哌嗪精餾塔的模擬計算

王昱官

（銀川能源學院，寧夏銀川 750100）

哌嗪是一種重要的有機化工中間體及精細化工原料，在醫藥上主要用于合成驅蟲、抗結核以及抗菌類藥物。此外，還可以用來合成紡織染整助劑、橡膠硫化促進劑防腐劑、抗氧劑、穩定劑、表面活性劑等，隨著應用范圍的日益廣泛，其需求量大幅度增加[1]。本文運用ChemCAD軟件對哌嗪精餾塔進行模擬計算，以確定該精餾塔的理論板數、進料位置、各塔板的溫度、壓力及流率分布。模擬計算結果為哌嗪分離過程的工業化實驗裝置提供了依據[2]。

1 模擬條件

模擬計算采用 哌嗪—三乙烯二胺—氨基乙基哌嗪三組分分離液。塔的平均操作壓力為真空下0.03MPa，進料量為1.0kmol/h，進料溫度為154℃，組成為哌嗪0.697，三乙烯二胺0.216，氨基乙基哌嗪0.087，塔頂為全冷器，要求塔頂哌嗪的純度達到99.3%（w）。熱力學方程選用Van laar模型方程。應用ChemCAD對該分離過程進行模擬，以確定該精餾塔的理論板數、進料位置，以及各塔板的溫度、壓力及流率分布。

2 模擬過程[3]

2.1 利用簡捷塔初步確定理論板數

（1）建立流程模擬圖。選擇圖板上的shortcut圖 標，建立流程圖，如圖1。

圖1 模擬流程示意圖

（2）選擇工程單位。打開菜單選項Formate—Engineering units，按照規定的已知條件，選擇SI國際單位制，壓力選擇MPa，溫度選擇℃，點擊OK保存。

（3）添加組分。打開菜單選項Thermophysical—Component list，選擇組分添加至組分列表，如圖2 所示。

圖2 添加組分

（4）選 擇 熱 力 學 模 型。打 開 菜 單 選 項Thermophysical—K-values，按照題目要求選擇Van laar模型方程。相應地，焓值選擇Latent Heat模型。

（5）規定進料流股。通過Specifications—Feed streams菜單選項，或者點擊工具欄中的按鈕，打開進料流股對話框，定義進料流股，如圖3所示。

圖3 定義進料流股

（6）規定單元設備。雙擊流程圖中的shortcut，或是打開Specifications—Select Unitops選項，打開shortcut精餾塔的規定框，如圖4所示，逐一填入所需數據。

圖4 簡捷塔設計規定屏

依據設計要求，輕重關鍵組分分別為哌嗪和三乙烯二胺，塔頂產品中輕重關鍵組分的分離效率分別為0.993和0.007，規定回流比與最小回流比的比值為1.5。

（7）運行模擬。打開菜單條上的Run菜單，選擇Run all選項，或是點擊工具欄中的按鈕，開始運行模擬。

2.2 利用精確精餾塔進行模擬

（2）按照以上述步驟，依次進行工程單位的選取、組分的添加、熱力學模型和焓值模型的選擇、進料流股的規定。

（3）規定單元設備。雙擊流程圖中的SCDS，或是 打 開Specifications—Select Unitops選 項，打 開SCDS精餾塔的規定框，有五個規定頁面，以下分別介紹。

①General規定頁面，規定冷凝器及塔的理論 級數。

②Specifications規定頁面，規定精餾塔的熱量平衡和質量平衡。

③Convergence規定頁面，規定與收斂相關的參數及一些估計值。

④Cost estimations1規定頁面，在做設計型計算時規定塔內件。

⑤Cost estimations2規定頁面，規定冷凝器和再沸器關于費用的參數，并在計算完成時顯示計算結果。

（4）運行模擬。打開菜單條上的Run菜單，選擇Run all選項，或是點擊工具欄中的按鈕，開始運行模擬。

（5）查看結果。打開菜單選項Results—Stream Compositions—Product Streams，查看產品流股的組成如表1所示。

表1 產品流股的組成

可以看到塔頂哌嗪的質量分數為0.99380362。

通過Results—Tower Profiles，或者在流程圖上單擊Tower的圖標，點擊右鍵選擇View Tower Profiles，可以查看精餾塔的一些參數，如各塔板的溫度、壓力、氣液相流率，各流股的流率，冷凝器和再沸器的熱負荷以及操作回流比。查看結果如表2所示。

表2 冷凝器和再沸器的熱負荷以及操作回流比結果

3 結語

在間歇精餾實驗裝置條件下，利用化工軟件ChemCAD對乙二胺直接環化法合成的哌嗪及三乙烯二胺產物哌嗪精餾塔進行模擬及優化，模擬計算結果精餾塔的理論板數為22塊，塔頂溫度為109.5℃，塔釜溫度為146.7℃，最終得到純度為99.38%的哌嗪產品。間歇精餾實驗表明，實驗值與模擬值基本吻合。