Aspen Plus在模擬分離乙腈-水過程中的應用

鄭建東，楊 靖，陳綱領，王余杰

(滁州學院 材料與化學工程學院，安徽 滁州 239000)

乙腈是一種應用相當廣泛的有機化工原料[1-4]，對其純度有很高的要求，其中，常規的純度要達到99%才能被利用。除了在石油化工中用作從烯烴和鏈烷烴中提取丁二烯和異戊二烯的萃取劑外，還被廣泛地用作有機合成、醫藥、農藥、表面活性劑、染料等精細化學品的合成原料[5-6]，以及薄層色譜、紙色譜、光譜、極譜和高效液相色譜的流動相溶劑，這些用途對乙腈的純度都有很高的要求。

乙腈與水會形成最低共沸物，共沸體系的質量組成分別為：乙腈84%、水16%，共沸溫度76℃[7]。因此，利用普通的精餾方法很難分離[8]。共沸體系的分離一般是利用消除共沸或改變共沸組成的方法進行分離提純[9]，常用的方法有共沸精餾、萃取精餾、變壓精餾，吸附和滲透汽化等[10-15]。

余美瓊[16]等利用Aspen Plus軟件，選用乙二醇、二甲基亞砜等四種萃取劑，進行萃取精餾，結果可以使塔頂產品中乙腈的質量分數可達99.5%。該方法操作設備簡單，投資也相對少，能耗相對其他精餾較低，最重要是回收率也能滿足分離要求，缺點是加入了第三組分。

變壓精餾主要是通過利用不同的壓力變化來影響共沸物共沸點的變化，從而達到分離目的。本論文就是利用Aspen Plus軟件進行模擬分離乙腈和水，采用變壓精餾的方法，分離乙腈和水的共沸物體系，以期望得到高純度的乙腈產品，對實際工業生產具有重要的應用價值。

1 模擬分離過程

1.1 乙腈-水二元物系的熱力學模型

常用的乙腈-水分離的熱力學模型有NRTL、Wilson、UNIQUAC和UNIFAC模型等，本論文選用Wilson模型，利用韓世軍[17]測定乙腈-水二元體系在常壓下汽液相平衡數據，乙腈和水的二元物系相互作用參數直接使用Aspen Plus數據庫中的參數，具體結果如表1所示。

表1 Wilson方程中乙腈-水物系二元交互作用參數

1.2 進料與分離要求

進料量為1000 kg/h，進料溫度為35℃，可以參照常壓下乙腈和水的共沸組成進料，乙腈的質量分數為0.84，水的質量分數為0.16，最終分離要求乙腈產品的純度達99.5%，要求廢水中乙腈的質量分數小于0.5%。

1.3 變壓精餾分離乙腈和水可行性分析

圖1 101.3和500.0kPa乙腈和水的相圖

當共沸物組成對壓力變化靈敏時，由壓力不同的兩個精餾塔串聯組成的變壓精餾可以實現對共沸物的有效分離。圖1分別為500.0 kPa和101.3 kPa下乙腈-水的相平衡圖；圖2為500.0 kPa和101.3 kPa下乙腈-水的溫度-組成相圖。由圖1可知，常壓下乙腈和水能形成共沸物，質量組成為乙腈84%，水16%，當壓力上升到500.0 kPa時，此時的共沸物質量組成為乙腈75%，水25%，由圖1和圖2可以看出壓力的變化對乙腈和水共沸物組成的影響較大，所以通過變壓精餾，可以得到純度較高的乙腈產品。由如圖2可知，乙腈和水可形成二元最低共沸物，在加壓塔塔釜可以獲得乙腈產品，通過變壓精餾分離可以實現乙腈-水二元共沸物的充分分離。

圖2 壓力為101.3kPa和500.0kPa下乙腈-水的溫度-組成相圖

1.4 分離工藝流程

如圖3所示，為加壓-常壓雙塔精餾分離乙腈和水的工藝流程圖，選用RadFrac型的加壓塔T1和常壓塔T2、Pump型的增壓泵、Mixer型的混合器。將質量分數為0.84乙腈和的0.16的水通過F物流送入MIX混合器中，然后通過T1加壓塔將混合物分離成乙腈和以水為主的高壓輕質液相，乙腈從塔釜S5采出，塔頂中高壓輕質液相混合物再通過壓力差送入到常壓塔T2中，通過常壓精餾分離成水和以水為主的常壓輕質液相，分離出的水從塔釜S6采出，塔頂中的混合物通過增壓泵與進料物流輸送到加壓塔中，重新參與變壓分離過程。

