二硫化碳-四氯化碳物系的物性方法篩選與過程模擬

李大孟，方 清，劉朝義，李 靜，連明磊，葉 昆

(1.六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004； 2.中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北 任丘 062552)

1 引言

二硫化碳是重要的化工原料，其沸點為46.5℃，是用于制造黏膠纖維、玻璃、人造絲等的原料[1-5]。四氯化碳的沸點為76.8℃[6]，是用于生產(chǎn)氟里昂和織物干洗劑的化工原料，還能用作于溶劑、滅火劑、有機物氯化劑、香料浸出劑、纖維脫脂劑、藥物萃取劑等[7-9]。二者在很多工藝中均會混合，若不將其分離回收則會造成浪費和污染環(huán)境，這在化工生產(chǎn)中是不經(jīng)濟和不可取的。因此要求這兩者完全脫除并且達到回收再利用。

本文以二硫化碳-四氯化碳混合物物系為研究對象，通過Aspen Plus軟件對該體系的氣液相平衡數(shù)據(jù)分別進行WILSON、NRTL及UNIQUAC熱力學模型的計算，選出最優(yōu)的物性方法，同時運用化工模擬軟件Aspen Plus中的Sensitivity功能，考察全塔理論板數(shù)、回流比、原料進料位置對二硫化碳質(zhì)量純度的影響。

2 物性方法比選

本文分別使用WILSON、NRTL及UNIQUAC三種熱力學模型擬合二硫化碳-四氯化碳物系氣液相平衡數(shù)據(jù)，以Hlavaty,K等人[10]所報道的實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，對二硫化碳-四氯化碳體系的壓力和平衡氣相組成進行計算，并將其與實驗數(shù)據(jù)進行對比，篩選出最佳的物性方法。

2.1 WILSON模型

經(jīng)WILSON熱力學模型計算得出二硫化碳-四氯化碳的壓力與平衡氣相組成詳見表1、表2。

表1 二硫化碳-四氯化碳體系壓力的計算值與實驗值的對比表(WILSON方程)

由表1得二硫化碳-四氯化碳體系壓力的計算值與實驗值的最大絕對偏差和平均絕對偏差分別為0.0002， 0.00009；最大相對偏差和平均相對偏差分別為0.04249%， 0.0161%。

表2 二硫化碳-四氯化碳體系平衡氣相組成的計算值與實驗值的對比表(WILSON方程)

由表2得二硫化碳-四氯化碳體系平衡氣相組成的計算值與實驗值的最大絕對偏差和平均絕對偏差分別為0.0083， 0.0050；最大相對偏差和平均相對偏差分別為10.1527%， 1.4571%。

2.2 NRTL熱力學模型

經(jīng)NRTL熱力學模型計算得出二硫化碳-四氯化碳的壓力與平衡氣相組成詳見表3、表4。

表3 二硫化碳-四氯化碳體系的壓力計算值與實驗值的對比表(NRTL方程)

由表3得二硫化碳-四氯化碳體系壓力的計算值與實驗值的最大絕對偏差和平均絕對偏差分別為0.0002， 0.0001；最大相對偏差和平均相對偏差分別為0.0389%，0.0141%。

表4 二硫化碳-四氯化碳體系平衡氣相組成的計算值與實驗值的對比表(NRTL方程)

由表4得二硫化碳-四氯化碳體系平衡氣相組成的計算值與實驗值的最大絕對偏差和平均絕對偏差分別為0.0078， 0.0052；最大相對偏差和平均相對偏差分別為9.004%， 1.4011%。

2.3 UNIQUAC熱力學模型

經(jīng)UNIQUAC熱力學模型計算得出二硫化碳-四氯化碳的壓力與平衡時的氣相組成詳見表5、表6。

表5 二硫化碳-四氯化碳的壓力計算值與實驗值的對比表(UNIQUAC方程)

由表5得二硫化碳-四氯化碳體系壓力的計算值與實驗值的最大絕對偏差和平均絕對偏差分別為0.0002， 0.00009；最大相對偏差和平均相對偏差分別為0.0436%，0.016%。

表6 二硫化碳-四氯化碳體系平衡氣相組成的計算值與實驗值的對比表(UNIQUAC方程)

