楊 倩，王彩琴（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712099）

0 引言

乙腈是優(yōu)良的有機(jī)溶劑，能溶解多種有機(jī)、無機(jī)和氣體物質(zhì)，能發(fā)生典型的腈類反應(yīng)，是重要的有機(jī)合成中間體；此外，在織物染色、照明、香料制造及感光材料制造中也有許多用途[1]。

乙腈與水能形成二元共沸物，因此在進(jìn)行分離的時候，常規(guī)的分離方法難以滿足[2]。目前處理共沸體系物質(zhì)常用的方法是萃取精餾和變壓精餾，兩者的區(qū)別在與萃取精餾需要加入第三種物質(zhì)形成最大共沸溫度，變壓精餾要求該體系的共沸組成隨壓力的變化明顯[3-6]。何桃吉[2]等研究了乙腈-水共沸物的分離模擬與實驗研究，研究內(nèi)容包括進(jìn)料位置和循環(huán)物料進(jìn)料位置、溫度的影響，得到了優(yōu)化的工藝參數(shù)，產(chǎn)品中乙腈的濃度能達(dá)到 99.9%（wt%）；李肖華[7]等研究了甲醇-乙腈體系的變壓精餾過程模擬，模擬結(jié)果為：加壓塔理論板數(shù)22，進(jìn)料位置第17塊塔板，循環(huán)物流進(jìn)料位置為第11塊塔板，回流比1.38，操作壓力0.5 MPa，減壓塔理論板數(shù)35，進(jìn)料位置第12塊塔板，回流比3.8，操作壓力0.04 MPa，模擬結(jié)果表明雙效精餾比常規(guī)精餾可以節(jié)能47.4%，趙俊彤[8]研究了乙醇與乙腈混合物的變壓精餾分離方法，確定了適宜的操作參數(shù) ，同時對比了傳統(tǒng)的變壓精餾和熱集成的變壓精餾，發(fā)現(xiàn)節(jié)能效率達(dá)到35%。

本文利用Aspen Plus模擬軟件對乙腈和水體系進(jìn)行變壓精餾的分離，選用不同壓力下的共沸組成，優(yōu)化了工藝參數(shù)，對實際工業(yè)過程分離兩個混合物提供了一定的理論依據(jù)。

1 變壓精餾可行性研究與流程

變壓精餾是利用共沸點對壓力的敏感性來改變體系的共沸點及共沸組成的分離方法。一般變壓精餾要求物質(zhì)的共沸點組成變化為5%以上，才會選用。因此對該體系進(jìn)行不同壓力下的共沸組成模擬，對比350 kPa下和常壓下的數(shù)據(jù)。如圖1所示。

由圖1可知不同壓力下的共沸組成具體數(shù)據(jù)為0.101 MPa下，乙腈含量為84.05%，水15.95%；0.35 MPa下，乙腈 77.39%，水 22.61%，計算的共沸點的變化為8%，說明共沸精餾的可行性。

圖1 0.35 MPa和0.101 MPa下共沸數(shù)據(jù)

依據(jù)變壓精餾的可行性，建立如圖2所示的模擬流程圖。該流程的主要介紹如下，其中HP為高壓塔，LP為低壓塔，物料首先進(jìn)入高壓塔進(jìn)行分離，在高壓塔中得到一個共沸組成為77.39%的乙腈，然后在低壓塔中得到乙腈含量為84.05%的共沸組成，這樣經(jīng)過循環(huán)后，在高壓塔塔底得到合格的乙腈，在低壓塔得到水。

圖2 模擬流程圖

2 物性方程的選擇

選擇熱力學(xué)方法時首先確定物系，一般非極性物系選擇狀態(tài)方程法或通用關(guān)聯(lián)式法，極性物系選擇活度系數(shù)法，此外還需要確定該物系的二元對，核實交互作用參數(shù)并估算缺少的其它二元對作用參數(shù)。對于乙腈和水體系，該體系是極性物系，因此選擇活度系數(shù)法，最后確定WILSON物性方程來模擬[9-10]。二元交互參數(shù)如圖3所示。

3 模擬結(jié)果與討論

由圖1可以看出，在0.35 MPa和0.101 MPa下兩者的共沸組成有一定的變化。因此建立不同壓力下的精餾塔，在高壓塔得到乙腈，低壓塔得到水，如圖2所示。各物流模擬結(jié)果如表1所示，精餾塔的模擬結(jié)果如表2所示。

圖3 乙腈與水的二元交互參數(shù)

表1 各物流信息

表2 高壓塔和低壓塔的模擬結(jié)果

由表1可以看出，進(jìn)料流股中總流量100 kg/h，高壓塔塔底出料中乙腈流量19.39 kg/h，水量很少，乙腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100，低壓塔的塔底出料中水流量為80.61 kg/h，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.2%，乙腈含量0.8%，由此可以看出，變壓精餾可以將該體系較好的分離，為了可以將廢水直接進(jìn)行排放到環(huán)保車間，需要將廢水中的乙腈含量降至1000×10-6以下。因此對該模擬進(jìn)行靈敏度分析與調(diào)節(jié)。

