甲苯、二甲苯多股進(jìn)料連續(xù)分離工藝設(shè)計(jì)

鄭世富，黃佩佩，彭偉偉，羅 松

（江西贛鋒鋰業(yè)股份有限公司，江西 新余 338000）

精餾是利用混合物中各組分揮發(fā)度不同，將各個(gè)組分分離的一種分離過程[1-2]。根據(jù)操作方式的不同，分為連續(xù)精餾和間歇精餾；根據(jù)混合物組分?jǐn)?shù)的不同，分為二元精餾和多元精餾[3]。其中，二元精餾是精餾過程中最典型的案例。在《化工原理》教材中，對(duì)二元精餾進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算。然而，對(duì)于多股進(jìn)料的二元連續(xù)精餾的計(jì)算和模擬很少，本文對(duì)甲苯、二甲苯多股進(jìn)料連續(xù)分離工藝進(jìn)行理論計(jì)算及Aspen 模擬。

甲苯，分子式：C7H8，沸點(diǎn)：110.6 ℃，分子量：92.14。其外觀為無色透明液體，和苯的氣味很接近，有強(qiáng)折光性；可以與多種有機(jī)溶劑如氯仿、乙醇、丙酮、乙醚等混溶，難溶于水。甲苯主要用作有機(jī)溶劑和汽油的添加劑，是一種重要的有機(jī)化工原料。二甲苯，分子式：C8H10，沸點(diǎn)：137 ℃～140 ℃，分子量：106.17。其外觀為無色透明液體。二甲苯作為溶劑，廣泛應(yīng)用于涂料、樹脂、農(nóng)藥、醫(yī)藥等行業(yè)中[4]。與二甲苯相比，甲苯的產(chǎn)能相對(duì)過剩，相當(dāng)數(shù)量的甲苯被用于歧化制二甲苯[5]。

本文以甲苯歧化制二甲苯反應(yīng)完成液為多股進(jìn)料連續(xù)分離工藝的設(shè)計(jì)案例。設(shè)計(jì)年產(chǎn)能為10 萬t 甲苯、二甲苯,年工作時(shí)間取值為7200 h；兩股進(jìn)料中，甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.3 和0.7；流股一為泡點(diǎn)進(jìn)料，進(jìn)料流量為6 萬t/a，流股二為飽和蒸汽進(jìn)料，進(jìn)料流量為4 萬t/a；要求塔頂出料中甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)不小于0.999，塔底出料中二甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)不小于0.999。

表1 為常壓下不同溫度的甲苯和二甲苯氣液平衡數(shù)據(jù)[6]。

表1 不同溫度(常壓)的甲苯與二甲苯氣液平衡數(shù)據(jù)

根據(jù)道爾頓分壓定律：

得出相對(duì)揮發(fā)度α 的計(jì)算公式：

根據(jù)公式（2），計(jì)算出在常壓下不同溫度的甲苯-二甲苯的相對(duì)揮發(fā)度α 值分別為：2.16（120.01 ℃）、2.11（126.85 ℃）、2.12（134.82 ℃）、1.98（136.18 ℃），從而得出在常壓、120.01 ℃～136.18 ℃下，甲苯-二甲苯的平均相對(duì)揮發(fā)度α 值為2.09。

1 設(shè)計(jì)案例

1.1 理論計(jì)算

1.1.1 各進(jìn)料流股信息

原料進(jìn)料的流股共兩股，其中，流股一：甲苯和二甲苯的摩爾比為0.7：0.3，進(jìn)料流量為6 萬t/a；流股二：甲苯和二甲苯的摩爾比為0.3：0.7，進(jìn)料流量為4 萬t/a。根據(jù)各物料的摩爾質(zhì)量，得出流股一中甲苯的摩爾進(jìn)料量為60.54 kmol/h，二甲苯的摩爾進(jìn)料量為25.95 kmol/h；流股二中甲苯的摩爾進(jìn)料量為16.35 kmol/h，二甲苯的摩爾進(jìn)料量為38.14 kmol/h。其中，流股一為泡點(diǎn)進(jìn)料，即q1=1；流股二為飽和蒸汽進(jìn)料，即q2=0。

精餾塔塔頂出料流量（D）和塔底出料流量（W）按式（3）和式（4）計(jì)算：

式（3）和式（4）中：F 為精餾塔進(jìn)料流量，kmol/h；D 為塔頂出料流量，kmol/h；W 為塔底出料流量，kmol/h；xF為進(jìn)料中甲苯的濃度；xD為塔頂出料中甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)，取0.999；xW為塔底出料中甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)，取0.001。

