侯 濤， 高曉新

（1.常州大學(xué)化工設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇常州213164；2.常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇常州213164）

在化工、醫(yī)藥等生產(chǎn)過程中，乙腈能發(fā)生典型的腈類反應(yīng)，并被用于制備許多典型含氮化合物，是一個(gè)重要的有機(jī)中間體。在溶劑回收過程中經(jīng)常遇到乙腈和水的分離問題。但是，乙腈和水物系形成二元最低共沸物（恒沸物）［1］。溶劑回收時(shí)要得到高純度的乙腈，用常規(guī)精餾無法完成［2］。對(duì)于共沸精餾［3］、萃取精餾［4］這些特殊精餾方式［5］，通常要引入分離介質(zhì)，能耗較高，而且產(chǎn)品中容易夾帶分離介質(zhì)。當(dāng)共沸物系對(duì)壓力變化敏感時(shí)，可以采用變壓精餾的方式進(jìn)行有效分離，避免引入其它物質(zhì)增加后續(xù)分離［6－9］。二元恒沸物隨著操作壓力的改變，共沸組成也隨之改變，二元恒沸物會(huì)在某個(gè)壓力下消失，或在適當(dāng)?shù)膲毫Ψ秶鷥?nèi)，共沸組成的摩爾分?jǐn)?shù)變化大于5%時(shí)，可以采用在不同壓力下串聯(lián)操作的兩個(gè)不使用溶劑的塔，這種過程稱為變壓精餾或雙塔精餾。變壓精餾是通過改變壓強(qiáng)跨過共沸組成從而對(duì)共沸體系進(jìn)行有效分離的過程。由于乙腈－水共沸體系對(duì)壓力變化比較敏感，本文通過Aspen Plus對(duì)乙腈－水體系進(jìn)行變壓精餾模擬，并通過靈敏度分析模塊考察分離塔的進(jìn)料板位置和回流比對(duì)分離效果的影響［10－11］。

1 特性計(jì)算模型和壓強(qiáng)的選擇

1.1 物性計(jì)算模型的選擇

選擇合適的物性計(jì)算方法是模擬結(jié)果好壞的關(guān)鍵。ASPEN PLUS軟件中有比較全面、完善的物性計(jì)算模型，模型如圖1所示。一般可以從以下幾個(gè)方面來考慮選擇比較適宜的物性計(jì)算模型。

圖1 物性計(jì)算模型的選擇Fig.1 Selection of property method

①ASPEN PLUS軟件中，根據(jù)不同的工藝及物系推薦使用相應(yīng)的物性計(jì)算方法，對(duì)于非理想性較強(qiáng)的共沸物系，推薦使用液體活度系數(shù)方法，如NRTL、WILSON、UNIQUAC 等。實(shí) 踐 證 明［12］，WILSON方程和UNIQUAC方程適用于絕大多數(shù)場合，其中 WILSON方程用于汽液平衡計(jì)算的精度一般較好，UNIQUAC方程更適用于分子大小差異較大的物系，NRTL方程對(duì)于含水物系更好一些。

②對(duì)于共沸物系，從物性手冊、溶劑手冊或相關(guān)文獻(xiàn)上可以查到常壓下相應(yīng)組分的沸點(diǎn)、共沸組成及共沸溫度，與嘗試使用不同物性方法下數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，最接近的數(shù)據(jù)可以認(rèn)為是較為合適的物性計(jì)算模型。

③條件允許的情況下，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到不同壓強(qiáng)下的汽液平衡數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸，對(duì)ASPEN PLUS軟件模型庫中相互作用的參數(shù)進(jìn)行修正。

根據(jù)以上原則，對(duì)于乙腈和水共沸物系［13］，選擇UNIQUAC物性計(jì)算模型。

1.2 壓強(qiáng)的選擇

變壓精餾主要是利用壓強(qiáng)的變化來影響共沸物系共沸點(diǎn)的改變，從而來進(jìn)行有效分離的。因而壓強(qiáng)的選擇對(duì)于變壓精餾而言顯得十分重要。一方面要考慮壓強(qiáng)改變共沸點(diǎn)的大小；另一方面要考慮設(shè)備對(duì)壓強(qiáng)的承受能力，壓強(qiáng)不能無限制的過大或過小，否則會(huì)大大增加設(shè)備費(fèi)用，還會(huì)影響到操作費(fèi)用。

通過不同壓強(qiáng)下的汽液平衡相圖來選擇合適的壓強(qiáng)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，此共沸體系的組成隨壓強(qiáng)的變化比較敏感，可以利用變壓精餾進(jìn)行分離。綜合考慮其它因素，確定兩塔的操作壓力分別為350kPa和100kPa。此時(shí)共沸溫度由116.5℃變?yōu)?6.0℃，共沸組成（以乙腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示）由0.76變?yōu)?.82，變化較為明顯。

圖2 不同壓強(qiáng)下的乙腈－水汽液平衡相圖Fig.2 The vapor－liquid diagram for acetonitrile－water acetonitrile－water under different pressures

2 變壓精餾原理及流程

壓強(qiáng)確定后，對(duì)變壓精餾工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)乙腈－水體系在壓強(qiáng)分別為100kPa和350kPa下的溫度－組成相圖來確定變壓精餾的流程如圖3所示。

圖3 乙腈－水變壓精餾工藝流程圖Fig.3 Process diagram for pressure swing distillation for acetonitrile－water

