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        甲苯、二甲苯多股進料連續(xù)分離工藝設計

        2022-01-07 10:41:52鄭世富黃佩佩彭偉偉
        浙江化工 2021年12期
        關鍵詞:流股塔板二甲苯

        鄭世富,黃佩佩,彭偉偉,羅 松

        (江西贛鋒鋰業(yè)股份有限公司,江西 新余 338000)

        精餾是利用混合物中各組分揮發(fā)度不同,將各個組分分離的一種分離過程[1-2]。根據(jù)操作方式的不同,分為連續(xù)精餾和間歇精餾;根據(jù)混合物組分數(shù)的不同,分為二元精餾和多元精餾[3]。其中,二元精餾是精餾過程中最典型的案例。在《化工原理》教材中,對二元精餾進行了詳細的分析計算。然而,對于多股進料的二元連續(xù)精餾的計算和模擬很少,本文對甲苯、二甲苯多股進料連續(xù)分離工藝進行理論計算及Aspen 模擬。

        甲苯,分子式:C7H8,沸點:110.6 ℃,分子量:92.14。其外觀為無色透明液體,和苯的氣味很接近,有強折光性;可以與多種有機溶劑如氯仿、乙醇、丙酮、乙醚等混溶,難溶于水。甲苯主要用作有機溶劑和汽油的添加劑,是一種重要的有機化工原料。二甲苯,分子式:C8H10,沸點:137 ℃~140 ℃,分子量:106.17。其外觀為無色透明液體。二甲苯作為溶劑,廣泛應用于涂料、樹脂、農藥、醫(yī)藥等行業(yè)中[4]。與二甲苯相比,甲苯的產能相對過剩,相當數(shù)量的甲苯被用于歧化制二甲苯[5]。

        本文以甲苯歧化制二甲苯反應完成液為多股進料連續(xù)分離工藝的設計案例。設計年產能為10 萬t 甲苯、二甲苯,年工作時間取值為7200 h;兩股進料中,甲苯的摩爾分數(shù)分別為0.3 和0.7;流股一為泡點進料,進料流量為6 萬t/a,流股二為飽和蒸汽進料,進料流量為4 萬t/a;要求塔頂出料中甲苯的摩爾分數(shù)不小于0.999,塔底出料中二甲苯的摩爾分數(shù)不小于0.999。

        表1 為常壓下不同溫度的甲苯和二甲苯氣液平衡數(shù)據(jù)[6]。

        表1 不同溫度(常壓)的甲苯與二甲苯氣液平衡數(shù)據(jù)

        根據(jù)道爾頓分壓定律:

        得出相對揮發(fā)度α 的計算公式:

        根據(jù)公式(2),計算出在常壓下不同溫度的甲苯-二甲苯的相對揮發(fā)度α 值分別為:2.16(120.01 ℃)、2.11(126.85 ℃)、2.12(134.82 ℃)、1.98(136.18 ℃),從而得出在常壓、120.01 ℃~136.18 ℃下,甲苯-二甲苯的平均相對揮發(fā)度α 值為2.09。

        1 設計案例

        1.1 理論計算

        1.1.1 各進料流股信息

        原料進料的流股共兩股,其中,流股一:甲苯和二甲苯的摩爾比為0.7:0.3,進料流量為6 萬t/a;流股二:甲苯和二甲苯的摩爾比為0.3:0.7,進料流量為4 萬t/a。根據(jù)各物料的摩爾質量,得出流股一中甲苯的摩爾進料量為60.54 kmol/h,二甲苯的摩爾進料量為25.95 kmol/h;流股二中甲苯的摩爾進料量為16.35 kmol/h,二甲苯的摩爾進料量為38.14 kmol/h。其中,流股一為泡點進料,即q1=1;流股二為飽和蒸汽進料,即q2=0。

        精餾塔塔頂出料流量(D)和塔底出料流量(W)按式(3)和式(4)計算:

        式(3)和式(4)中:F 為精餾塔進料流量,kmol/h;D 為塔頂出料流量,kmol/h;W 為塔底出料流量,kmol/h;xF為進料中甲苯的濃度;xD為塔頂出料中甲苯的摩爾分數(shù),取0.999;xW為塔底出料中甲苯的摩爾分數(shù),取0.001。