圖3 乙腈-水變壓精餾分離工藝流程

2 工藝模擬與優化

影響精餾生產工藝中的主要因素有理論板數、回流比及進料板位置。本設計利用Aspen Plus軟件針對上述變壓精餾工藝進行模擬，分別考察上面三個因素對乙腈純度及再沸器熱負荷的影響，從而對生產工藝進行優化，確定最佳的工藝參數，使得在能耗較小的條件下分離出高純度的乙腈產品。在考察的初期，設定加壓塔回流比為4，進料位置為6，理論塔板數為12；設定常壓塔回流比為4，進料位置為6，理論塔板數為16。為了方便考察，通過Aspen Plus軟件的Design Specs/Vary功能，自動改變常壓塔和加壓塔的塔頂采出率，使得到的乙腈純品含量為99.5%。

2.1 理論板數對熱負荷影響

圖4 理論板數對再沸器熱負荷的影響

由圖4可知，隨著理論板數的增加，加壓塔和常壓塔的再沸器總熱負荷均出現了先下降后幾乎不變的趨勢。在加壓塔理論板數達到12和常壓塔理論板數為11時，乙腈的質量分數達到了99.5%。進一步增加理論板數時，乙腈純度不再增加，再沸器總熱負荷不再發生變化，在考慮到增加理論板數會增加其設備費用，故綜合考慮得出加壓塔最佳理論板數為12，常壓塔最佳理論板數為11。

2.2 回流比對熱負荷影響

圖5為變壓精餾中加壓塔和常壓塔回流比對再沸器熱負荷的影響。由圖可知，加壓塔和常壓塔再沸器的總熱負荷隨著回流比的增加均是先下降后增加的趨勢。這是由于增加加壓塔的回流比會增加其加壓塔內的液相負荷，使其加壓塔內再沸器熱負荷增加；另外，隨著加壓塔回流比的增加，塔頂采出量減少常壓塔中液相負荷相對減少，使得常壓塔再沸器熱負荷減少，所以，圖5中加壓塔和常壓塔都出現隨著回流比的增加，再沸器的熱負荷先降低后增加，從節約資源和降低能耗的角度考慮，選擇其最小熱負荷為原則，加壓塔回流比選用0.7，常壓塔回流比選0.3。

圖5 回流比對再沸器熱負荷的影響

2.3 進料位置對熱負荷影響

圖6 進料位置對再沸器熱負荷的影響

圖6為加壓塔和常壓塔進料位置對再沸器熱負荷的影響，由圖可以看出，無論加壓塔還是常壓塔，再沸器的總熱負荷隨著進料位置的下移先降低后增加，選擇進料位置對生產過程的成本影響不是太，但是從能耗角度考慮，加壓塔選擇第6塊理論板進料，常壓塔選擇第7塊理論板進料。

2.4 模擬優化結果

在保證乙腈的質量分數達到了99.5%以上的情況下，通過Aspen Plus 模擬軟件對加壓塔和常壓塔理論板數、回流比和進料位置模擬優化后，得到變壓精餾分離乙腈和水的最佳工藝條件如表2所示。

表2 模擬優化結果

3 結束語

Aspen Plus 模擬軟件能把化工生產過程比較復雜的工藝通過軟件模擬優化，在保證一定產品質量純度的前提下，從能耗角度優化生產工藝條件。通過Aspen Plus 模擬軟件對乙腈和水的分離過程進行模擬優化，利用Wilson方程建立物性分析方法，分析了101.3kPa和500.0kPa下乙腈和水的汽液平衡數據，結果表明采用加壓塔和常壓塔組成的變壓精餾工藝能夠有效地實現乙腈和水共沸物的分離，且分離效果可達99.5%。其中最佳工藝條件為：加壓塔理論板數為12，回流比為0.7，進料位置為6；常壓塔理論板數為11，回流比為0.3，進料位置為7。