李 靜，杜良紅，陳 輝，雷 蘭，劉 萍，杜廷召

(1.六盤水師范學(xué)院是化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2.中國石油工程建設(shè)有限公司 華北分公司，河北 任丘 062552)

乙腈是化學(xué)品中一種重要的有機(jī)溶劑，工業(yè)上常用于丁二烯和脂肪酸的提純等。在精細(xì)化工和制藥行業(yè)，也是常用的化工原料和有機(jī)中間體[1-2]。由于乙腈的介電常數(shù)較高，還常用于電池領(lǐng)域[3-4]。異丙醇也是一種常用的有機(jī)溶劑，可作為制藥生產(chǎn)的原料和中間體[5-6]。一般來說，異丙醇是由固體或液體酸催化丙烯水合反應(yīng)二異丙醚和正丙醇的副產(chǎn)物[7]。

常壓下乙腈和異丙醇會形成二元均相最低共沸物，普通精餾難以將兩者高效分離[8-9]，而變壓精餾工藝則可以。賈憲勇等[10]采用減壓塔-常壓塔變壓精餾工藝對乙腈和異丙醇混合物的分離過程進(jìn)行了研究，最終得到乙腈和異丙醇的質(zhì)量純度分別為96.8 %的95.0 %。

因此，本文采用雙塔變壓精餾分離乙腈-異丙醇共沸物，采用Aspen plus 軟件對此過程進(jìn)行模擬計算，以產(chǎn)品純度和再沸器熱負(fù)荷為目標(biāo)變量，對各項操作變量進(jìn)行模擬優(yōu)化。

1 工藝流程

本文采用了雙塔變壓精餾分離乙腈-異丙醇工藝。其中，常壓塔操作壓力為1 atm， 高壓塔操作壓力為3 atm，常壓塔和高壓塔的塔底分別得到高純度的異丙醇和乙腈產(chǎn)品。

圖1 工藝流程圖

2 工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1 模擬的初始條件

表1 此工藝模擬的初始條件

2.2 常壓塔理論塔板數(shù)的優(yōu)化

本文分析了常壓塔理論塔板數(shù)的影響，結(jié)果列于表2中，其中XB1表示常壓塔塔底物流中異丙醇的質(zhì)量純度，Qreb1表示常壓塔塔底再沸器的熱負(fù)荷。

表2 常壓塔理論塔板數(shù)的影響

根據(jù)表2得出，異丙醇的純度隨塔板數(shù)的增加而提高，當(dāng)塔板數(shù)在28塊以上時，異丙醇的純度將不再變化，塔底再沸器熱負(fù)荷也變化很小。因此，常壓塔塔理論板數(shù)設(shè)置為28塊。

2.3 常壓塔回流比的優(yōu)化

本文分析了常壓塔回流比的影響，結(jié)果列于表3中。

表3 常壓塔回流比的影響

由表3得出，塔底異丙醇的質(zhì)量純度隨回流比的增加而提高，再沸器的熱負(fù)荷也是同樣的趨勢。故考慮既滿足分離要求，又盡可能降低能耗，常壓塔回流比設(shè)置為2。

2.4 常壓塔進(jìn)料位置的優(yōu)化

本文分析了常壓塔進(jìn)料位置的影響，結(jié)果列于表4中，本工藝原料和循環(huán)物料在同一塔板進(jìn)料。

表4 常壓塔原料進(jìn)料位置的影響

由表4得出， 隨著進(jìn)料位置逐漸靠近塔釜，異丙醇的純度也在逐漸增加，當(dāng)進(jìn)料位置在第20塊之后時，異丙醇的純度不再變化，達(dá)到99.9%，再沸器熱負(fù)荷變化也很小。因此，設(shè)置原料在第20塊塔板位置進(jìn)料。

2.5 高壓塔理論塔板數(shù)的優(yōu)化

本文分析了高壓塔理論塔板數(shù)的影響，其中XB2表示高壓塔塔底物流中乙腈的質(zhì)量純度，Qreb2表示高壓塔塔底再沸器的熱負(fù)荷，結(jié)果列于表5中，

表5 高壓塔理論塔板數(shù)的影響

根據(jù)表5得出，乙腈的純度隨塔板數(shù)的增加而提高，當(dāng)塔板數(shù)在29塊以上時，乙腈的質(zhì)量純度能達(dá)到99.9%，且此時塔底再沸器熱負(fù)荷Qreb2也不再改變。因此，全塔理論板數(shù)選29塊。

2.6 高壓塔回流比的優(yōu)化

本文分析了高壓塔回流比的影響，結(jié)果列于表6中。

表6 高壓塔回流比的影響

由表6得出，回流比增加，相應(yīng)地乙腈產(chǎn)品的純度和塔底再沸器的熱負(fù)荷也增加。為了滿足分離要求，回流比設(shè)置為2.2。

2.7 高壓塔進(jìn)料位置的優(yōu)化

本文分析了高壓塔進(jìn)料位置的影響，結(jié)果列于表7中。

表7 高壓塔進(jìn)料位置的影響

由表7得出，進(jìn)料位置越向下，乙腈的質(zhì)量純度就越高。在第20塊塔板位置進(jìn)料時，可以保證乙腈的質(zhì)量純度為99.9%，并且此時塔底再沸器的熱負(fù)荷也最小。因此，選定在第20塊塔板位置進(jìn)料。

2.8 全流程的優(yōu)化結(jié)果

基于變壓精餾分離工藝，優(yōu)化了全流程的工藝參數(shù)與操作條件，最終的優(yōu)化結(jié)果列于表8中。

表8 全流程的優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)論

基于變壓精餾工藝，常壓塔和高壓塔壓力分別為1 atm和 3 atm，采用Aspen Plus軟件對乙腈和異丙醇混合物的分離進(jìn)行了模擬與優(yōu)化。以產(chǎn)品純度和再沸器熱負(fù)荷為目標(biāo)變量，對各項操作變量進(jìn)行了優(yōu)化，最終產(chǎn)品異丙醇的質(zhì)量純度為99.9%，乙腈的質(zhì)量純度為99.9%。