鄰/對(duì)氰基甲苯的精餾工藝研究

雷潔瓊，雷浩馳，杜蕾(.西安道特石化工程有限公司，陜西 西安 70077；.中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 79000；.西安航天源動(dòng)力工程有限公司，陜西 西安 7000)

0 引言

近年來(lái)，鄰(對(duì))氰基甲苯在國(guó)內(nèi)的需求逐年遞增，它廣泛應(yīng)用于藥物、染料等生產(chǎn)中，是一種良好的中間體，但對(duì)其反應(yīng)產(chǎn)物的分離工藝研究較少。本文的研究對(duì)象是采用工業(yè)下腳料合成的鄰(對(duì))氰基甲苯，目的是獲得純度為99%的鄰氰基甲苯和對(duì)氰基甲苯。

1 鄰/對(duì)氰基甲苯的精餾工藝原料及產(chǎn)品

由于合成鄰氰基甲苯和對(duì)氰基甲苯的原料為工業(yè)下腳料，其產(chǎn)物組分繁雜，且不確定性頗大，由此導(dǎo)致精餾設(shè)計(jì)的難度較大[1]。本文對(duì)業(yè)主所提供的鄰/對(duì)氰基甲苯原料，采用氣質(zhì)聯(lián)用進(jìn)行定性、定量分析，獲得比較準(zhǔn)確的原料組成[2]。鄰氰基甲苯模擬的原料組分為：輕組分0.12%，溶劑63.89%，中間雜質(zhì)0.01%，鄰氰基甲苯23.65%，間氰基甲苯0.79%，重組分雜質(zhì)9.5%；對(duì)氰基甲苯模擬的原料組分為：輕組分0.24%，溶劑66.07%，中間雜質(zhì)1.062%，間氰基甲苯1.28%，對(duì)氰基甲苯25.13%，重組分雜質(zhì)5.07%。原料中鄰氰基甲苯與間氰基甲苯為同分異構(gòu)體，物理化學(xué)性質(zhì)相似，沸點(diǎn)相近，是原料中難以分離的組分[3]。

2 鄰/對(duì)氰基甲苯的精餾工藝流程模擬

2.1 化合物選擇

根據(jù)檢測(cè)分析結(jié)果，結(jié)合PRO Ⅱ的數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)現(xiàn)部分組分不在PRO Ⅱ的數(shù)據(jù)庫(kù)中，由此造成工藝模擬計(jì)算的復(fù)雜性及不確定性。本次工藝模擬時(shí)對(duì)部分組分結(jié)合小試實(shí)驗(yàn)結(jié)果及文獻(xiàn)資料查閱采用PRO/Ⅱ內(nèi)置的TDM 程序?qū)ζ浣⒔M份庫(kù)，對(duì)其各組分未知的物性采用UNIFAC 方法進(jìn)行預(yù)測(cè)[4]。

2.2 熱力學(xué)方法的選擇及確立流程

根據(jù)工藝原料組分和產(chǎn)品的物性及以上因素的考慮，選擇SRKM 和NRTL 方法為模擬熱力學(xué)方法。SRKM 方程對(duì)烴/醇等極性/非極性物系的計(jì)算都優(yōu)于PR 立方型狀態(tài)方程和SRK立方型狀態(tài)方程。NRTL 采用局部組成概念，能成功預(yù)計(jì)多種極性體系的相平衡[3]。

2.3 物系傳遞性質(zhì)

由于Pro/II 軟件模擬計(jì)算過(guò)程中，不同傳遞性質(zhì)計(jì)算方法對(duì)平衡計(jì)算的影響不大，故一般用Pro/II 軟件內(nèi)默認(rèn)的計(jì)算方法[4]。傳遞性質(zhì)遵循如下原則：(1)混合物性則采用混合規(guī)則來(lái)進(jìn)行計(jì)算；(2)純組分性質(zhì)一般由半經(jīng)驗(yàn)方程或經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算[5]。

2.4 模擬流程的建立

在選擇好熱力學(xué)方程后，根據(jù)對(duì)原料組分物性的了解所設(shè)計(jì)的鄰/對(duì)氰基甲苯精餾工藝流程，在PRO/Ⅱ流程模擬軟件界面建立相應(yīng)的工藝模擬流程。其建立的模擬工藝流程如圖1 所示，其后輸入相應(yīng)的操作參數(shù)，對(duì)其工藝進(jìn)行模擬優(yōu)化研究[6]。

圖1 工藝模擬流程

3 鄰/對(duì)氰基甲苯的精餾工藝流程模擬計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 操作壓力的確定

