苯-氯苯物系分離過程的研究

梁佳敏，辛 姣，劉 浪，王克良，連明磊，杜廷召

(1.六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004； 2.中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 任丘 062552)

1 引言

苯和氯苯是非常重要的有機溶劑，苯的沸點為80℃，氯苯的沸點為132.2℃，兩者廣泛應(yīng)用于精細化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-2]。苯是不飽和的化合物，并且與一般不飽和烯烴具有不同的性質(zhì)，它比較穩(wěn)定，苯環(huán)在一般情況下不易被化學試劑斷裂并且易取代，難加成[3]，同時苯是一個典型的有害空氣污染物，有劇毒[4]。氯苯在室溫下是無色液體[5-6]，氯苯是一類芳香族化合物[7]，工業(yè)上用于制造苯胺、苯酚、染料、香料、殺蟲劑等的原料[8]，苯和氯苯在工業(yè)上和容易混合，因此將其高效分離再利用，并研究其在設(shè)計中的準確的熱力學模型就顯得尤為重要[9]。

本文分別使用WILSON、NRTL及UNIQUAC三種熱力學模型計算了苯-氯苯體系的溫度和氣液平衡數(shù)據(jù)，以Rolemberg,M.P等人[10]的實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，將三種熱力學模型計算所得的參數(shù)進行比較，最終選出最優(yōu)的熱力學模型和計算出分離苯-氯苯混合物精餾工藝的設(shè)計參數(shù)。

2 物性方程的選擇

2.1 WILSON模型

運用化工過程模擬軟件Aspen Plus中的WILSON模型方程進行熱力學計算，所得的苯和氯苯混合物的溫度與平衡氣相組成的實驗數(shù)據(jù)與計算參數(shù)如下表1、表2。

表1 苯和氯苯混合物溫度的計算值與實驗值的對比表(WILSON方程)

從表1中得出通過WILSON模型計算出的溫度計算值與實驗值的最大絕對偏差為：2.76，最大相對偏差為：3.15%，平均絕對偏差為：1.63，平均相對偏差為：1.73%。

表2 苯和氯苯混合物的平衡氣相組成的計算值與實驗值的對比表(WILSON方程)

從表2中得出通過WILSON模型計算出的平衡氣相組成的計算值與實驗值的最大絕對偏差：0.0378，最大相對偏差為：12.0271%，平均絕對偏差為：0.0230，平均相對偏差為：3.764%。

由此可以看出，WILSON模型擬合實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果不理想。

2.2 NRTL模型

本文利用化工過程模擬軟件Aspen Plus中的NRTL熱力學模型進行計算分析，所得的苯和氯苯混合物的溫度與平衡氣相組成的實驗數(shù)據(jù)與計算參數(shù)如下表3、表4。

表3 苯和氯苯混合物溫度的計算值與實驗值的對比表(NRTL方程)

從表3中得出通過NRTL模型計算出的溫度計算值與實驗值的最大絕對偏差為：2.53，最大相對偏差為：2.89%，平均絕對偏差為：1.25，平均相對偏差為：1.34%。

表4(續(xù))

從表4中得出通過NRTL模型計算出的平衡氣相組成的計算值與實驗值的最大絕對偏差為：0.0171，最大相對偏差為：5.7861%，平均絕對偏差為：0.0099，平均相對偏差為：1.6246%。

由此可以看出，NRTL模型擬合實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果也不理想。

2.3 UNIQUAC模型

本文采用化工過程模擬軟件Aspen plus軟件的UNIQUAC熱力學模型進行計算分析，所得的苯和氯苯混合物的溫度與平衡氣相組成的實驗數(shù)據(jù)與計算參數(shù)如下表5、表6。

表5 苯和氯苯混合物溫度的計算值與實驗值的對比表(UNIQUAC方程)

從表5中得出通過UNIQUAC模型計算出的溫度計算值與實驗值的最大絕對偏差為：2.10，最大相對偏差為：2.39% ，平均絕對偏差為：1.08，平均相對偏差為：1.17%。

表6 苯和氯苯混合物的平衡氣相組成的計算值與實驗值的對比表(UNIQUAC方程)

表6(續(xù))

從表6中得出通過UNIQUAC模型計算出的平衡氣相組成計算值與實驗值的最大絕對偏差為：0.0125，最大相對偏差為：1.9593%，平均絕對偏差為：0.0056，平均相對偏差為：0.8742%。

