變壓精餾分離乙腈-異丙醇模擬計算及中試應用

王爐鋼 湯利亞 趙建明

（杭州原正化學工程技術有限公司，杭州310012）

乙腈和異丙醇都是重要的化工原料。2者形成最低共沸，采用普通精餾的方法難以分離。分離共沸物系的特殊精餾方法有萃取精餾、恒沸精餾、加鹽精餾和變壓精餾等。其中變壓精餾的突出特點是無需向物系中引入新的組分，因此產品純度容易控制，也避免了引入新組分后所需要的回收等步驟。

變壓精餾利用壓力的改變而引起共沸組成發生變化，甚至使共沸點消失，達到最終實現精餾分離的目的。不同共沸物系的共沸組成對壓力變化的敏感程度有所不同，當共沸物組成對壓力變化靈敏時，便可由壓力不同的2個精餾塔串聯構成的精餾塔組有效地分離共沸物。文獻指出，要采用變壓精餾，需要在差值不超過1 MPa的2個壓力點，共沸組成變化至少應超過5%，最好是在10%以上[1]。壓力差大，就可能需要高品位的冷媒或熱媒。共沸組成變化小，則2塔之間的循環流大，能耗也大。

本文擬對變壓精餾分離乙腈-異丙醇物系進行模擬計算，得到優化之后的工藝參數，為工藝流程與裝置的設計提供理論指導。

1 可行性分析

選擇正確的物性方法是模擬計算的關鍵，直接影響模擬結果的準確性。莊瓊紅選用WILSON活度系數方程計算了乙腈-甲醇物系的氣液平衡數據，結果與實驗數據吻合良好[2]。作為近似物系，本文采用WILSON模型計算乙腈-異丙醇物系的液液平衡。

由WILSON方程計算不同壓力下乙腈-異丙醇物系的沸點、共沸溫度和共沸組成如表1所示。

由表1可見，壓力從30 kPa上升至101.3 kPa時，共沸組成中乙腈的質量分數減少了15.23個百分點。因此，可以采用變壓精餾分離乙腈-異丙醇物系，在塔頂得到操作壓力下的共沸物，塔釜得到高純度的乙腈和異丙醇。同樣，壓力從101.3 kPa上升至300 kPa時，共沸組成中乙腈的質量分數減少了12.13個百分點，符合變壓分離的條件，但是300 kPa時乙腈的沸點與共沸溫度十分接近，不利于精餾分離。

表1 不同壓力下乙腈-異丙醇物系的沸點、共沸溫度和共沸組成Tab 1 Boiling point,azeotropic temperature and azeotropic composition of acetonitrile-isopropyl alcohol under different pressure

2 工藝流程與計算模型

待分離物料工況：進料質量流量為100 kg/h、溫度50℃、壓力為常壓，乙腈和異丙醇的質量分數分別為30%和70%。經分離，要求產品乙腈和異丙醇的質量分數分別為99.90%和99.50%。

圖1為乙腈-異丙醇變壓精餾的工藝流程。減壓塔操作壓力為30 kPa，常壓塔操作壓力為101.3 kPa。2塔串聯構成了變壓精餾分離乙腈-異丙醇的塔組。乙腈-異丙醇混合液先進入減壓塔，在塔底得到質量分數為99.50%的異丙醇產品；塔頂物流進入常壓塔。在常壓塔底得到質量分數為99.90%的乙腈產品，塔頂物流返回減壓塔。減壓塔和常壓塔的塔頂出料組成分別接近于2個精餾塔操作壓力下的共沸組成。

圖1 乙腈-異丙醇變壓精餾的工藝流程Fig 1 Variable pressure distillation process of acetonitrile-isopropyl alcohol

精餾塔的計算采用嚴格計算法，對全塔每塊塔板作平衡級過程計算。描述該過程特性的基本方程組包括物料衡算方程（M），相平衡方程（E），熱量衡算方程（H）和摩爾分數總和方程（S），這4組方程簡稱MESH方程。關于MESH方程的具體表達式及求解方法，多種文獻中已有報道，本文不再贅述[3-5]。

3 結果與討論

3.1 常壓塔單塔的模擬

影響常壓塔分離效果的主要參數包括理論塔板數、進料位置和回流比。考慮到常壓塔進料來自于減壓塔的塔頂，故設定常壓塔進料組成為減壓塔操作壓力下的共沸組成，進料溫度為減壓塔塔頂出料的溫度。

保持其他工藝參數不變，其中回流質量比設定為1.60，進料位置設定為中部進料，調整理論塔板數，考察常壓塔塔底乙腈（CH3CN）含量變化情況，結果如圖2所示。

圖2 理論塔板數對常壓塔底乙腈含量的影響Fig 2 Effect of theoretical plate number on acetonitrile content in tower bottom atatmospheric pressure

