偏氟乙烯精餾的Aspen Plus模擬分析

鐘益堂

（中昊晨光化工研究院有限公司，四川 自貢 643201）

偏氟乙烯（VDF）是含氟有機化合物生產中僅次于四氟乙烯規模生產的單體[1]。主要用于合成聚偏氟乙烯（PVDF）。PVDF具有良好的化學穩定性、集中應用于石油化工、電子電氣和氟碳涂料3大領域。VDF易與乙烯、三氟氯乙烯、四氟乙烯、六氟丙烯、氟乙烯、含氟烷基乙烯基醚等發生共聚反應，制備特種氟橡膠應用于汽車、飛機、火箭等行業。PVDF樹脂還可以與其他樹脂共混改性，如PVDF與ABS樹脂共混得到復合材料，已經廣泛應用于建筑、汽車裝飾、家電外殼等[2]。

Aspen Plus是美國Aspen技術公司20世紀80年代初推向市場、具有準確單元操作模型和最新計算方法的大型工藝流程模擬計算軟件[3－4]。本文應用Aspen Plus模擬軟件對VDF精餾系統中的精餾塔進行了靜態模擬，并對進料位置NF、回流摩爾比R、餾出摩爾比D/F等操作參數做了靈敏度分析。

1 工藝流程及工藝參數

VDF精餾系統由脫高塔、脫輕塔、精餾塔及回收塔組成，粗產品VDF進入脫高塔除去高沸物，再進入脫輕塔除去低沸物，然后進入精餾塔精制VDF，釜液進入回收塔進行回收。精餾塔進料液中VDF、二氟一氯乙烷（HFC-142b）摩爾分數分別為90.80%、9.20%，進料摩爾流量為10.388 kmol/h，溫度-5℃，壓力1.80 MPa；進料位置在第38塊塔板，塔板數為48；塔頂操作壓力為1.60 MPa，全塔壓降為50 kPa。

2 熱力學模型選擇

Aspen Plus提供了理想模型、狀態方程模型、活度系數模型、特殊模型等多種物性模型[5]。選擇合理的物性方法經常是決定模擬結果的精確度的關鍵步驟。該模擬系統中2組分具有一定的互溶性，選用NRTL方程建立本系統的活度系數模型進行關聯計算[6-7]。用NRTL方程計算的結果與實際生產符合很好。其他物性的計算均采用本軟件默認值。

3 靈敏度分析

Aspen Plus提供的靈敏度分析（Sensitivity）可以檢驗過程改變是如何對關鍵操作變量和設計變量產生影響。靈敏度分析是進行工況研究最有用的工具之一。用它對該模擬過程的進料位置NF、回流摩爾比R和餾出摩爾比D/F操作參數進行了分析研究。

3.1 進料位置NF

在保證分離效果的情況下，最佳進料位置對應其最小的回流比和最小的再沸器熱負荷，故優化時首先應該分析進料位置NF。用塔釜再沸器熱負荷來衡量進料位置的優劣。圖1是精餾塔釜再沸器熱負荷Q與進料位置NF的關系。

從圖1可以看出，塔釜再沸器熱負荷隨著NF的增加先逐漸減小，然后再劇烈增大。當進料位置在第18～44塊板時，再沸器熱負荷基本保持不變。綜合考慮在保證塔頂出料純度和盡量降低操作費用的條件下，選擇第32塊板進料為最優。

圖1 塔釜Q與進料位置NF的關系Fig 1 Relationship of tower kettle Q with the feed position NF

3.2 回流比

增大回流比使產品的質量上升，減少回流比使產品的質量下降。但是塔的冷凝器和再沸器的熱負荷會隨著回流比的增大而增加，操作費用也隨之增加。因此選擇一個適宜的回流比可以降低精餾塔的操作費用。圖2是塔頂VDF質量分數w(C2H2F2)與回流比摩爾R的關系。

圖2 塔頂VDF質量分數與回流摩爾比的關系Fig 2 Relationship of VDF mass fraction in tower top with reflux mole ratio

從圖2可以看出，精餾塔頂餾出物中的偏氟乙烯VDF質量分數隨著回流比的增加先逐漸增大，當回流比大于0.1時，VDF質量分數都保持分離所要求的99.99%以上?；亓鞅葴p小會導致氣液相間的推動力減小，所以回流比R也不應該過小。分析得到適宜回流摩爾比為0.12。

3.3 餾出比

餾出摩爾比D/F對滿足生產要求和減少熱負荷都有重要的影響。對精餾塔的餾出比進行靈敏度分析。圖3是塔頂VDF質量分數與餾出摩爾比D/F的關系。

圖3 塔頂餾出比與VDF質量分數關系Fig 3 Relationship of distillate ratio in tower top with VDF mass fraction

由圖3可以看出，隨著餾出比的增大，塔頂產品VDF的質量分數先不變后減少。并且當餾出摩爾比在0.7～0.9時，塔頂VDF的質量分數基本保持不變，都滿足VDF的分離要求在99.99%以上。而當餾出摩爾比大于0.9時，塔頂VDF的質量分數迅速減小不能滿足分離要求。考慮到盡量滿足生產要求和經濟效益，可知0.89是合適的餾出摩爾比。

4 結論

通過Aspen Plus模擬軟件對VDF和HFC-142b分離過程進行模擬計算與操作參數優化，選用NRTL熱力學模型分析了進料位置、回流比、餾出比對分離效果和熱負荷的影響。

確定了適宜的進料位置NF、回流摩爾比R、餾出摩爾比D/F分別是32、0.12、0.89。其模擬計算結果與實際生產結果基本一致，可用于指導工業生產。

[1]鄭根土.VDF生產過程仿真研究與優化[D].杭州:浙江大學,2004.

[2]郭濤,吳嘉.1-氯-1,1-二氟乙烷反應精餾工藝的定態模擬研究[J].化學反應工程與工藝,2004,20(3):204-208.

[3]謝安俊,劉世軍,張華巖,等.大型化工流程模擬軟件——Aspen Plus[J].石油與天然氣化工,1995,24(4):247-251.

[4]孫蘭義.化工流程模擬實訓——Aspen plus教程[M].北京:化學工業出版社,2012.

[5]戚一文,放運進.物性估算在Aspen Plus軟件中的應用[J].浙江化工,2007,38(1):9-11.

[6]廖麗華.氯乙烯精制裝置流程模擬[J].氯堿工業,1994(11):22-23.

[7]賈紹義,柴誠敬.化工傳質與分離過程[M].北京:化學工業出版社,2001.