相比較WILSON和NRTL兩種熱力學模型，UNIQUAC模型在最大絕對偏差、最大相對偏差、平均絕對偏差、平均相對偏差四個方面均明顯降低，很好的擬合了實驗數(shù)據(jù)。

3 熱力學模型比選

本文分別選用了WILSON、NRTL及UNIQUAC三種熱力學模型進行計算了甲醇-乙醇體系的溫度和平衡氣相組成數(shù)據(jù)，將三種模型得出的計算值與實驗值進行比較，三種熱力學模型的誤差分析詳見表7，篩選出UNIQUAC模型為最優(yōu)；同時我們將UNIQUAC模型擬合的曲線與實驗數(shù)據(jù)點進行比較作圖1中，可以得出通過UNIQUAC模型計算出的數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)擬合得較好。

表7 三種熱力學模型的誤差分析

其中，T-溫度，y-氣相中苯的摩爾分數(shù)，N-實驗點數(shù)，exp-實驗值，cal-計算值。

圖1 UNIQUAC模型T-xy計算值與實驗值的比較

4 工藝流程優(yōu)化

本文運用化工模擬軟件Aspen Plus的Radfrac模塊，考察全塔理論板數(shù)、回流比、原料進料位置對苯質(zhì)量純度的影響并對塔徑進行計算和對塔板的溫度與組成進行分析。進料條件見表8。

表8 進料條件

4.1 全塔理論板數(shù)對苯質(zhì)量純度的影響

本文考察了不同全塔理論板數(shù)對塔頂和塔底苯的質(zhì)量純度的影響，結(jié)果見表9。

表9 全塔理論板數(shù)對苯的質(zhì)量純度的影響

從表9中得出：苯的純度隨塔板數(shù)的增加而提高，當塔板數(shù)為26時，苯的純度為99.96%并保持不變，因此，全塔理論板數(shù)選26塊較為合理。

4.2 回流比對苯質(zhì)量純度的影響

本文考察了不同回流比對塔頂和塔底苯的質(zhì)量純度的影響，結(jié)果見表10。

表10 回流比的影響

從表10中得出：塔頂苯質(zhì)量分數(shù)隨回流比的增加而不變，當全塔理論板數(shù)達到26時，很小的回流比也可使苯有較高的質(zhì)量純度。因此，回流比選0.3塊較為合理

4.3 原料進料位置對苯的質(zhì)量純度的影響

本文考察了不同原料進料位置對塔頂和塔底苯的質(zhì)量純度的影響，結(jié)果見表11。

表11 原料進料位置對苯質(zhì)量純度的影響

表11(續(xù))

從表11中得出：原料進料位置為第16塊塔板時，苯的質(zhì)量分數(shù)達到最高為99.97%，因此，原料進料位置選第16塊較為合理。

4.4 塔徑的計算

本文通過Aspen Plus軟件計算了不同塔板數(shù)上的塔徑，見表12。

表12 塔板數(shù)上的塔徑和塔盤面積

由表12可知，最大的塔徑出現(xiàn)在第23至25塊塔板上，對應(yīng)的塔盤面積為0.08m2，塔徑計算值為0.31m。

4.5 各塔板的溫度和苯的氣液質(zhì)量組成分布

本文考察了不同塔板數(shù)上的溫度和苯的氣液質(zhì)量組成，計算結(jié)果列于表13中。

表13 塔板數(shù)上的溫度和苯的氣液質(zhì)量組成

由表13得出，在第1塊塔板上溫度接近苯得沸點，苯的氣相質(zhì)量組成為99.99%，在第26塊塔板上得溫度接近氯苯的沸點，苯的液相質(zhì)量組成為0.04%，因此，苯與氯苯達到了較好的分離。

5 結(jié)論

(1)本文運用化工模擬軟件Aspen Plus中的WILSON、UNIQUAC及NRTL三個物性方程和Radfrac模塊對苯-氯苯進行模擬計算，UNIQUAC物性方程因計算值與實驗值的誤差最小而選為最佳物性方程。

(2)通過工藝流程優(yōu)化，分離苯-氯苯混合物的最佳工藝參數(shù)為全塔理論板數(shù)為26塊，回流比為0.3，原料進料位置為第16塊時，苯的質(zhì)量純度為99.99%，分離效果很好。