由表2可得高壓塔和低壓塔的相關(guān)模擬結(jié)果，對于高壓塔，塔板數(shù)30塊，第15塊塔板進(jìn)料，回流比1.5，冷凝器溫度117.13℃，再沸器溫度127.81℃；對于低壓塔，理論板數(shù)25塊，第10塊塔板進(jìn)料，回流比0.5，冷凝器溫度78.83℃，再沸器溫度103.99℃。

4 靈敏度分析與優(yōu)化

初步的模擬結(jié)果并不能滿足廢水的排放要求，并且該塔的結(jié)果并不是最優(yōu)的結(jié)果，需要在初步模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行靈敏度分析和優(yōu)化。利用Aspen Plus的流程模擬分析工具Sensitivity對該流程進(jìn)行模擬[10]。

4.1 回流比的優(yōu)化

在精餾的操作中，回流比是很重要的操作參數(shù)，關(guān)系到分離的效果和能耗，為了更好地考察回流比的影響，做回流比與能耗的關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 高壓塔負(fù)荷

圖5 低壓塔負(fù)荷

由圖4和圖5可知，隨著回流比的增加，冷凝器和再沸器的負(fù)荷增加，這是因為隨著回流比的增加，塔的回流量增加，回流量的增加，意味著要增加更多的蒸發(fā)量，所以冷凝器和再沸器的量是增加的。

因此對于HP塔，選擇回流比為1；對于LP塔，選擇回流比為0.2，這樣總的負(fù)荷可以達(dá)到最小。

4.2 采出率的優(yōu)化

采出率一般指的是塔底或者塔頂?shù)牧髁颗c進(jìn)料的比值。對于該模擬，由于在高壓塔和低壓塔塔底采出，兩個采出不是相互獨立的變量，即當(dāng)高壓塔的塔底采出變化時，因此一般選擇塔底的采出率作為靈敏度分析的自變量，以低壓塔塔底物流中水中的乙腈含量為因變量，考察對其影響。圖6是高壓塔采出對水中乙腈含量的影響。

圖6 HP塔采出對水中乙腈含量的影響

由圖6可知，隨著HP塔底采出從0.190增加到 0.2，即HP塔的采出從 19 kg/h增加到20 kg/h，水中乙腈含量的變化?？梢钥闯?，當(dāng)HP塔的采出增加時，水中乙腈含量減小。這是因為隨著采出的增加，在HP塔得到更多的乙腈，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，水中的乙腈會減小，因此選擇采出在19.9 kg/h，水中基本不含乙腈。

5 結(jié)論

基于Aspen Plus流程模擬軟件，對乙腈、水體系進(jìn)行變壓精餾模擬，得到以下結(jié)論。

（1）對該體系進(jìn)行分析，求得0.35 MPa和0.101 MPa下的共沸點，計算不同壓力下共沸點的變化為8%，說明共沸精餾的可行性。

（2）選用Aspen Plus流程模擬軟件，利用WILSON方程對流程進(jìn)行模擬，得到初步的物料平衡表。

（3）對HP塔的回流比和采出率進(jìn)行了靈敏度分析，隨著回流比的增加，再沸器負(fù)荷和冷凝器負(fù)荷增加，對于高壓塔，選擇回流比1；對于低壓塔，選擇回流比0.2；隨著采出率的增加，水中乙腈含量較少，選擇采出率0.199。

[1] 楊君豪，乙腈的利用[J].江蘇化工，1993，21（4）： 1-4.

[2] 何桃吉.乙腈-水共沸物分離的模擬與實驗研究[D].天津，天津大學(xué)，2008，55-57.

[3] 賈紹義，柴誠敬.化工傳質(zhì)與分離工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：206-211.

[4] 鄧修，吳俊生.化工分離工程[M].北京：科學(xué)出版社，2000：73-81.

[5] 王春蓉.共沸精餾技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].礦冶，2011，20（1）： 47-49.

[6] Fidkowski Z T，Doherty M F，Malone M F.Feasibility of separations for disitillation of nonideal tenary mixtures[J].AIChE J.，1993， 39：1303-1321.

[7] 李肖華，艾雙，計建炳.雙效變壓精餾分離甲醇-乙腈的工藝模擬與優(yōu)化[J].現(xiàn)代化工，2013，12（33）：111-115.

[8] 趙俊彤.乙醇-乙腈混合物分離工藝研究及過程模擬[D].天津，天津大學(xué)，2013，2-8.

[9] 天津大學(xué)物理化學(xué)教研室.物理化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2001：104-107.

[10]孫蘭義.化工流程模擬實訓(xùn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：163-165.