海川化工论坛变压精馏.docx
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海川化工论坛变压精馏
前言
乙腈（Acetonitrile，MeCN）：
CH3CN，是带甜味的无色液体，有醚味，能与水、甲醇、丙酮等有机溶剂混溶，具有高介电强度和偶极矩，因而成为无机和有机化合物的优良溶剂，在制药工业中可用作合成头孢类抗生素，维生素A、可的松以及磺胺类药物及其中间体的溶剂；同时乙腈的化学性质也比较活泼，可进行烷基化反应、酰化反应、芳基化反应、加成反应，在有机合成领域也有着重要地位，可用于合成腺嘌呤、维生素B1等药物。
其蒸汽具有刺激性，大量吸入可引起急性中毒。
常压下乙腈与水形成最低恒沸物，恒沸温度76℃，含水l7.4wt％，普通精馏方法无法得到高纯度的乙腈。
从现有的文献报道，分离乙腈-水恒沸物主要采用两种方法：
萃取精馏和变压精馏。
化工流程模拟（过程模拟）技术是以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，通过应用计算机辅助计算手段，进行过程物料衡算、热量衡算、设备尺寸估算和能量分析并做出环境和经济评价的一门新兴技术。
它是化学工程、化工热力学、系统工程、计算方法以及计算机应用技术等学科相互结合的产物，在近几十年中发展迅速，并广泛应用于化工过程的设计、测试、优化和过程的整合领域。
AspenPlus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。
AspenPlus是源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。
该项目被命名为“过程工程的先进系统”（AdvancedSystemforProcessEngineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。
1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司。
该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，成为举世公认的标准大型流程模拟软件。
一．课题
1.课题目标
综合应用化工计算知识，解决一个实际化工计算问题。
2.课题内容
2.1原料
现有一股含水乙腈溶液，原料420kg/h，温度25℃，压力2bar，含乙腈（质量分数）0.80，含水0.20。
2.2分离要求
选择合适的分离方法获得乙腈产品含水<0.001，乙腈回收率>0.995。
若使用溶剂，则溶剂必须循环。
公用工程自己合理选择。
二．流程模拟
1.分离方法
1.1变压精馏
经查阅文献，对于乙腈-水体系的分离，主要分离方法有两种：
萃取精馏和变压精馏。
现选择分离方法为变压精馏，进行下面的流程模拟。
变压精馏主要是利用压强的变化来影响共沸物系共沸点的改变，从而来进行有效分离的。
因而压强的选择对于变压精馏而言显得十分重要。
一方面要考虑压强改变共沸点的大小；另一方面要考虑设备对压强的承受能力，压强不能无限制的过大或过小，否则会大大增加设备费用，还会影响到操作费用。
1.2变压精馏的可行性
1.2.1物性方法
乙腈与水是一个完全互溶的二元共沸体系，根据乙腈-水共沸物模拟体系的性质，选用物性方法：
NRTL。
确认NTRL方程二元交互作用参数，如图1-1所示，可以看到1对二元交互作用参数齐全。
图1-1乙腈与水的二元交互作用参数
1.2.2共沸点
查取压力分别1、6、8atm时的共沸点。
结果如图1-2~4所示，可见在压力分别1、6、8atm时，皆只有一个共沸点，共沸点温度分别是76.53℃、137.46℃、149.28℃。
图1-2.乙腈与水在压力为1atm时的共沸点
图1-3.乙腈与水在压力为6atm时的共沸点
图1-4.乙腈与水在压力为8atm时的共沸点
1.2.3乙腈-水体系的相图
查取在压力分别为1、6、8atm时，乙腈-水共沸物的温度-组成相图，以及x-y相图。
如图1-5、图1-6所示。
图1-5.乙腈与水在三个压力下的温度-组成相图
图1-6.乙腈与水在三个压力下的x-y相图
由上图可知，此共沸体系的组成随压强的变化比较敏感，故可以利用变压精馏进行分离。
综合两图考虑，选择低压1atm，高压8atm。
2.变压精馏模拟与优化
2.1模拟流程图
乙腈-水体系采用变压精馏方法进行分离，在低压塔（B1）输入原料，低压塔塔顶共沸物D1作为高压塔（B2）的进料，高压塔塔顶共沸物D2返回到低压塔，由此构成循环。
在低压塔塔釜得到纯水，在高压塔塔釜得到纯乙腈。
其流程图如下图2-1所示。
图2-1.变压精馏分离乙腈与水的流程图
2.2工艺参数
2.2.1精馏塔模块的选择
由于乙腈与水体系是均相共沸物，不能采用“DSTWU”简捷计算模块估算精馏塔完成分离任务需要的理论塔板数和进料位置。
