Aspen Plus模擬BDO裝置的輕組分替代物選擇研究

黨慧娟， 劉紹波， 賈興龍， 郭文倩

(1.新疆國泰新華化工有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831700) (2.山西陽煤化工工程有限公司，山西 太原 030021)

根據(jù)目前BDO的生產(chǎn)工藝，丁炔二醇在低壓加氫反應(yīng)后主要產(chǎn)物是BDO[1-2]，根據(jù)實驗室分析試驗結(jié)果得到其組分主要為水、1,4-丁二醇、1,4-丁烯二醇、正丁醇、四氫呋喃、輕組分和重組分，其中，輕組分和重組分是由多種物質(zhì)組成，含量極少，且輕組分和重組分是由多種不明成分組成的混合物，在Aspen模擬中只能選擇用類似性質(zhì)的純組分物質(zhì)來替代，因此，選擇哪種物質(zhì)成為重點和難點。本文對輕組分替代物的選擇進(jìn)行研究。

1 實驗部分

1.1 測量密度

1) 規(guī)范性引用文件

GB/T 4472—1984化工產(chǎn)品密度、相對密度測定通則。

2) 范圍

該方法適用于各裝置液體樣品密度的測定。

3) 定義

物質(zhì)的密度系指20 ℃時單位體積物質(zhì)的質(zhì)量[3]，單位為g/mL。相對密度是指在20 ℃時，樣品的質(zhì)量與同體積的純水在4 ℃時的質(zhì)量之比，用d420表示。

4) 儀器

密度儀：梅特勒-托利多密度儀DE40；注射器；廢液接收瓶。

5) 測定步驟

打開儀器電源，選擇待測試樣所需溫度，待溫度穩(wěn)定后，用注射器抽取適量試樣在儀器進(jìn)樣口推入，在測量槽窗口觀察無氣泡后，按測量鍵開始測定試樣密度。待試樣溫度穩(wěn)定到與設(shè)定溫度一致后，儀器液晶顯示器上的密度值不再發(fā)生變化，此值即為該試樣在該溫度下的密度值。測量結(jié)束后，用丙酮溶液將測量槽沖洗干凈，并用空氣泵將測量槽吹干等待下次測量。

6) 實驗結(jié)果

由儀器液晶顯示器可直接讀出試樣密度，為0.85 g/cm3。

1.2 測量黏度

1) 原理

黏度系指流體對流動的阻抗能力[3-4]，一般用動力黏度、運動黏度或特性黏度(主要指高聚物)表示。測定樣品的黏度可用于純度檢查、相對分子質(zhì)量判定等[5]。黏度與溫度有重要的關(guān)系，但總體上，溫度升高，黏度減小。

2) 儀器

恒溫水浴TAMSON；黏度計Cannon capillary No.450；溫度計；秒表。

3) 實驗步驟

①使用甲醇溶劑清理黏度計，然后干燥，并用過濾后的空氣除去溶劑痕跡；

②用洗耳球?qū)⒋郎y輕組分從黏度管的A口吸入至刻度E處，然后將黏度管迅速正立，用濾紙將黏度管口的物料擦拭干凈；

③將黏度管夾在黏度管架上，置于(20±0.01) ℃的恒溫水浴中。20 min后，用洗耳球?qū)⒋郎y樣品從A口吸入至刻線C以上2 mm～3 mm，再放置20 min；

④用洗耳球?qū)⒋郎y樣品從A口吸入至刻線C以上2 mm～3 mm。等待測液體流過刻線C時，記下液體從刻線C到刻線E所需的時間t(s)；

刻線C到刻線E所用的時間為0.398 mm2/s。

⑤ 試驗結(jié)果

η=0.85×0.398=0.338 3 mPa·s

式中：η為試樣動力黏度，mPa·s；ν為試樣運動黏度，mm2/s；ρ為與測量運動黏度相同溫度下試樣的密度，g/cm3。

1.3 測量沸點

1) 測量原理

通過對待測樣品的加熱，實時測量溫度，等到樣品加熱至沸騰，即為樣品的沸點。可測定沸點范圍約在10 ℃～480 ℃。

2) 儀器

16 mm冷凝管夾；300 mm冷凝管(水冷)；溫度計套管；加熱電爐(1000 kW～2000 kW，非密閉環(huán)境最高加熱溫度至500 ℃)；塑料管；量筒(100 mL)、雙頸圓底燒瓶(250 mL)；溫度計(范圍0 ℃～500 ℃，刻度單位0.2 ℃)；燒瓶夾；鐵架臺。

3) 操作步驟

用量筒將大約100 mL待測樣品倒入到圓底燒瓶中，將5粒左右沸石放入圓底燒瓶中，將冷凝管直立安裝在圓底燒瓶上，且使用蒸餾瓶夾固定住。將溫度計安裝在溫度計套管中，并將其安裝在圓底燒瓶上。保證溫度計液泡部分在液面以下。將連接在冷凝管底下的塑料管子連接到自來水管上，將連接在冷凝管上部的塑料管子通入實驗室的水槽，打開水龍頭，確認(rèn)有水流通過冷凝管。打開加熱電爐開關(guān)，將待測樣品加熱20 min，每分鐘讀取一次溫度計讀數(shù)。當(dāng)溫度計讀數(shù)已經(jīng)恒定(±0.1 ℃)，記錄溫度。如果溫度不是恒定的，繼續(xù)加熱直到獲得穩(wěn)定的溫度讀數(shù)。

根據(jù)以上操作步驟，連續(xù)操作13 min，讀取數(shù)據(jù)并作圖，詳見圖1。

根據(jù)圖1可以得到輕組分的沸點為52.83 ℃。

2 輕組分替代物的選擇

根據(jù)輕組分沸點測量結(jié)果(52.83 ℃)，因此輕組分可以從沸點為50 ℃～60 ℃的物質(zhì)中選擇。

利用Aspen輸入組分的查找功能，根據(jù)沸點條件進(jìn)行查找，輸入沸點區(qū)域為50 ℃～60 ℃，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，從中選擇3種純物質(zhì)來替代輕組分，即烯醛、乙二醛和丙酮，詳見圖2。

圖1 沸點測試溫度變化趨勢圖

圖2 輕組分替代物選擇

利用Aspen Plus中物性分析功能，獲得以上3種物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下、溫度為20 ℃時的黏度與密度，詳見表1。

表1 輕組分備選替代物性質(zhì)

將實驗得到的輕組分的密度和黏度與表1三種純物質(zhì)的密度、黏度分別作比較發(fā)現(xiàn)，輕組分的性質(zhì)與丙烯醛比較接近，因此選擇性質(zhì)最為接近的丙烯醛作為輕組分的替代物。

3 結(jié)論

通過對BDO中輕組分的密度、黏度和沸點進(jìn)行實驗，測得其密度為0.85 g/cm3，黏度為0.338 3 mPa·s，沸點為52.83 ℃。然后通過Aspen的物性分析功能，選出3種與輕組分沸點接近的物質(zhì)，分別為丙烯醛、乙二醛和丙酮，比較以上3種物質(zhì)與實驗得到輕組分的密度和黏度，得到丙烯醛與輕組分的密度和黏度最接近。