分离工程大作业--乙腈与水变压精馏模拟过程

收稿日期：２０２３ ０７ １１作者简介：杨阳阳（１９９１－），男，中级职称，研究方向为石油化工工艺、管道及材料设计。

Ｅ ｍａｉｌ：ｙａｎｇｙｙ１１＠ｃｎｏｏｃ ｃｏｍ ｃｎ乙腈 水二元共沸体系的变压精馏动态研究杨阳阳，徐东芳（中海油石化工程有限公司，山东青岛　２６６１００）摘要　针对乙腈 水变压精馏稳态工艺流程，建立了变压精馏动态模型，探究了其不同的动态方案。

研究表明：无论是引入回流量 塔顶采出量比例控制模块的控制结构，还是回流量 进料流量比例控制模块的控制结构，面对扰动时产品纯度均出现发散型震荡现象；温度控制结构比组成 温度控制结构的稳定时间短，但只能使水产品纯度维持在质量分数为９９ ８８％附近；常压塔再沸器热负荷与进料流量比例控制模块能及时调整常压塔蒸汽流率；组成控制器可以在线监测产品纯度，组成 温度控制结构抗扰动能力更强。

关键词　变压精馏；乙腈 水；动态特性中图分类号：ＴＱ０２８ 文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－６２４７．２０２４．０１．００６１　概述在制药和化工行业中，众多工艺需要使用无水乙腈进行化学反应，但在使用无水乙腈之后，其反应混合物又必须通过加水的方式进行后续处理，从而导致反应后的大量乙腈废液的处理和乙腈的回收再利用成为一大难题。

由于乙腈与水可以在任意条件下进行均相互溶，且能形成二元共沸混合物，直接蒸馏回收的乙腈因纯度较低无法满足工业使用要求。

回收乙腈最常用的方法包括盐析法、添加脱水剂进行共沸蒸馏、萃取精馏等。

这些方法往往存在工艺流程复杂、设备投资和耗能高、加入较多的溶剂或者盐类会额外造成更多的高ＣＯＤ废水等缺点。

因不加入第三种组分，避免了产品中夹带其他杂质，近年来变压精馏分离共沸物的方法研究逐渐成熟［１ ６］。

杨金环等［１］对比分析了萃取精馏和变压精馏的工艺过程；刘金贵等［２］提出多效变压精馏工艺，实现了甲酸 水的高效分离；李晔［３］研究了压敏性最高沸点共沸物，并提出了增加夹带剂的新型变压精馏流程；徐东芳等［４］构建了乙醇 氯仿变压精馏工艺的动态控制结构；张春花等［５］基于丙酮环己烷共沸体系的压力敏感能力，建立了常规、部分及完全热联合变压精馏工艺。

将乙腈与水分离的方法将乙腈与水分离的方法：一、蒸馏分离1、将乙腈和水混合，放入一个蒸发器中，武器侧加入蒸汽；2、因乙腈和水的蒸发温度不一样，乙腈蒸发温度较低，随着蒸汽的加热，温度越来越高，乙腈的沸点会在一定温度下蒸发；3、当乙腈沸腾时，乙腈首先会从蒸发器管子中蒸发出来；4、蒸发的乙腈会形成一个液体/气体混合物，其中乙腈就是沸腾液体，液体由蒸发器出口即受热物出口，进行冷却处理，乙腈就会沉淀；5、冷却后的液体被过滤，乙腈由滤饼出来，然后经过凝固过程，乙腈就分离出来了；二、混合物抽提1、将水和乙腈投入不相溶的溶剂中，通常选用乙醇、乙醚等溶剂；2、将溶剂内的混合液体进行攪拌，同时加热至蒸熱；3、由于乙腈是醇类溶剂易溶物，乙腈会溶解到溶剂中；4、最后冷却溶液，乙腈会析出，可以将乙腈沉淀出来，进行回收；三、凝膠分离1、将乙腈和水放入容器中，加入的凝膠的量依据乙腈的浓度而有不同；2、由于乙腈在凝膠表面上较易析出，较大分子的水则留在凝膠核心处不能被分离；3、放置一段时间后，乙腈会析出，将乙腈和凝膠分离后，即可回收乙腈；四、气液分离1、将乙腈和水分别放入不相溶的分配液中，通常采用乙醇、尿素、氯仿或杂环烃等混合液。

