變壓精餾分離丙烯腈-水工藝設(shè)計(jì)

陳鑫　楊威　謝鴻飛　彭擇孔　孫清波　趙平　翟建

摘????? 要： 針對(duì)分離丙烯腈-水二元共沸體系不同壓力下共沸組成變化，利用Aspen Plus化工工藝模擬軟件實(shí)現(xiàn)了丙烯腈-水共沸體系的變壓精餾分離。采用序貫迭代算法以最小年總費(fèi)用為目標(biāo)確定了丙烯腈-水變壓精餾的最佳穩(wěn)態(tài)工藝參數(shù)。對(duì)于進(jìn)料組成各為50%摩爾分?jǐn)?shù)的丙烯腈-水的變壓精餾工藝，其精餾序列為先低壓后高壓，操作壓力分別為0.1 MPa和0.6 MPa，最小年總費(fèi)用為1.254 51×10^6? $。

關(guān)? 鍵? 詞：丙烯腈；變壓精餾；序貫迭代算法；Aspen Plus模擬

中圖分類號(hào)：TQ028.2⁺1???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A???? 文章編號(hào)： 1004-0935（2023）11-1623-04

丙烯腈是一種無色有刺激性氣味的易燃液體，化學(xué)式為C₃H₃N。它微溶于水，但易溶于丙酮、苯、四氯化碳、乙醚和乙醇等有機(jī)溶劑。丙烯腈常被用于生產(chǎn)腈綸纖維^[1-3]。在溶劑回收過程中，產(chǎn)生了丙烯腈和水的有機(jī)廢液。

由于在常壓下丙烯腈和水形成二元最小共沸物，傳統(tǒng)的精餾過程無法有效地將丙烯腈與水分離。因此，需要采用一些特殊的精餾方法，如萃取精餾^[4-6]、變壓精餾^[7-10]。使用萃取精餾需要向體系中引入第三種物質(zhì)，以改變組分之間的相對(duì)揮發(fā)性，但這增加了操作的復(fù)雜性和萃取劑及其回收的成本。然而，利用丙烯腈-水共沸體系對(duì)壓力的敏感性，可以實(shí)現(xiàn)共沸物的有效分離。這種方法可以簡化操作流程，省去回收萃取劑的步驟，并且不會(huì)引入雜質(zhì)，因此具有重要的研究意義。

本研究設(shè)計(jì)了一種低壓塔-高壓塔變壓精餾工藝用于分離丙烯腈-水二元共沸體系，使用Aspen Plus化工工藝模擬軟件，并采用嚴(yán)格精餾模型RadFrac，在保證分離純度的情況下，在以最小年總費(fèi)用為目標(biāo)的前提下，采用序貫迭代算法進(jìn)行優(yōu)化，從而確定了最佳操作參數(shù)。

1? 變壓精餾工藝可行性

擬定的分離條件如下：丙烯腈-水進(jìn)料的摩爾組成為50%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）丙烯腈和50%水，進(jìn)料流量為100 kmol·h^-1，進(jìn)料溫度為273.15 K，進(jìn)料壓力為0.1 MPa。設(shè)計(jì)要求確保丙烯腈和水的產(chǎn)品純度不低于99.9%。

物性方法決定了模擬計(jì)算的結(jié)果是否準(zhǔn)確，因此選擇恰當(dāng)?shù)奈镄苑椒ㄖ陵P(guān)重要，對(duì)于丙烯腈-水體系，根據(jù)氣液相平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)NRTL（非隨機(jī)兩液相）模型的二元交互參數(shù)進(jìn)行回歸擬合，如圖1所示，101 kPa下丙烯腈和水的氣液相模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，且氣相線和液相線有相同的最低點(diǎn)，即最低共沸點(diǎn)。因此，本文選用NRTL模型。表1列出了該體系二元交互參數(shù)的具體數(shù)據(jù)。

丙烯腈-水體系的共沸組成對(duì)壓力的敏感程度隨著壓力的增大而增大。圖2顯示，在0.1 MPa和0.6 MPa下，丙烯腈的共沸組成發(fā)生了16.96%的變化。這說明變壓精餾可以有效地分離丙烯腈-水共沸體系。

2? 工藝模擬及優(yōu)化

該工藝中，進(jìn)料首先進(jìn)入低壓塔（LPC），然后從塔底餾出丙烯腈產(chǎn)品。在LPC塔頂，得到1 atm下的共沸物。共沸物經(jīng)過泵加壓后輸入高壓塔（HPC）。在HPC塔底，丙烯腈產(chǎn)品從塔底餾出。同時(shí)，在HPC塔頂?shù)玫?.6 MPa下的共沸物。然后，共沸物經(jīng)過冷凝器冷卻，通過泵降壓至0.1 MPa，再次進(jìn)入LPC進(jìn)行進(jìn)一步的分離和精制。通過這種循環(huán)往復(fù)的分離過程，最終可以在LPC和HPC塔底獲得高純度的丙烯腈和水產(chǎn)品。在該工藝中，LPC和HPC均采用RadFrac模塊進(jìn)行模擬和優(yōu)化。丙烯? 腈-水體系的變壓精餾工藝流程圖如圖3所示。

年總費(fèi)用（TAC）由DOUGLAS^[11]提出的概念，是衡量化工過程工藝經(jīng)濟(jì)型的關(guān)鍵指標(biāo)，并且在化工模擬優(yōu)化過程中作為評(píng)價(jià)工藝經(jīng)濟(jì)性的標(biāo)準(zhǔn)得到了廣泛的應(yīng)用。本文計(jì)算年總費(fèi)用的公式來源于WANG^[12]和CUI^[13]等的研究成果。年總費(fèi)用包含了2個(gè)方面，分別是能源費(fèi)用和設(shè)備投資費(fèi)用，計(jì)算公式如式（1）所示。