由圖2可見，隨著理論塔板數的增加，乙腈含量先快速增加后趨于平穩，當理論板數為24塊時，乙腈的質量分數已經達到99.90%的要求。

保持其他工藝參數不變，其中理論板數設定為24塊，回流質量比設定為1.60，調整進料位置，考察常壓塔底乙腈含量的變化情況，結果如圖3所示。

圖3 進料位置對常壓塔底乙腈含量的影響Fig 3 Effect of feed stage on acetonitrile content in tower bottom at atmospheric pressure

由圖3可見，隨著進料位置的下移，乙腈含量先升高后趨于平穩，再逐漸減小。當進料位置為第13塊理論塔板時，乙腈的質量分數達到最大，為99.98%，因此第13塊板為最佳進料位置。

減少理論板數，同時改變進料位置，當塔底乙腈的質量分數降到接近99.90%時，即得設定回流比下的理論塔板數與最佳進料位置：理論塔板數為22塊，進料位置為第13塊塔板。

保持其他工藝參數不變，其中理論板數設定為22塊，進料位置設定為第13塊，調整回流比，考察常壓塔塔底乙腈的質量含量變化情況，結果如圖4所示。

由圖4可見，隨著回流比的增加，乙腈質量分數先快速增加后趨于平穩。回流質量比為1.60對應的點正好位于快速增加段和平穩段之間的過渡區域。若該點位于快速增加段，則說明回流比偏小，若位于平穩段，則說明回流比偏大，均需重復調整回流比、理論塔板數和進料位置，直到符合要求為止。

圖4 回流比對常壓塔底乙腈含量的影響Fig 4 Effect of reflux ratio on acetonitrile content in tower bottom at atmospheric pressure

對常壓塔單塔優化后的參數為：理論塔板數22，進料塔板13，回流質量比1.60。

3.2 減壓塔單塔的模擬

與常壓塔相比，影響減壓塔分離效果的主要參數除了理論塔板數、進料位置和回流比，還有循環流量。假定減壓塔和常壓塔的塔頂出料組成分別等于2個精餾塔操作壓力下的共沸組成，減壓塔塔底出料為純凈的異丙醇產品且質量流量為70 kg/h，可以計算出循環質量流量為77.85 kg/h，以此作為減壓塔單塔模擬的設定值。

對減壓塔單塔的模擬過程可以參考常壓塔。減壓塔優化后的工藝參數如下：理論塔板數20，進料塔板16，回流質量比2.80。

3.3 2塔串聯后的模擬

以上分別對常壓塔和減壓塔單塔作了模擬，可以看出，影響單塔分離效果的因素不是孤立的，單個因素的分析需要與其他因素結合起來考慮。同樣，在減壓塔和常壓塔之間各個因素也是相互作用的，將2塔串聯構成塔組，經反復調整得到的優化后的工藝參數如表2所示，物流模擬結果如表3所示。

表2 2塔優化后的工藝參數Tab 2 Optimized process parameters of two towers

表3物流模擬結果Tab 3 The simulation results of fluid

4 中試應用

通過模擬計算得到了變壓精餾分離乙腈-異丙醇物系優化后的工藝參數， 以此為指導設計并建立了中試裝置。中試運行部分關鍵結果與模擬值對比如表4所示。

表4 中試運行部分結果關鍵與模擬值的對比Tab 4 Contrast of simulation value and the key to the results of pilot running

由表4可見，中試結果與模擬值基本相符，以模擬計算指導工藝流程與裝置的設計是可行的。

5 結論

1)對乙腈-異丙醇物系共沸特性的分析發現，當壓力從30 kPa上升至101.3 kPa時，共沸組成中乙腈的質量分數減少了15.23個百分點。因此，可以采用變壓精餾分離乙腈-異丙醇物系。

2)模擬計算結果表明，采用減壓塔和常壓塔組成的變壓精餾塔組可有效分離乙腈-異丙醇物系，2塔塔底分別得到質量分數為99.50%的異丙醇產品和99.90%的乙腈產品；優化后的工藝參數：減壓塔理論板數20，進料位置為第16塊板，回流質量比2.66；常壓塔理論板數22，進料位置為第13塊板，回流質量比1.79。

3)中試結果表明，關鍵參數與模擬值基本相符，以模擬計算指導工藝流程與裝置的設計是可行的。

[1]M F Doherty,Z T Fidkowski,M F Malone,et al.Perry′s Chemical Engineers′Handbook(8th Edition,Section 13)[M].New York:McGraw-Hill Press,2008:82.

[2]莊瓊紅.變壓精餾分離二元均相共沸物的研究[D].天津:天津大學,2008.

[3]宋海華.精餾模擬[M].天津:天津大學出版社,2005:87-89.

[4]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊:上冊[M].4版.北京:化學工業出版社,2009:456-457.

[5]吳俊生,邵惠鶴.精餾設計、操作和控制[M].北京:中國石化出版社,1997:46-47.