乙腈分离过程模拟研究.doc

乙腈分离过程模拟研究魏奇业（吉林化工学院，吉林 吉林 132022）摘要：本文在对乙腈分离过程物系特点进行分析的基础上，在Aspen Plus中建立了流程的模拟模型，计算结果显示该流程的产品质量及产品收率均能满足要求。文中还分析了循环物流量对产品质量及能耗的影响，确定了在不显著增加能耗情况下保证产品质量最佳的循环物流量。关键词：乙腈；分离；模拟中图分类号：TQ028 文献标识码： ASimulation of Acetonitrile Separation ProcessWei Qiye1 (1. Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, Jilin, China）Abstract: In this paper, simulation model of acetonitrile separation process has been set up in Aspen Plus based on analyzing properties of the acetonitrile mixture. The results meet the requirements on product quality and product yield. The influence of recycle stream load on product quality and energy consumption has been analyzed and recycle stream load that optimizing product quality without increasing energy consumption remarkably has been found.Key words: acetonitrile；separation；simulation1 引言乙腈主要用作医药及石油化工精制的溶剂，也是一些化工产品生产的原料。乙腈主要来源于丙烯氨氧化法生产丙烯腈的副产物，每吨丙烯腈大约可副产30kg乙腈。副产的粗乙腈中含有水、氢氰酸、丙烯腈、噁唑、丙酮、丙腈等杂质，需要经过分离精制后才能使用1,2。某公司拟进行42万吨/年丙烯腈装置扩建，乙腈精制装置第一生产线也要随之扩建。本文旨在对某工程公司提供的工艺流程进行模拟研究，分析循环物流量对产品质量的影响，为装置的整体设计和操作优化提供依据。2 流程简述及模拟2.1 物系特点副产粗乙腈中各组分的沸点见表1，乙腈与水是其中的主要成分，该物系的分离难点在于：一方面乙腈与水是一个完全互溶的二元共沸体系，采用常规精馏方法不能得到合格的乙腈产品；另一方面，丙烯腈与水，丙烯腈、水及噁唑，丙腈与水皆能形成共沸物。这些共沸物的共沸点较接近，与某些组分的沸点也接近，虽然原料中的丙烯腈与氢氰酸可以使用化学处理方法进行脱除，但其它杂质的存在也会导致采用常规方法进行分离时的产品收率低、产品纯度低、杂质含量高，下面提到的流程是经过改进的、目前广泛应用的粗乙腈分离工艺。 作者简介：魏奇业（1964- ），男，博士，教授，研究方向为过程系统工程表1 组分沸点序号组分模拟中各组分代码常压下各组分沸点，1丙烯腈ACRYLN77.622乙腈ACETNL81.483氢氰酸HYDROC25.664水WATER100.025丙腈PROPIN97.666噁唑OXAZOL69.67丙酮ACETON56.142.2流程简述本文的粗乙腈分离工艺流程见图1，装置由脱氢氰酸塔、化学处理单元、干燥塔、成品塔4个部分组成。来自丙烯腈装置的粗乙腈料（乙腈质量分数约为50%）直接送入脱氢氰酸塔，从塔顶蒸出的大部分氢氰酸及其它轻组分杂质送焚烧处理工序。提馏段侧线气相抽出接近乙腈、水共沸组成，含噁唑、丙腈及少量丙烯腈、微量氢氰酸的乙腈料液，送往化学处理单元，含少量乙腈的釜液直接送污水处理工序。侧线气相抽出料在化学处理单元中与一定量的氢氧化钠溶液混合，料液中的丙烯腈和氢氰酸反应，生成稳定的高沸点物质，同时由于在过量氢氧化钠的存在下，剩余的游离氢氰酸以氢氰酸钠的形式存在。化学处理后的乙腈料液分进入干燥塔进行减压共沸蒸馏，塔釜分离出丙腈、部分水及重组分杂质，釜液排至污水处理工序。噁唑随乙腈和水的共沸物从塔顶蒸出，馏出物进入成品塔，在塔中进行加压共沸蒸馏。从提馏段侧线气相抽出脱除水的高纯度成品乙腈，釜液返回干燥塔回收乙腈。塔顶馏分中主要含有乙腈和噁唑，为了回收乙腈，该股物流需要在系统中循环，返回到干燥塔重新进行蒸馏。