乙腈-水共沸物的變壓精餾模擬與優化

徐東芳，楊陽陽

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266100)

乙腈是典型的腈類反應原料和優良的溶劑，在化工和醫藥等領域經常被用于含氮化合物的制備。然而，在溶劑回收過程中會形成乙腈和水的有機廢液，由于乙腈和水會形成二元最低共沸物，給乙腈的高純度回收工作增加了困難。近年來，乙腈-水共沸物的分離得到廣泛研究。侯濤等[1]選用UNIQUAC物性計算模型研究了乙腈-水共沸物分離的變壓精餾穩態過程，運用靈敏度分析模塊研究了進料位置和回流比對乙腈提純濃度的影響。崔現寶等[2]研究了乙腈-水體系的加鹽萃取過程，選用氯化鈣乙二醇溶液作為萃取劑，乙腈提純濃度達99%(摩爾分數)。基于均勻設計方法，黃前程和朱志亮[3]研究了乙腈-水體系的變壓精餾過程，并利用遺傳算法得到了最優回流比。周金波等[4]考察了乙二醇作萃取劑的間歇萃取精餾過程，通過實驗證明了乙二醇能消除乙腈-水的共沸點。與萃取精餾和共沸精餾相比，變壓精餾因工藝簡單，不加入第三種組分，避免了產品中夾帶其他雜質，應用更加廣泛。隨著變壓精餾[5]工藝的成熟性，變壓精餾工藝研究得到了廣泛關注。針對乙醇-氯仿共沸體系，徐東芳等人[6]利用Aspen Plus研究了其穩態變壓精餾過程，并利用Aspen Dynamics動態模擬軟件考察了變壓精餾的動態控制。Zhu等人[7]研究了乙腈-甲醇-苯三元共沸體系不同熱集成穩態工藝，包括無熱集成、部分熱集成和完全熱集成變壓精餾。

針對乙腈-水二元共沸物系，本文研究了乙腈-水共沸物的壓力敏感特性，運用Aspen Plus穩態模擬軟件模擬了變壓精餾的穩態過程，并采用序貫迭代優化方法確定了最佳工藝操作參數。

1 變壓精餾工藝可行性

擬分離的物系一般性質如下：進料組成為乙腈(x1)85 %和水(x2)15 %(質量分數，下同)，進料量為2500 kg/h，進料溫度為25℃，設計規定要求乙腈和水產品純度不低于99.9%。

物性方法對分離物系的汽液平衡參數影響較大，侯濤等[1]研究了乙腈-水體系的物性方法選取原則，選用UNIQUAC物性方法作為模擬計算模型。

圖1 不同壓力下乙腈-水的xy相圖

基于Aspen Plus，研究不同壓力下乙腈-水體系的x-y相圖，如圖1所示。從圖中可以看出，隨著壓力的改變，共沸組成中乙腈含量發生了明顯的偏移，這表明了變壓精餾分離乙腈-水共沸體系是可行的。分別取常壓和350 kPa為設計壓力，繪制T-xy圖(見圖2)。從圖2可以看出，乙腈和水二元體系出現了最低溫度點，形成最低共沸物，乙腈含量由常壓下的83.99%減少為350 kPa下的77.39%。若采用先高壓后常壓的精餾序列，進料物流進入高壓塔，塔底得到乙腈產品，最低共沸物自塔頂輸送至常壓塔，常壓塔塔底得到純度達標的水，塔頂得到常壓下共沸物循環輸送至高壓塔。若采用先常壓后高壓的精餾序列，進料物流先進入常壓塔，塔底得到純度較高的乙腈，常壓共沸物輸送至高壓塔，塔底無法得到純度較高的水。綜上所述，采用先高壓后常壓的精餾序列可行。

圖2 乙腈-水共沸體系的T-xy圖

2 工藝模擬及優化

利用Aspen Plus軟件，初步給定精餾塔塔板數為50塊板，回流比設為2.0，采用全凝器及釜式再沸器，借助“design specs”及“vary”功能完成變壓精餾流程模擬的初步收斂，乙腈-水體系的變壓精餾工藝流程圖如圖3所示。

圖3 乙腈-水體系的變壓精餾工藝流程圖

圖4 進料位置與TAC的關系

圖5 回流比與TAC的關系

圖6 塔板數與TAC的關系

年操作時間設為8000 h，設備折舊期設為5年，冷凝器和再沸器的傳熱系數分別按照0.852 kW/(K·m2)和0.568 kW/(K·m2)[8]計算。根據序貫迭代法，以最小年度總費用(Total Annual Cost，簡稱TAC)為目標，對流程進行全局優化。進料位置(NF1、NR、NF2)為序貫迭代法的最內層迭代變量，進料位置與TAC的關系圖見圖4。從圖中可以看出，TAC隨著進料位置的增加先減小至一定的最小值，后隨著進料位置的增加呈現增加的趨勢。取TAC最小值點為最佳進料位置點，即高壓塔的進料位置NF1為19塊板，循環物流進料位置NR為17塊板，常壓塔進料位置為24塊板?；亓鞅?RR1、RR2)為序貫迭代法的次內層迭代變量，根據TAC隨回流比的增加先減少后增加的趨勢圖(見圖5)可以看出，TAC最小值點高壓塔回流比RR1為1.93和常壓塔回流比RR2為0.5。理論板數的變化主要影響關鍵設備的投資費用，理論板數(N1、N2)作為序貫迭代法的最外層迭代循環變量。從圖6可以看出，理論板數的改變TAC變化較大，以圖中最低點為最佳理論板數操作點，即高壓塔理論板數為38塊板，常壓塔理論板數為30塊板。

表1 最佳操作參數模擬結果

綜上所述，乙腈-水體系的變壓精餾最佳工藝參數見表1。高壓塔和常壓塔的回流罐溫度分別為117.1 ℃和76.4 ℃，冷卻介質采用循環水。高壓塔和常壓塔的再沸器溫度分別為129.3 ℃和104.9 ℃，熱源介質采用160 ℃的低壓蒸汽。

3 結論

本文通過研究不同壓力下乙腈-水的共沸組成變化，驗證了乙腈-水體系的壓力敏感性，并探究了乙腈-水二元共沸體系的變壓精餾工藝，通過序貫迭代優化算法確定了變壓精餾工藝的最佳操作參數。本文提供了乙腈-水的變壓精餾工藝模擬及優化結果， 對含腈類共沸體系的分離具有一定的參考指導意義。