Aspen Plus模擬乙炔氣在1,4-丁炔二醇中溶解度的研究

劉紹波， 郭文倩

(1.新疆國泰新華化工有限責任公司，新疆 昌吉 831700；2.山西陽煤化工工程有限公司，山西 太原 030021)

1,4-丁炔二醇，化學式為C4H6O2，外形為白色斜方結晶[1]，可溶于水、酸、乙醇和丙酮，不溶于苯、乙醚。對眼部黏膜、皮膚和上呼吸道有刺激作用[2]。

1,4-丁炔二醇在工業上主要以丁炔銅或銅鉍催化劑催化[3]，由乙炔與甲醛在加壓、加熱條件下反應制備。反應得到1，4-丁炔二醇粗產品，然后經過濃縮和精餾精制，最終得到1，4-丁炔二醇產品。

本文利用Aspen Plus軟件，對乙炔氣在1,4-丁炔二醇中的溶解過程，通過建立模型對溶解度進行了模擬計算，在進行模擬過程中，選用了PENG-POB、NRTL、PSRK、UNQUAC等9種物性方程對乙炔氣在1，4-丁炔二醇中的溶解度進行了計算，然后通過將模擬值與測量值進行比較，最終得到比較適合的Aspen Plus計算物性方法，并分析乙炔氣在1,4-丁炔二醇中的溶解度隨溫度、壓變化規律，同時選取不同溫度壓力下適用的模擬計算方法，為1,4-丁炔二醇精制工藝分析及裝置設計提供指導。

1 模擬流程的建立

在Aspen Plus軟件中首先建立模擬流程，模擬閃蒸單元操作，來進行溶解度的計算。具體如下：

1) 啟動程序。

2) 進入組分定義選項中，輸入組分為乙炔氣和1，4-丁炔二醇。

3) 在模塊定義中，選擇不同的物性方程。

4) 在模擬模塊內，建立閃蒸操作流程，輸入物料進料參數。

5) 輸入模塊參數，運行模擬流程。

6) 在模擬結果中，可以得到乙炔氣在1,4-丁二醇中的溶解摩爾分率。

2 模擬結果對比

2.1 不同模型之間的對比

在運用Aspen Plus進行工藝模擬中，物性方法的選擇對模擬結果的影響很大，PR-BM、SRK及PSRK物性方法是石油化工工業推薦使用的方法。PENG-ROB，GRAYSON及RK-SOAVE物性方法是煉油工業中推薦的方法，然而煉油工業內加氫工藝多針對烴類物質[4]，而對于醇類而言，Aspen軟件推薦采用WILSON、NRTL和UNIQUAC等方法進行計算，由此可知，對于乙炔在1,4-丁炔二醇中的溶解度選用哪種物性方法并沒有詳細的推薦方法。鑒于以上原因，本文采用不同的物性方法，分別對乙炔氣在1,4-丁炔二醇中的溶解度進行計算。

在模擬中設置操作條件詳見以下：以乙炔氣在1,4-丁炔二醇為主要組分，進料溫度為25 ℃～75 ℃，壓力為0.1 MPa～0.4 MPa(G)，乙炔氣進料量為1 kmol/h，1,4-丁炔二醇進料量為1 kmol/h。設置閃蒸罐內的操作條件與物料溫度、壓力一致，然后進行模擬計算，將不同物性方法的模擬結果與實驗室測量值進行比較，詳見圖1～圖3。

圖1 在25 ℃、不同模塊下乙炔氣在1,4-丁炔二醇內溶解度圖

圖2 在50 ℃、不同模塊下乙炔氣在1,4-丁炔二醇內溶解度圖

圖3 在75 ℃、不同模塊下乙炔氣在1,4-丁炔二醇內溶解度圖

從圖2～圖4可以看出，選用不同的物性方法進行模擬，對乙炔氣在1,4-丁炔二醇內溶解的影響很大，從圖1可以看出，在25 ℃時，利用WILSON和NRTL物性方法模擬結果與實驗測量值偏差最小。從圖2中看出，當溫度從25 ℃增加到50 ℃時，WILSON和NRTL物性方法模擬結果與實驗測量值偏差增大，而PSRK物性方法模擬結果與實驗室測量值偏差最小。當溫度升到75 ℃時，PSRK物性方法模擬結果與實驗測定值偏差最小。

由此可知，WILSON、NRTL、PSRK三種物性方法適合于乙炔氣在1,4-丁炔二醇中溶解度的模擬，其中，在溫度為25 ℃時，適合選用WILSON、NRTL兩種物性方法，在溫度為50 ℃～75 ℃時，適合選用PSRK物性方法。