故，选用“RadFrac”模块，并根据经验填入理论塔板数、进料位置与回流比的估计值。
根据分离要求输入D/F的估计值，并且不断调整D/F的数值，直到达到分离要求。
2.2.2最佳进料位置
用一个“Sensitivity”功能选择最佳进料位置。
塔釜热负荷最小处，对应的即是最佳进料板位置。
对于低压塔（B1）、高压塔（B2），可知其进料位置与塔釜热负荷的关系分别如下图2-2、2-3所示。
图2-2.B1塔塔釜热负荷与进料位置的关系
图2-3.B2塔塔釜热负荷与进料位置的关系
由图可知，对应最小塔釜热负荷，B1塔最佳进料位置为第17块塔板，B2塔最佳进料位置为第22块塔板。
2.2.3“RadFrac”模块工艺参数
低压塔（B1）、高压塔（B2）的工艺参数，汇总计入下表2-1。
B1
B2
塔顶压力/atm
1
8
理论级N
20
25
进料NFEED
17
22
回流比R/mol
1.5
2
D/F
0.97
0.90
表2-1.“RadFrac”模块输入数值
2.3物流数据
变压精馏分离乙腈-水体系的模拟流程中，主要物流数据见下图2-4。
图2-4.物流数据
由上图，可以得出以下结论：
（1）B1塔塔釜出料物流W1中，水的质量分率达到0.99，乙腈的质量分率为0.01，B2塔塔釜出料物流W2中，乙腈的质量分率近似达到1，水的质量分率为448PPM；
（2）B2塔塔釜出料物流W2，即为产品出料物流，其中乙腈的质量流率为335.091kg/h，原料中乙腈的质量流率为420×0.8=336kg/h，所以乙腈回收率为335.091÷336=0.9973。
综上所述，乙腈产品含水为448PPM<0.001，乙腈回收率为0.9973>0.995，因此模拟流程已达到分离要求。
3.设备选型
3.1塔设备选型
3.1.1低压塔选型
首先对低压塔（B1塔）进行塔径计算。
根据经验，选用填料型号为250Y的规整填料MELLAPAK，等板高度设为0.4m。
计算结果如下图3-1所示。
图3-1.B1填料塔计算结果
由上图，可见需要的填料塔塔径是0.93m，最大负荷分率0.62，最大负荷因子0.099m/s，塔压降0.0051atm，平均压降0.95mbar/m，最大持液量0.007m3/块理论板，液体最大表观流速0.0037m/s。
选用填料表面积256m2/m3，填料孔隙率0.987。
用塔径1.0m进行核算，核算结果见下图3-2。
图3-2.B1塔填料核算计算结果
由图3-2可见，选用填料塔塔径为1.0m时，最大负荷分率0.68，最大负荷因子0.085m/s，塔压降0.0083bar，平均压降1.15mbar/m，最大持液量0.01m3/块理论板，液体最大表观流速0.0032m/s。
选用填料表面积256m2/m3，填料孔隙率0.987。
塔径1.0m合适。
3.1.2高压塔选型
对于高压塔（B2），用同样方法进行选型。
B2塔塔径计算结果、核算计算结果见下图3-3、3-4所示。
图3-3.B2填料塔计算结果
图3-4.B2塔填料核算计算结果
由图3-3，可见需要的填料塔塔径是1.05m，最大负荷分率0.62。
故用塔径1.0m进行核算。
核算结果见图3-2，可知，选用填料塔塔径为1.0m时，最大负荷分率0.69，最大负荷因子0.057m/s，塔压降0.004bar，平均压降0.44mbar/m，最大持液量0.013m3/块理论板，液体最大表观流速0.0073m/s。
选用填料表面积256m2/m3，填料孔隙率0.987。
塔径1.0m合适。
3.1.3塔设备选型工艺参数
低压塔（B1）、高压塔（B2）选型计算的工艺参数见下表3-1。
B1
B2
填料位置
2-19
2-24
等板高度/m
0.4
0.4
规整填料
MELLAPAK
MELLAPAK
填料型号
250Y
250Y
塔径/m
1.0
1.0
表3-1.塔设备选型工艺参数
3.2换热器选型
本模拟流程统共有两个精馏塔，分别对每个塔的冷凝器、再沸器进行选型计算，流程图如下图3-5所示。
图3-5.换热器选型的流程图
3.2.1低压塔冷凝器选型
低压塔（B1）冷凝器的选型步骤如下：
（1）先进行冷凝器简捷设计计算。
冷流体进料选定2atm、33℃的冷却水，流率暂时填写10000kg/h，然后用“DesignSpecifications”功能调整冷却水流率，直至冷却水出口温度为43℃。
（2）冷凝器选型、核算。
查《化工工艺设计手册》，根据简洁设计计算结果得到的冷凝器面积，从JB/T4715-1992《固定管板式换热器》中选标准系列换热器，进行核算。
选型的换热器面积要比冷凝器需要的换热面积大，且裕度大于25%，同时，冷凝器壳程与管程的压降、流速数据，要在《化工工艺设计手册》数据范围之内，则选型成功。
否则，根据核算结果重新选型、或调整壳程与管程进出口的直径等。
（3）用EDR软件核算、出图。