年總費(fèi)用＝操作費(fèi)用＋設(shè)備投資費(fèi)用/回收期（1）

其中設(shè)備投資費(fèi)用包括建立精餾塔的費(fèi)用、建立冷凝器與再沸器的費(fèi)用、建立冷卻器的費(fèi)用以及其他設(shè)備建立費(fèi)用，計(jì)算公式如式（2）和式（3）所示。

精餾塔= 17 640 ×Ｄ^1.066 × L^0.802。（2）

再沸器/冷凝器=7 296 × A_R^0.65。（3）

式中：D—塔的直徑，由Aspen Plus計(jì)算生成，m；

L—塔的高度；

A_R—換熱面積，m²。

操作費(fèi)用包括了蒸汽的費(fèi)用和冷卻水的費(fèi)用，用于再沸器和冷凝器。操作費(fèi)用的計(jì)算公式如式（4）和式（5）所示。

冷凝水= C_W× Q_c× 8 000 × 0.003 6。?????????（4）

蒸汽=C_S× Q_c× 8 000 × 0.003 6。??（5）

式中：C_W、C_S—冷卻水價(jià)格和蒸汽價(jià)格；

Q_C—冷凝器和再沸器熱負(fù)荷。

每1 000 加侖（3 785.41 L）冷卻水的價(jià)格是0.03 $，本文中LPC與HPC均使用433.15 K的低壓蒸汽加熱，低壓蒸汽的價(jià)格是每千克7.72 $。假設(shè)年操作時(shí)間為8 000 h，回收期為3年。

根據(jù)序貫迭代算法，以最小TAC為目標(biāo)，對(duì)流程進(jìn)行優(yōu)化。在進(jìn)行模擬之前，首先給定HPC的塔板數(shù)為15，進(jìn)料位置為5，回流比為0.879。同時(shí)，理論塔板數(shù)（N_LPC、N_HPC）被設(shè)定為最外層的循環(huán)變量，回流比（RR₁、RR₂）為次內(nèi)層迭代變量，進(jìn)料位置（N_F1、N_F2、N_RE）為最內(nèi)層迭代變量。這個(gè)設(shè)置如圖4所示。

需要注意的是，當(dāng)LPC的塔板數(shù)低于6時(shí)，模擬無法滿足丙烯腈和水純度的要求。隨著LPC塔板數(shù)的增加，熱負(fù)荷從第六塊板降低到第七塊板時(shí)，熱負(fù)荷急劇下降。隨后，熱負(fù)荷略微上升，但與第六塊板相比仍然很低，可以忽略不計(jì)。TAC呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。在塔板總數(shù)為7時(shí)，TAC達(dá)到最小值。這意味著在此設(shè)置下，最優(yōu)化的結(jié)果可以通過選擇7個(gè)塔板來實(shí)現(xiàn)。

由上述數(shù)據(jù)結(jié)論，可以確定LPC的最優(yōu)參數(shù)：塔板總數(shù)為7，進(jìn)料位置為5，回流位置為3，此時(shí)的回流比為1.265。

固定以上參數(shù)，繼續(xù)對(duì)HPC進(jìn)行優(yōu)化，HPC的再沸器熱負(fù)荷和年總費(fèi)用TAC與HPC塔板數(shù)的關(guān)系如圖5所示。

HPC再沸器熱負(fù)荷隨著塔板數(shù)的增加而下降。當(dāng)塔板數(shù)小于12時(shí)，熱負(fù)荷與塔板數(shù)和TAC的關(guān)系呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。然而，在塔板數(shù)為16時(shí)，熱負(fù)荷達(dá)到最低值。此時(shí)，高壓塔的回流比為0.012。

綜上所述，對(duì)變壓精餾分離丙烯腈-水工藝主要操作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了圖3所示最佳操作參數(shù)的模擬結(jié)果。

3? 結(jié) 論

通過對(duì)丙烯腈-水的氣液平衡數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)丙烯腈-水共沸組成隨著壓力的變化而變化。采用變壓精餾工藝對(duì)丙烯腈-水二元共沸體系進(jìn)行分離。在這項(xiàng)研究中，設(shè)計(jì)了低壓塔-高壓塔的變壓精餾工藝流程，并通過序貫迭代算法確定了最佳操作參數(shù)。在最優(yōu)工藝操作參數(shù)下，可以在兩個(gè)塔的塔底分別獲得丙烯腈和水產(chǎn)品，其摩爾純度均達(dá)到99.9%。這項(xiàng)研究的思路對(duì)于其他共沸物系的分離也具有一定的指導(dǎo)意義。

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Design of Pressure-swing Distillation

for Separation of Acrylonitrile and Water

CHEN Xin， YANG Wei， XIE Hong-fei， PENG Ze-kong， SUN Qing-bo， ZHAO Ping， ZHAI Jian^*

（School of Environmental and Chemical Engineering， Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China）

Abstract：? Regarding the separation of the acrylonitrile-water binary azeotropic system under different pressures， the pressure-swing distillation of the acrylonitrile-water system was implemented using the Aspen Plus chemical process simulation software. The optimal steady-state process parameters for the acrylonitrile-water pressure-swing distillation were determined using a sequential iterative algorithm， with the objective of minimizing the annual total cost. The study demonstrated that for a feed composition of 50% mole fraction each of acrylonitrile and water， the preferred distillation sequence was low-pressure distillation followed by high-pressure distillation， with operating pressures of 1 atm and 6 atm， respectively. The minimum annual total cost was determined to be ?????1.254 51×10⁶ $.

Key words： Acrylonitrile; Pressure-swing distillation; Sequential iterative algorithm; Aspen Plus simulation