2.2 流速比例對模擬結果的影響

在之前學者研究中[5]，當乙炔氣和1,4-丁炔二醇進料比例差距太大時，Aspen Plus軟件模擬結果偏差會增大，因此在以上選擇了模擬物性方法的基礎上，對進料比例也應該進行分析研究。

在以上建立的閃蒸流程中，乙炔氣與1,4-丁炔二醇為閃蒸罐的進料組分，分別設定進料溫度為50 ℃、壓力為0.3 MPa(G)，閃蒸罐的操作條件與進料相同。根據2.1中的結果，物性方法為PSRK，在乙炔氣與1,4-丁炔二醇進料摩爾比3 000∶1至1∶200條件下，模擬乙炔氣與1,4-丁二醇中的溶解度，當乙炔氣與1,4-丁炔二醇進料摩爾比為3 000∶1到1∶30區間時，液相產品中C2H2摩爾分率(×103，下同)為31.81，當其比為1：31時，液相產品中C2H2摩爾分率開始降低，變為31.54，當其比例繼續減小時，液相產品中C2H2摩爾分率隨之減小，當其比減小到1∶200時，液相產品中C2H2摩爾分率減小到4.5。

由以上可知，液相物料內的計算結果并沒有發生明顯變化，其中當乙炔氣與1,4-丁炔二醇摩爾比大于1∶30時，乙炔氣完全溶解在1,4-丁炔二醇物料中。進料組分比例過大沒有造成Aspen軟件在模擬計算中的計算誤差，表明其模擬結果有比較好的穩定性。

2.3 乙炔氣在1,4-丁炔二醇中溶解度變化

結合實際生產情況，在溫度為25 ℃、壓力0.1 MPa～0.9 MPa范圍內，運用WILSON物性方法模擬乙炔氣在1,4-丁炔二醇中的溶解度。乙炔氣進料量與1,4-丁炔二醇進料量摩爾比值為3∶7，設定閃蒸罐操作與進料條件相同，然后進行閃蒸罐的模擬計算。當壓力為0.1 MPa(G)時，C2H2摩爾分率為41.33，當壓力為0.2 MPa(G)時，C2H2摩爾分率為61.87，當壓力為0.3 MPa(G)時，C2H2摩爾分率為82.40，當壓力為0.4 MPa(G)時，C2H2摩爾分率為102.94，當壓力為0.5 MPa(G)時，C2H2摩爾分率為123.47，當壓力為0.6 MPa(G)時，C2H2摩爾分率為144。

在50 ℃～75 ℃條件下，利用PSRK方法計算壓力范圍0.3 MPa下乙炔氣在1,4-丁炔二醇內的溶解度。乙炔氣進料量與1,4-丁炔二醇進料量摩爾比值為3∶7，設定閃蒸罐的溫度和壓力與進料物料的溫度和壓力相同，然后進行閃蒸罐的分離模擬計算。當溫度為50 ℃時，C2H2摩爾分率為65.94，當溫度為55 ℃時，C2H2摩爾分率為53.36，當溫度為60 ℃時，C2H2摩爾分為43.74，當溫度為65 ℃時，C2H2摩爾分率為36.28，當溫度為70 ℃時，C2H2摩爾分率為30.42，當溫度為75 ℃時，C2H2摩爾分率為25.98。

通過以上可知，在溫度不變的條件下，當壓力增加時，乙炔氣在1,4-丁炔二醇中的溶解度隨著壓力的增加而增加。在壓力不變的條件下，當溫度增加時，乙炔氣在1,4-丁炔二醇中的溶解度隨著溫度的增加而減小。

3 結論

1) 利用Aspen軟件建立閃蒸模擬流程，分別用9種不同的物性方法模擬乙炔氣在1,4-丁炔二醇中的溶解度，并將模擬結果與測定值進行比較。發現在25 ℃時，采用WILSON和NRTL物性方法模擬結果與實驗室測量值偏差最小。而在50 ℃～75 ℃時，PSRK物性方法模擬結果與測量值偏差最小。

2) 通過改變進料組分中兩種組分的比率，發現其對模擬結果影響很小，因此，表明Aspen軟件在進料比率變化較大的情況下，仍保持著模擬結果的穩定性。

3) 采用最適合的物性方法模擬，進行各種溫度和壓力下乙炔氣在1,4-丁炔二醇中的溶解度，得到當溫度不變，壓力增加時，乙炔氣在1,4-丁炔二醇內溶解度也增加，當壓力不變，溫度增加時，乙炔氣在1,4-丁炔二醇內溶解度減少。