将相关数据传输到EDR文件后，需要对“ProcessData”页面数据仔细检查核对、补充，其他页面若由需要补充的信息，则相应进行补充。
低压塔（B1）冷凝器的物流数据见下图3-6。
图3-6.B1塔冷凝器的物流数据
由图3-6可知，冷却水流率为165599.846kg/h。
B1塔冷凝器设备数据见下图3-7。
图3-7.B1塔冷凝器设备数据
3.2.2低压塔再沸器选型
低压塔（B1）再沸器的选型步骤如下：
（1）先进行再沸器简捷设计计算。
采用3atm饱和水蒸气作为加热蒸汽，蒸汽流率暂时填写2000kg/h，然后根据运行结果调整水蒸气流率，直至热流体出口气相分率为0。
（2）再沸器选型、核算。
查《化工工艺设计手册》，根据简洁设计计算结果得到的再沸器面积，从JB/T4716-1992《立式热虹吸式重沸器》中选标准系列换热器，进行核算。
选型的换热器面积要比冷凝器需要的换热面积大，且裕度大于25%，同时，再沸器壳程与管程的压降、流速数据，要在《化工工艺设计手册》数据范围之内，则选型成功。
否则，根据核算结果重新选型、或调整壳程与管程进出口的直径等。
（3）用EDR软件核算、出图。
将相关数据传输到EDR文件后，需要对“ProcessData”页面数据仔细检查核对、补充，其他页面若由需要补充的信息，则相应进行补充。
低压塔（B1）再沸器的物流数据见下图3-8。
图3-8.B1塔再沸器的物流数据
由图3-8可知，水蒸气流率为3000kg/h。
B1塔再沸器设备数据见下图3-9。
图3-9.B1塔再沸器设备数据
3.2.3高压塔冷凝器选型
高压塔（B2）冷凝器的选型步骤与低压塔（B1）冷凝器的选型步骤一致，且冷却水进料同样为2atm、33℃的冷却水，流率暂时填写10000kg/h。
高压塔（B2）冷凝器的物流数据见下图3-10。
图3-10.B2塔冷凝器的物流数据
由图3-10可知，冷却水流率为157808.546kg/h。
B2塔冷凝器设备数据见下图3-11。
图3-11.B2塔冷凝器设备数据
3.2.4高压塔再沸器选型
高压塔（B2）再沸器的选型步骤与低压塔（B1）再沸器的选型步骤一致，不同的是B2塔再沸器的热流体进料为10atm的饱和水蒸气，流率暂时填写2500kg/h。
高压塔（B2）再沸器的物流数据见下图3-12。
图3-12.B2塔再沸器的物流数据
由图3-12可知，水蒸气流率为3300kg/h。
B2塔再沸器设备数据见下图3-13。
图3-13.B2塔再沸器设备数据
3.2.5换热器选型工艺参数
对低压塔（B1）、高压塔（B2）的换热器选型计算的工艺参数进行汇总，具体如下表3-2所示。
B1塔冷凝器
B1塔再沸器
B2塔冷凝器
B2塔再沸器
热流体进口温度/℃
76.7
134
151.5
180.5
热流体出口温度/℃
74.3
133.9
149.3
180.4
冷流体进口温度/℃
33
85.9
33
164.8
冷流体出口温度/℃
43
99.8
43
164.7
热端温差/℃
33.7
34.2
108.5
15.8
冷端温差/℃
41.3
48
116.3
15.6
换热器面积/m2
73.9
48.1
31.2
118.8
换热器直径/m
0.5
0.6
0.4
0.9
换热器管长/m
4.5
2.5
3
2.5
表3-2.换热器选型工艺参数
3.3泵的选型
低压塔（B1）塔顶馏出液D1压力为1atm，流率为2740.201kg/h，高压塔（B2）塔顶压力为8atm，故泵的进口压力为1atm，设出口压力为9atm。
选泵计算结果，如下图3-14所示。
3-14.选泵计算结果
由上图可知，泵提供给流体的功率0.89KW，泵所需要的轴功率3.0KW，电机消耗的电功率3.0KW。
三．流程优缺点分析
1纯度与收率
由章节2.3可知，乙腈产品含水为448PPM<0.001，乙腈回收率为0.9973>0.995，因此模拟流程已达到分离要求。
2能耗
模拟流程的结果显示，低压塔（B1）冷凝器能耗为1918.9KW，再沸器能耗为1801.5KW；高压塔（B2）冷凝器能耗为1828.5KW，再沸器能耗为1843.6KW。
所以，B1塔的总能耗为3720.4KW，B2塔的总能耗为3672.1KW，两塔总能耗为7392.5KW。
3公用工程
本次分离设计主要用到的公用工程有循环冷却水和饱和水蒸汽，它们都简单易得，价格不高，可以循环利用，不会对环境造成污染，节能环保。
参考文献
【1】包宗宏，武文良.化工计算与软件应用.北京:
化学工业出版社.2013.05
【2】吴德荣.化工工艺设计手册.北京:
化学工业出版社.2009.06
【3】何桃吉.乙腈一水共沸物分离的模拟与实验研究.天津大学化工学院：
2008.06
【4】侯涛，高晓新.乙腈-水共沸体系的变压精馏模拟与优化.石油化工高等学校学报.2014.04（27）
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