为了防止噁唑在系统中循环累积，最终影响产品质量，采取将成品塔顶少量物料返回到脱氢氰酸塔的措施，进一步除去杂质。在该流程中，利用减压、加压共沸蒸馏原理，由干燥塔和成品塔共同完成乙腈脱水的任务。在现有的乙腈分离精制流程中，只有脱氢氰酸塔顶部的不凝气体作为轻组分杂质排放。噁唑的沸点较接近于丙烯腈和乙腈的沸点，要把噁唑作为轻组分一次性在脱氢氰酸塔全部随氢氰酸一起脱除，夹带的乙腈量较大，将会严重影响乙腈的收率，同时对分离设备也会提出极其苛刻的要求3，因此需要采取在循环中由脱氢氰酸塔、产品塔共同完成脱除噁唑任务的方式来提高产品质量。图1 乙腈分离工艺流程2.3流程模拟图2是根据图1的工艺流程在Aspen Plus中建立的模拟模型，热力学方法选用液相活度系数法NRTL 方程，流程中的化学处理单元用组分分离模块代替。为了模拟准确，需要选用适宜的二元交互作用参数。图2 乙腈分离工艺的模拟模型模拟中脱氢氰酸塔（T7101）采用常压操作，干燥塔（T7102）的操作压力为22.3KPa，成品塔（T7103）的操作压力为544.3KPa。相应压力下乙腈和水的T-xy曲线分别见图3、图4和图5，乙腈分离工艺就是根据乙腈和水在不同压力下的共沸组成不同而进行脱水操作的。乙腈质量分率温度, 乙腈质量分率温度, 图3 常压下乙腈和水的T-xy曲线 图4 22.3KPa下乙腈和水的T-xy曲线乙腈质量分率温度, 图5 544.3 KPa下乙腈和水的T-xy曲线由于物系的非理想性较强，且模型中循环物流较多，如果不能选择合适的变量和参数，计算将难以进行。这些调节变量的选择及参数的确定可通过热力学分析来进行，如：脱氢氰酸塔内乙腈和水的组成在图3所示共沸点左侧范围内变化，塔釜物流中乙腈含量可以降至很低，但侧线物流中乙腈的含量不可能超过共沸组成下乙腈的含量。干燥塔中乙腈和水的组成在图4所示共沸点左侧范围内变化，在该塔的操作压力下，乙腈和水的共沸温度是37左右，小于丙腈及水在该压力下的沸点，因此塔顶脱除的是乙腈和水的共沸物，组成为共沸组成，其中水的质量分率为10%左右。成品塔中乙腈和水的组成在图5所示共沸点右侧范围内变化，从图中可以看出乙腈和水的共沸温度小于乙腈的沸点，因此塔顶脱除的也是乙腈和水的共沸物，组成为该操作压力下的共沸组成，而提馏段可采集到高纯度乙腈产品。模拟模型经过分析后进行参数设定，针对各塔选定计算方法及迭代次数，全流程模拟选用直接迭代法，调试收敛后，计算结果显示产品指标及产品收率均满足要求。需要说明的是：在某工程公司提供的工艺包中，噁唑在干燥塔底全部得到脱除，这一结果不符合热力学原理，本文对此进行了修正。在完成模拟计算后，还可以对各塔进行水力学计算，从而为设备设计提供依据。2.4 循环物流量对产品质量及能耗的影响分析前文提到，为了防止噁唑在系统中的循环累积，流程中采取将成品塔顶少量物料返回到脱氢氰酸塔的措施，进一步除去杂质。本文将运用建立的模拟模型，分析该股物流量对产品质量的影响，同时分析该股物流量对各精馏塔能耗的影响。图6和图7是不考虑其它因素，单独改变成品塔顶馏出物到脱氢氰酸塔返回量对产品中噁唑量及各塔再沸器热负荷影响的灵敏度分析曲线。在图6中，横坐标为循环物流量，循环物流量在280420 kg/h之间变化，纵坐标为产品流股中噁唑组分的质量流量。从图中可以看出，当循环物流量从280kg/h逐渐增加到360kg/h时，产品中噁唑的质量流量会逐渐降低，即产品中杂质的含量逐渐降低；当循环物流量从360kg/h开始逐渐增加时，产品中噁唑的质量流量又会逐渐提高，这说明循环物流量在360kg/h时产品质量最好。在图7中，横坐标为循环物流量，纵坐标为各塔再沸器的热负荷。图中双点划线代表脱氢氰酸塔再沸器热负荷变化情况，单点划线代表干燥塔再沸器热负荷变化情况，实线代表成品塔再沸器热负荷变化情况。从图中可以看出，循环物流量的变化对脱氢氰酸塔和成品塔再沸器热负荷变化影响不大，当循环物流量超过360kg/h时，干燥塔再沸器热负荷会有一个较大的提高。综合考虑产品质量和能耗的因素，循环物流量在360kg/h时的操作是最优的。循环物流量，kg/h各塔能耗，GJ/h循环物流量，kg/h噁唑流量，kg/h 图6循环物流量对产品质量的影响 图7循环物流量对能耗的影响3 结论文中建立了乙腈分离精制模拟模型，计算结果显示给定的工艺流程在工艺包提供的操作参数下运行产品指标及产品收率均能满足要求，模型的计算结果可为装置的整体设计和操作优化提供依据。通过分析循环物流量对产品质量及能耗的影响，可以确