(1)脫輕塔的壓力的確定。在常壓下，鄰氰基甲苯的沸點(diǎn)是205 ℃、對(duì)氰基甲苯的沸點(diǎn)是217.59 ℃；且當(dāng)操作溫度達(dá)到160 ℃以上時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象，故需控制其精餾溫度低于160 ℃。不同塔頂壓力下塔釜溫度的變化關(guān)系圖如圖2 所示[7]。

圖2 脫輕塔塔頂壓力與塔釜溫度關(guān)系圖

由圖2 可看出當(dāng)塔頂壓力降低到10 kPa 時(shí)，塔釜溫度處于157.8 ℃。當(dāng)壓力在繼續(xù)降低，對(duì)精餾操作不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，反而加大了真空的設(shè)備條件與操作難度，最終確定脫輕塔塔頂壓力為10 kPa[8]。

(2)產(chǎn)品塔的壓力確定。產(chǎn)品塔的壓力確定同脫輕塔，產(chǎn)品塔的塔頂為目標(biāo)產(chǎn)品，其純度為99%以上，塔釜為高沸物雜質(zhì)。因塔釜高沸物的存在，在精餾過(guò)程中要達(dá)到平衡狀態(tài)，塔釜為泡點(diǎn)操作，必然導(dǎo)致全塔溫度升高。由于原料所含組分中重組分在高溫下易發(fā)生結(jié)焦、聚合，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)還導(dǎo)致塔內(nèi)堵塞，氣液無(wú)法進(jìn)行傳質(zhì)，真空度更低。最終經(jīng)過(guò)綜合模擬分析，產(chǎn)品塔塔頂壓力控制5 kPa。

3.2 理論級(jí)及回流比的確定

本文通過(guò)鄰/對(duì)氰基甲苯原料的工藝模擬計(jì)算確定了兩臺(tái)塔的最佳理論級(jí)及回流比[9]。

當(dāng)脫輕塔的理論板數(shù)減少至25 塊時(shí)，脫輕塔無(wú)法收斂，對(duì)應(yīng)的回流比為3。結(jié)合原料組分的物性特點(diǎn)，因其中間雜質(zhì)含量波動(dòng)大，但沸點(diǎn)差特別小，容易夾帶在產(chǎn)品中，對(duì)產(chǎn)品純度造成影響，故在脫輕塔中必須要將其除去。脫輕塔須留有足夠余量，以應(yīng)對(duì)原料中中間雜質(zhì)的浮動(dòng)，為了保證分離要求，選R=4.9，理論板數(shù)約為45 塊。

當(dāng)產(chǎn)品塔理論板數(shù)減少至20 塊時(shí)，產(chǎn)品塔無(wú)法收斂，對(duì)應(yīng)回流比為5.9。根據(jù)原料中高沸點(diǎn)雜質(zhì)的物性，其中含有微量雜質(zhì)的沸點(diǎn)與產(chǎn)品沸點(diǎn)非常接近，為避免因上游原料組分的波動(dòng)影響產(chǎn)品純度。最終確定產(chǎn)品塔R=10，理論板數(shù)為45塊[10]。

3.3 進(jìn)料位置的確定

采用PRO/Ⅱ內(nèi)置的優(yōu)化器對(duì)脫輕塔的進(jìn)料位置進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)料位置為變量，再沸器負(fù)荷作為目標(biāo)函數(shù)。當(dāng)最佳進(jìn)料位置時(shí)，其再沸器負(fù)荷最小，耗能最低；若進(jìn)料位置不佳，可能導(dǎo)致逆向蒸餾，耗費(fèi)更多能量。最終確定脫輕塔和產(chǎn)品塔的最佳進(jìn)料板分別是第15 塊板和第31 塊板[11]。

3.4 最佳工況參數(shù)的確定

通過(guò)以上對(duì)兩塔操作條件的模擬分析，確定操作條件后對(duì)其整體模擬，給出脫輕塔和產(chǎn)品塔的最佳工況下的工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 最佳工況下工藝參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)鄰/對(duì)氰基甲苯混合物系的組成分析、分離工況研究及工藝模擬計(jì)算，確定對(duì)鄰/對(duì)氰基甲苯的提純采用雙塔減壓精餾工藝，成功的從混合物料中分離出純度為99%的鄰/對(duì)氰基甲苯產(chǎn)品，不但對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模生產(chǎn)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，而且其工藝模擬計(jì)算方法對(duì)其他同類(lèi)物系的分離提純也具有一定的參考意義。脫輕塔和產(chǎn)品塔的操作條件如下：

(1)脫輕塔和產(chǎn)品塔操作壓力分別為10 kPa 和5 kPa；

(2)脫輕塔和產(chǎn)品塔最小理論級(jí)分別為25 和20；

(3)脫輕塔和產(chǎn)品塔最小回流比分別為3 和5.9。