的回流罐溫度分別為117.1 ℃和76.4 ℃，冷卻介質(zhì)采用循環(huán)水。高壓塔和常壓塔的再沸器溫度分別為129.3 ℃和104.9 ℃，熱源介質(zhì)采用160 ℃的低壓蒸汽。

3 結(jié)論

本文通過(guò)研究不同壓力下乙腈-水的共沸組成變化，驗(yàn)證了乙腈-水體系的壓力敏感性，并探究了乙腈-水二元共沸體系的變壓精餾工藝，通過(guò)序貫迭代優(yōu)化算法確定了變壓精餾工藝的最佳操作參數(shù)。本文提供了乙腈-水的變壓精餾工藝模擬及優(yōu)化結(jié)果， 對(duì)含腈類(lèi)共沸體系的分離具有一定的參考指導(dǎo)意義。