苯-氯苯分離物料的能量衡算

馬明昌

(廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

1 化工分離技術(shù)的概述

1.1 基本概述

所謂化工分離技術(shù)，顧名思義，是對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離而得到所需物質(zhì)的過(guò)程。這張技術(shù)是伴隨化工產(chǎn)業(yè)而出現(xiàn)并發(fā)展的。在進(jìn)行化工分離時(shí)，需要使用分離劑作為輔助，利用不同單元對(duì)混合物進(jìn)行分離?；し蛛x，一方面為化工生產(chǎn)提供了符合質(zhì)量條件的原料，且在這個(gè)過(guò)程中，那些對(duì)催化劑有影響或是對(duì)反應(yīng)不利的物質(zhì)也被清除，化工分離在這里起到了減少副反應(yīng)以及提高生產(chǎn)效率的作用；另一方面，當(dāng)我們進(jìn)行化工分離時(shí)，不僅僅反應(yīng)產(chǎn)物的濃度會(huì)得到提高，同時(shí)那些沒(méi)有參加反應(yīng)的物質(zhì)也在反應(yīng)中發(fā)揮了屬于自己的作用，循環(huán)利用，對(duì)保護(hù)環(huán)境減少污染有著很重要的意義。故化工分離不僅僅在化工生產(chǎn)中占有重要地位，在環(huán)境保護(hù)以及資源節(jié)約方面，化工分離也起到了重要的作用。目前，使用最廣泛的分離技術(shù)是在操作條件下的簡(jiǎn)單分離技術(shù)和易于獲得的設(shè)備，例如精餾、萃取、吸收。分離技術(shù)的重要性因此更加突出。

1.2 化工分離的重要性

通過(guò)分離，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一種混合物的分離由一種物質(zhì)分離出幾種物質(zhì)。在這個(gè)過(guò)程中，我們需要通過(guò)化工設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體而言，這種化工設(shè)備主要是由反應(yīng)器以及多個(gè)分離設(shè)備配套使用。之所以說(shuō)分離技術(shù)具有重要性，這是因?yàn)?，通過(guò)這張技術(shù)，我們可以得到符合標(biāo)準(zhǔn)的物質(zhì)，排除有害物質(zhì)的。另外，分離后還可以進(jìn)行提純，通過(guò)以上兩項(xiàng)技術(shù)，我們可以變廢為寶，得到合格品，從而實(shí)現(xiàn)價(jià)值提升。不僅如此，在進(jìn)行環(huán)境保護(hù)時(shí)使用這種技術(shù)，可以充分利用資源，可謂一舉多得，所以在化工領(lǐng)域倍受青睞[1]。

1.3 化工分離技術(shù)的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展

1.3.1 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)的要求是使膜具有選擇性的滲透性，膜包括氣相膜，液相膜，固相膜和復(fù)合膜。業(yè)內(nèi)使用最廣泛的是固相膜，膜分離具有分離度高，能耗低，無(wú)相變，無(wú)二次污染，設(shè)備穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，逐漸取代了常規(guī)分離技術(shù)。

1.3.2 超臨界流體萃取技術(shù)

(1)超臨界流體萃取原理。利用這種技術(shù)進(jìn)行分離，主要分離的是溶質(zhì)與溶劑。在這一過(guò)程中，主要發(fā)揮了臨界流體的溶解功能，另外，與其密度也有重要關(guān)系。換而言之，通過(guò)壓力因素和溫度因素對(duì)其功能的發(fā)揮進(jìn)行導(dǎo)向性操作。具體而言，處于臨界狀態(tài)的流體就具備了不一般的溶解能力，同時(shí)其滲透效果也會(huì)發(fā)生質(zhì)變。比如，當(dāng)處于高壓狀態(tài)時(shí)，高壓會(huì)使溶質(zhì)溶解，當(dāng)處于低壓狀態(tài)時(shí)，流體便處于小密度的狀態(tài)，不具備良好的溶解能力，在這種狀態(tài)下，流體便可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步操作，即析出溶質(zhì)，最終萃取成功。

(2)超臨界CO2萃取技術(shù)的展望。超臨界流體具有自身的特質(zhì)，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：一是具備液體密度，二是具備氣體的黏度，三是擴(kuò)散能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)液體，可達(dá)液體的百倍至千倍?？偠灾谌芙夥矫?、流動(dòng)性方面以及傳質(zhì)方面有非常優(yōu)質(zhì)的性能。另外，在進(jìn)行分離時(shí)，它具備一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，便是不易發(fā)生相變，而且能耗不高。

1.3.3 耦合不同的分離技術(shù)

在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，往往會(huì)因?yàn)閱我环莘蛛x方法不能滿(mǎn)足需求而苦惱，這種現(xiàn)實(shí)情況說(shuō)明，單一的分離技術(shù)得到的產(chǎn)品純度有限。為此，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，往往綜合使用分離技術(shù)，就是分離技術(shù)的耦合，這種方法應(yīng)用的典型例子便是維生素分離。

2 工藝流程概述

設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，蒸餾過(guò)程簡(jiǎn)單。苯和氯苯的混合體系在常壓下處于液態(tài)，因此要在高壓或真空條件下將兩者分開(kāi)，需要額外的設(shè)備，例如泵，這會(huì)增加生產(chǎn)成本，并使設(shè)計(jì)不兼容。該分離純化步驟在常壓下進(jìn)行。整個(gè)精餾過(guò)程所需的設(shè)備包括浮子閥塔，冷凝器，再沸器和其他設(shè)備，如果您使用化學(xué)模擬軟件Aspen模擬整個(gè)化學(xué)過(guò)程，圖1是使用Aspen模擬該化學(xué)過(guò)程的簡(jiǎn)單示意圖[2]。