由表6得二硫化碳-四氯化碳體系平衡氣相組成的計算值與實驗值的最大絕對偏差和平均絕對偏差分別為0.0083， 0.0050；最大相對偏差和平均相對偏差分別為10.0938%，1.4547%。

3 熱力學模型比選

二硫化碳-四氯化碳體系的氣液相平衡實驗數(shù)據(jù)經(jīng)三種熱力學模型計算后并進行對比，所得的相應誤差分析見表7，綜合比較得出NRTL模型為最優(yōu)；并將NRTL模型擬合的曲線與實驗數(shù)據(jù)點進行比較，作圖于圖1中。

表7 3種熱力學模型的誤差分析

其中，P-壓力，y-氣相中二硫化碳的摩爾分數(shù)，N-實驗點數(shù)，exp-實驗值，cal-計算值。

圖1 NRTL模型P-xy計算值與實驗值的比較

4 工藝流程優(yōu)化

本文通過運用化工模擬軟件Aspen Plus的Sensitivity功能，考察全塔理論板數(shù)、回流比、原料進料位置對二硫化碳質(zhì)量純度的影響并對塔徑進行計算。進料條件見表8。

表8 進料條件

4.1 全塔理論板數(shù)對二硫化碳的質(zhì)量純度的影響

本文考察了不同全塔理論板數(shù)對二硫化碳質(zhì)量純度的影響，其計算結果見表9。

表9 全塔理論板數(shù)對二硫化碳質(zhì)量純度的影響

由表9可得出：二硫化碳的質(zhì)量純度隨塔板數(shù)的增加而提高，當塔板數(shù)為33時，二硫化碳的質(zhì)量純度增加到99.95%，并且當全塔理論板數(shù)繼續(xù)增加，二硫化碳的質(zhì)量純度維持此值不再改變，因此，全塔理論板數(shù)選33塊較為合理。

4.2 回流比對二硫化碳質(zhì)量純度的影響

本文考察了不同的回流比對二硫化碳質(zhì)量純度的影響，計算結果見表10。

表10 回流比對二硫化碳質(zhì)量純度的影響

從表10中得出：塔頂二硫化碳質(zhì)量分數(shù)隨回流比的增加基本不變的趨勢，可得出當全塔理論板數(shù)達到33時，很小的回流比就可使二硫化碳的質(zhì)量純度達到99.95%。因此，回流比選0.3。

4.3 原料進料位置對二硫化碳的質(zhì)量純度的影響

本文考察了不同原料進料位置對二硫化碳的質(zhì)量純度的影響，計算結果列舉于表11中。

表11 原料進料位置對二硫化碳純度的影響

從表11中得出：原料的進料位置為第24塊塔板時，二硫化碳的質(zhì)量分數(shù)最高，達到99.97%，因此，原料進料位置選第24塊。

4.4 塔徑的計算

本文通過Aspen Plus軟件計算了不同塔板數(shù)上的塔徑，見表12。

表12 塔板數(shù)上的塔徑和塔盤面積

由表12可知，最大的塔徑出現(xiàn)在第30至32塊塔板上，對應的塔盤面積為0.11m2，塔徑計算值為0.37m。

4.5 各塔板的溫度和二硫化碳的氣液質(zhì)量組成分布

本文考察了不同塔板數(shù)上的溫度和二硫化碳的氣液質(zhì)量組成，計算結果見表13。

表13 各塔板的溫度和二硫化碳的氣液質(zhì)量組成

由表13得出，在第1塊塔板上二硫化碳的氣相質(zhì)量組成為99.98%，在第33塊塔板上二硫化碳的液相組成為0.03%，因此，二硫化碳與四氯化碳混合物得到了較好的分離。

5 結論

(1)本文運用化工模擬軟件Aspen Plus中的Data Regression功能，分別采用WILSON、NRTL及UNIQUAC三種熱力學模型進行計算和分析氣液相平衡實驗數(shù)據(jù)，選出NRTL為最佳物性方法。

(2)通過工藝流程優(yōu)化，運用NRTL物性方程對分離二硫化碳-四氯化碳混合物的過程進行模擬，得出當全塔理論板數(shù)為33塊，回流比為0.3，原料進料位置為第24塊時，二硫化碳的質(zhì)量純度達到99.98%，以上結果為二硫化碳-四氯化碳混合物的分離工藝的設計提供了理論與技術參考。