經(jīng)計(jì)算，得出：D=76.98 kmol/h，W=64.00 kmol/h。

1.1.2 回流比的計(jì)算

對(duì)于多股進(jìn)料，計(jì)算最小回流比時(shí)，可依次將每一進(jìn)料作為主進(jìn)料，分別求其相應(yīng)的最小回流比，得到的最小回流比中最大的便是全塔的最小回流比[7]。

對(duì)于第一股進(jìn)料，最小回流比Rm1的計(jì)算公式如下[7]：

根據(jù)公式（5）和（6），計(jì)算出最小回流比Rm1=1。

對(duì)于第二股進(jìn)料，最小回流比Rm2的計(jì)算公式如下[7]：

根據(jù)公式（7）和（8），計(jì)算出最小回流比Rm2。

將θ2=1.46，代入公式（8）中，得：

因此，最小回流比Rmin取Rm2，即最小回流比Rmin為1.70。回流比R 取1.4 Rmin，即回流比R 為2.38。

1.1.3 各塔板物料組成計(jì)算

根據(jù)理論板的定義，假定離開每層板的氣、液相組成達(dá)到了相平衡，塔內(nèi)符合恒摩爾流的簡(jiǎn)化假定。在塔頂為全凝器的情況下，y1=xD，多組分進(jìn)料精餾塔，將整個(gè)精餾塔分為精餾段、中間段和提餾段[7]。

精餾段：

可求出精餾段的操作線方程為：

中間段：

可求出中間段的操作線方程為：

提餾段：

可求出提餾段的操作線方程為：

根據(jù)操作線方程和相平衡方程xn=yn/(α-(α-1)yn)，可以計(jì)算出精餾塔各塊塔板的氣、液相組成，計(jì)算過程如下：

精餾段各塊塔板的氣、液相組成計(jì)算:

依次得出精餾段各塊塔板的氣、液相組成，詳見表2。

表2 精餾段各塊塔板的氣、液相組成

從表2 可以看出，x16＜0.7，故精餾段的塔板數(shù)為15 塊。

中間段各塊塔板的氣、液相組成計(jì)算:

依次得出中間段各塊塔板的氣、液相組成，詳見表3。

表3 中間段各塊塔板的氣、液相組成

從表3 可以看出，x21＜0.3，故精餾段的塔板數(shù)為5 塊。

提餾段各塊塔板的氣、液相組成計(jì)算:

依次得出提餾段各塊塔板的氣、液相組成，詳見表4。

表4 提餾段各塊塔板的氣、液相組成

表4 中x34＜0.001，故精餾段的塔板數(shù)為14 塊。

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果得出，甲苯-二甲苯多股進(jìn)料連續(xù)分離工藝中，流股一的進(jìn)料位置為第15塊塔板，流股二的進(jìn)料位置為第20 塊塔板，精餾塔的塔板數(shù)為34 塊。

1.2 Aspen 模擬計(jì)算

以理論計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，進(jìn)行Aspen 模擬，模擬結(jié)果見圖1。流股一(S1)為泡點(diǎn)進(jìn)料，進(jìn)料位置為第15 塊塔板；流股二(S2)為飽和蒸汽進(jìn)料，進(jìn)料位置為第20 塊塔板。精餾塔T101 塔板數(shù)為34塊；精餾塔T101 的回流比為2.39。通過Aspen 模擬，得出精餾塔T101 塔頂出料(S3)中，甲苯的氣相摩爾分?jǐn)?shù)為0.999；塔底出料(S4)中，甲苯的氣相摩爾分?jǐn)?shù)為0.001。因此，Aspen 模擬精餾塔T101 出料中，甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)與理論計(jì)算結(jié)果一致。

圖1 Aspen 模擬甲苯-二甲苯多股進(jìn)料連續(xù)分離

通過Aspen 模擬，得出精餾塔T101 各塊塔板的氣、液相組成，見圖2。從圖2 可以看出，甲苯-二甲苯多股進(jìn)料連續(xù)分離工藝，經(jīng)Aspen 模擬和理論計(jì)算的各塊塔板上甲苯、二甲苯的氣、液相組成相近。

圖2 Aspen 模擬和理論計(jì)算各塔板液相(a)、氣相(b)組成對(duì)比表

2 結(jié)論

本文以甲苯、二甲苯多股進(jìn)料連續(xù)分離工藝為案例，對(duì)多股進(jìn)料的二元連續(xù)精餾進(jìn)行理論計(jì)算及Aspen 模擬設(shè)計(jì)。以理論計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，進(jìn)行Aspen 模擬。通過Aspen 模擬得出，Aspen 模擬結(jié)果和理論計(jì)算的多股進(jìn)料精餾塔各塊塔板上甲苯、二甲苯的氣、液相組成相一致。