圖1 Aspen模擬流程示意圖

3 物料衡算

3.1 物料的平衡運(yùn)算理論的概述以及其實(shí)際生產(chǎn)的意義

物料投入生產(chǎn)系統(tǒng)以后，除了會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)品以外，還會(huì)有部分邊角廢料需要回收、部分廢料當(dāng)作生產(chǎn)垃圾處理，從這個(gè)意義上說(shuō)，物料的平衡運(yùn)算，指的是投入與產(chǎn)品、回收以及流失之間的關(guān)系，總體來(lái)說(shuō)，這四者之間處于平衡狀態(tài)，用公式表示則為：

此公式是熱量衡算的重要理論基礎(chǔ)，運(yùn)用以上物料轉(zhuǎn)換率的計(jì)算，可對(duì)物料的輸入與輸出量進(jìn)行準(zhǔn)確衡量，這對(duì)于提升生產(chǎn)效率，優(yōu)化生產(chǎn)流程具有重要的意義。

在對(duì)化工流程進(jìn)行物料衡算時(shí)，首先需要搭建仿真模型，這就需要運(yùn)用Aspen軟件，在軟件工具的支撐下，就可以看到不同物料的分布情況，而且這種分布狀態(tài)是以數(shù)據(jù)圖的方式呈現(xiàn)出來(lái)，這就大大簡(jiǎn)化了物料衡算的計(jì)算難度。

當(dāng)然，物料衡算最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)還在于物料衡算公式的運(yùn)用，在公式計(jì)算過(guò)程中，原料的轉(zhuǎn)換率不需要計(jì)算，可以采用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)，因此，只要將已知條件代入到公式之中，就可以得到產(chǎn)成品、半成品以有各種邊角廢料的產(chǎn)出情況，另外，對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中的不同階段的物料投入與產(chǎn)出情況，也可通過(guò)此計(jì)算公式而得出，有了以上計(jì)算基礎(chǔ)，那么，熱量衡算、設(shè)備計(jì)算就更為方便。

3.2 物料衡算理論基礎(chǔ)

通常情況下，物料投入到生產(chǎn)系統(tǒng)之后，共輸出量也會(huì)與投入量大致相等，但由于其中還添加了催化劑，因此需要加上消耗數(shù)再減除生成量，這四者之間的關(guān)系可以用以下等式加以說(shuō)明：輸入量=輸出量-生成量+消耗量。

而如果在常壓狀態(tài)下，各種混合物料產(chǎn)并不會(huì)聯(lián)結(jié)在一起，因此，這些物料之間也就不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即使沒(méi)有添加催化劑，其結(jié)果相同。在這種狀態(tài)下，物料就可以完整的輸出，并不會(huì)額外消耗，副產(chǎn)物更不會(huì)產(chǎn)生。

基于以上理論基礎(chǔ)，本次的生產(chǎn)試驗(yàn)更為簡(jiǎn)化，因?yàn)椴恍枰砑尤魏未呋瘎谶@種情況下，物料衡算的公式則可以表示為：輸入量=輸出量。

3.3 Aspen中的物料衡算

在本系統(tǒng)的物料衡算過(guò)程中，由于較好地運(yùn)用了Aspen軟件，所以在計(jì)算精餾時(shí)，就可以方便利用軟件中的RadFrac模塊，以此計(jì)算物料的輸入輸出情況。體系物料衡算模擬流程圖如圖2所示。

圖2 體系物料衡算模擬流程圖

4 能量衡算

4.1 能量衡算目的

通常情況下，物料投入到系統(tǒng)中以后，物料之間會(huì)發(fā)生各種反應(yīng)，包括物理、化學(xué)反應(yīng)，這些都會(huì)對(duì)熱量產(chǎn)生不同程度的影響，系統(tǒng)中產(chǎn)生的能量能否守恒、能否處于平衡狀態(tài)，這都需要通過(guò)能量衡算才可以準(zhǔn)確推斷[3]。

為了壓縮生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率，關(guān)鍵在于分離裝置是否科學(xué)合理，因?yàn)椴煌姆蛛x裝置，其產(chǎn)生的熱力學(xué)性能存在較大的差異，在這種情況下，就需要對(duì)能量進(jìn)行科學(xué)衡算，可以說(shuō)，在物料衡算的設(shè)計(jì)中，最重要的環(huán)節(jié)是能量衡量。通過(guò)能量衡算，可以對(duì)傳熱面積、設(shè)備性能進(jìn)行不斷調(diào)整，使分離裝置最大限度地達(dá)到降低消耗的目標(biāo)。

4.2 能量衡算原則

能量衡算必須遵循科學(xué)原則，在這方面，熱力學(xué)第一定律是必須堅(jiān)持的重要原則，也就是說(shuō)，熱量的輸入量與輸出量并不是處于絕對(duì)相等的狀態(tài)，而是要加上額外損失的熱量，因此，熱量衡算的公式可以表示為：

5 結(jié)語(yǔ)

在本設(shè)計(jì)中，采用化工模擬軟件Aspen對(duì)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)給定的反應(yīng)條件對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了物料和能量的衡算。