圖3為乙腈－水變壓精餾的流程圖，T1為高壓塔，操作壓力為350kPa，T2為常壓塔，操作壓力為101.3kPa。原料流股①經(jīng)換熱器H1預(yù)熱后與從T2塔蒸出的塔頂循環(huán)流股⑦經(jīng)泵提升壓力后混合進(jìn)入T1塔，在塔底得到較純的乙腈產(chǎn)品，而塔頂則得到在此壓強(qiáng)下的乙腈－水共沸體系。流股③進(jìn)入塔T2，由于壓強(qiáng)改變后，原來的共沸體系被打破，跨過原來的共沸點(diǎn)，精餾后在T2塔底得到水產(chǎn)品，以及新的共沸物，并由塔頂蒸出與原料流股混合作為進(jìn)料流股。

從圖3中可以看出，變壓精餾與常規(guī)精餾不同，塔底餾出的不一定是沸點(diǎn)較高的組分。對(duì)于具有最低共沸點(diǎn)的組分而言，低沸點(diǎn)組分從塔底餾出，塔頂餾出的則是在此壓強(qiáng)下的共沸物。

3 變壓精餾模擬與優(yōu)化

3.1 模擬規(guī)定

擬分離的物料如下：進(jìn)料量2 500kg／h，其中含乙腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)82%，含水率18%，初始溫度為25℃。規(guī)定分離得到的乙腈產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥97%。模擬軟件采用Aspen Plus，兩塔均選用RadFrac嚴(yán)格精餾模型；熱力學(xué)方程選用 WILSON，并以UNIQUAC為物性計(jì)算模型。

3.2 靈敏度分析與參數(shù)優(yōu)化

初步模擬后許多參數(shù)還不是最優(yōu)，并且產(chǎn)品純度還沒有達(dá)到分離要求。利用Aspen Plus軟件中的靈敏度分析模塊對(duì)加料板及回流比進(jìn)行模擬分析，以期得到最佳工藝參數(shù)。在其它條件不變的情況下，進(jìn)料位置不同分離效果也將不同，存在最佳的進(jìn)料位置。

3.2.1 進(jìn)料位置的影響 對(duì)高壓塔的原料進(jìn)料位置以及常壓塔的進(jìn)料位置進(jìn)行靈敏度分析，計(jì)算模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 進(jìn)料板位置對(duì)分離效果的影響Fig.4 The relationship between the feed stage and separation

由圖4可知，對(duì)T1塔，隨著加料板位置的改變，乙腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大，然后趨于平緩，在塔板第6塊附近以后變化不大，第10塊進(jìn)料板達(dá)到最大值。T2塔隨著加料板位置的變化，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)先是急劇增大，然后趨于平緩，在第15塊進(jìn)料板達(dá)到最大值。

3.2.2 回流比的影響 回流比在精餾過程中是一個(gè)十分重要的工藝參數(shù)，關(guān)系到分離效果和能耗。圖5為T1和T2塔回流比的靈敏度分析，考察其對(duì)分離效果的影響。

由圖5可知，隨著回流比的增大，產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)先是急劇增大然后趨于平緩。T1塔回流比為1.5，T2塔回流比為0.25時(shí)，產(chǎn)品恰好達(dá)到分離要求。

T1塔和T2塔內(nèi)各理論板的汽液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布見圖6。由圖6可知，兩塔的塔頂汽液兩相均達(dá)到共沸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成基本保持不變；在接近塔底區(qū)域，汽液兩相質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度比較大，在T1塔底得到乙腈產(chǎn)品，在T2塔底得到水產(chǎn)品；T2塔頂物料中乙腈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.821，與T1塔的原料組成乙腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.82一樣，因此將物流S2和物流S8混合是合理的。

圖5 回流比對(duì)分離效果的影響Fig.5 The relationship between the reflux ratio and separation

圖6 汽液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Mass fraction distributions of vapour and liquid

3.2.3 變壓精餾模擬結(jié)果 由 Aspen Plus中Tray Sizing模塊，可以計(jì)算得到各塔的塔徑，圖7為T1塔的Tray Sizing模塊，選擇塔板類型為篩板，取板間距為初始定為500mm。板間距的選取要進(jìn)行反復(fù)試差，確保符合工程規(guī)定，如表1所示板間距與塔徑的關(guān)系。由表1可知，不同塔徑對(duì)應(yīng)著不同的板間距。

表1 板間距與塔徑的關(guān)系Table1 Relationship between tray spacing and tower diameter

工程中板間距的數(shù)值常按系列標(biāo)準(zhǔn)選取，常用的板間距有300、350、400、450、500、600、800mm 等幾種系列標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 Tray Sizing模塊Fig.7 Tray Sizing module

由此可以得到T1塔的板間距為500mm，塔徑為1.7m；T2塔的板間距為600mm，塔徑為1.6 m。乙腈－水共沸體系的變壓精餾模擬結(jié)果見表2。由表2可以看出變壓精餾優(yōu)化后的各工藝參數(shù)。

4 結(jié)論

基于UNIQUAC物性模型，用Aspen Plus化工模擬軟件對(duì)乙腈－水體系通過高壓塔和常壓塔的雙塔變壓精餾可以有效的進(jìn)行分離。當(dāng)高壓塔操作壓強(qiáng)為350kPa，塔板為30塊，進(jìn)料板為第10塊板，回流比為1.5，在塔底可以得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.997的乙腈產(chǎn)品；常壓塔壓強(qiáng)為101.3kPa，塔板為25塊，進(jìn)料板為第15塊板，回流比為0.25時(shí)，在塔底可以得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.999的水。

表2 變壓精餾模擬結(jié)果Table2 Results of simulation of PSD

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