        經(jīng)計算,得出:D=76.98 kmol/h,W=64.00 kmol/h。

        1.1.2 回流比的計算

        對于多股進料,計算最小回流比時,可依次將每一進料作為主進料,分別求其相應的最小回流比,得到的最小回流比中最大的便是全塔的最小回流比[7]。

        對于第一股進料,最小回流比Rm1的計算公式如下[7]:

        根據(jù)公式(5)和(6),計算出最小回流比Rm1=1。

        對于第二股進料,最小回流比Rm2的計算公式如下[7]:

        根據(jù)公式(7)和(8),計算出最小回流比Rm2。

        將θ2=1.46,代入公式(8)中,得:

        因此,最小回流比Rmin取Rm2,即最小回流比Rmin為1.70?;亓鞅萊 取1.4 Rmin,即回流比R 為2.38。

        1.1.3 各塔板物料組成計算

        根據(jù)理論板的定義,假定離開每層板的氣、液相組成達到了相平衡,塔內符合恒摩爾流的簡化假定。在塔頂為全凝器的情況下,y1=xD,多組分進料精餾塔,將整個精餾塔分為精餾段、中間段和提餾段[7]。

        精餾段:

        可求出精餾段的操作線方程為:

        中間段:

        可求出中間段的操作線方程為:

        提餾段:

        可求出提餾段的操作線方程為:

        根據(jù)操作線方程和相平衡方程xn=yn/(α-(α-1)yn),可以計算出精餾塔各塊塔板的氣、液相組成,計算過程如下:

        精餾段各塊塔板的氣、液相組成計算:

        依次得出精餾段各塊塔板的氣、液相組成,詳見表2。

        表2 精餾段各塊塔板的氣、液相組成

        從表2 可以看出,x16<0.7,故精餾段的塔板數(shù)為15 塊。

        中間段各塊塔板的氣、液相組成計算:

        依次得出中間段各塊塔板的氣、液相組成,詳見表3。

        表3 中間段各塊塔板的氣、液相組成

        從表3 可以看出,x21<0.3,故精餾段的塔板數(shù)為5 塊。

        提餾段各塊塔板的氣、液相組成計算:

        依次得出提餾段各塊塔板的氣、液相組成,詳見表4。

        表4 提餾段各塊塔板的氣、液相組成

        表4 中x34<0.001,故精餾段的塔板數(shù)為14 塊。

        根據(jù)理論計算結果得出,甲苯-二甲苯多股進料連續(xù)分離工藝中,流股一的進料位置為第15塊塔板,流股二的進料位置為第20 塊塔板,精餾塔的塔板數(shù)為34 塊。

        1.2 Aspen 模擬計算

        以理論計算結果為依據(jù),進行Aspen 模擬,模擬結果見圖1。流股一(S1)為泡點進料,進料位置為第15 塊塔板;流股二(S2)為飽和蒸汽進料,進料位置為第20 塊塔板。精餾塔T101 塔板數(shù)為34塊;精餾塔T101 的回流比為2.39。通過Aspen 模擬,得出精餾塔T101 塔頂出料(S3)中,甲苯的氣相摩爾分數(shù)為0.999;塔底出料(S4)中,甲苯的氣相摩爾分數(shù)為0.001。因此,Aspen 模擬精餾塔T101 出料中,甲苯的摩爾分數(shù)與理論計算結果一致。

        圖1 Aspen 模擬甲苯-二甲苯多股進料連續(xù)分離

        通過Aspen 模擬,得出精餾塔T101 各塊塔板的氣、液相組成,見圖2。從圖2 可以看出,甲苯-二甲苯多股進料連續(xù)分離工藝,經(jīng)Aspen 模擬和理論計算的各塊塔板上甲苯、二甲苯的氣、液相組成相近。

        圖2 Aspen 模擬和理論計算各塔板液相(a)、氣相(b)組成對比表

        2 結論

        本文以甲苯、二甲苯多股進料連續(xù)分離工藝為案例,對多股進料的二元連續(xù)精餾進行理論計算及Aspen 模擬設計。以理論計算結果為依據(jù),進行Aspen 模擬。通過Aspen 模擬得出,Aspen 模擬結果和理論計算的多股進料精餾塔各塊塔板上甲苯、二甲苯的氣、液相組成相一致。

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