2、放入混合好的分配液，加入催化剂，将挥发油和水发生催化反应；3、排出反应气体，减少压力，分离出气体中的乙腈；4、分离下来的乙腈用一定的方法进行回收和深度分离；五、加压分离1、将相比沸点低的乙腈和水混合在一起；2、将混合物加入加压容器，加热至加压容器在一定温度时，有一定的压力；3、在一定的温度下，乙腈沸点低于水，温度高于水沸点，乙腈会以气体形式持续从容器中蒸发，从而实现乙腈和水的分离；4、乙腈气体回收气体进行冷却，将乙腈液体蒸馏回收，乙腈就可以完成回收。

ASPEN-PLUS模拟计算甲醇、水、乙腈三元体系的乙腈提纯实验以硫酸二甲酯和氰化钠在水溶液中直接反应制得乙腈反应产物。

混合产品用碱等化学方法处理。

主要成分为乙腈、水、甲醇、硫酸钠和甲酸钠。

这种单相混合系统，根据不同的沸点，常压蒸馏法可用于分离有机物从水相中，但由于甲醇、乙腈和水会形成共沸混合物，所以液为蒸馏水、乙腈和甲醇的混合三元，其中绝大部分是水（超过45%）和乙腈（51%或更少），甲醇含量低（4%或以下）。

对三元混合物系进行精馏提纯。

实验使用Aspen对三元混合物系进行模拟精馏，预设脱甲醇塔、减压精馏塔、加压精馏塔分别对甲醇和水进行脱除达到纯度要求。

实验装置如图1.1.1甲醇的脱除三元混合物系中甲醇与乙腈形成共沸物，乙腈与水也形成共沸物，但甲醇与水不形成共沸混合物，并且其量少，因此可采用常规精馏的方法先将甲醇从乙腈和水的混合物中分离。

由于是三元理想体系，除去甲醇后即剩下乙腈和水，这也是历来分离较有难度的精馏，在下文工业精馏模拟中也有提到。

1.2实验原料实验乙腈原料组成(质量分数)为:乙腈50.00%,丙烯腈0.35%,氢氰酸3.40%,水42.95%，其他2.3%。

原料设计进料量为300Kg/h。

1.3乙腈产品质量指标表2.1乙腈产品质量指标项目优级品一级品合格品外观无色透明无悬浮物无色透明无悬浮物透明无悬浮物允许带微黄色色度号（铂-钴）≤10≤10≤200.781~0.7840.781~0.7840.781~0.784密度（20℃/（g*cm-3）沸程（101.33kPa）/℃80.0~82.080.0~82.080.0~82.0酸度（以乙酸计）/%≤0.03≤0.06≤0.05 W（水分）/%≤0.3≤0.3≤0.5W（氢氰酸）/%≤0.001≤0.002W（氨）/%≤0.0006≤0.0006W（丙酮）/%≤0.005≤0.005≤0.005W（丙烯腈）/%≤0.01≤0.03≤0.05W（重组分（含丙腈））≤0.1≤0.5/%W（铁）/%≤0.00005≤0.00005W（铜）/%≤0.00005≤0.00005纯度/%≥99.5≥99.0≥98.01.4实验流程采用的分离工艺流程由脱氢氰酸塔、化学处理单元、脱丁二腈塔、减压精馏塔、加压精馏塔组成。

丙烯腈—乙腈—水热力学分析与萃取精馏过程模拟作者：李艳娟吴丽美来源：《当代化工》2017年第03期摘要：应用模拟软件ASPEN PLUS对丙烯腈-乙腈萃取精馏进行模拟。

采用NRTL热力学模型计算液相活度系数。

模拟计算出的常压下气液平衡数据与文献相比较，较为吻合。

通过C3H3N-C2H3N-H2O三元物系剩余曲线与液液相平衡图分析了丙烯腈与乙腈萃取分离的可能性及丙烯腈-水共沸物分离的可能性。

最后通过模拟计算得到了沿塔各组分浓度和温度分布曲线，均能达工艺分离要求。

关键词：丙烯腈-乙腈-水；热力学分析；萃取精馏；过程模拟中图分类号：TQ 028 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）03-0496-04Abstract： Extractive distillation process of C3H3N-C2H3N was simulated with ASPEN PLUS software. The activity coefficients were calculated by NRTL equation. The vapor-liquid equilibrium data calculated under 101.325 kPa were close to the data of document. Based on the ternary residual curve map and liquid-liquid phase equilibrium map， the possibility of extraction separation of acrylonitrile and acetonitrile was analyzed as well as the possibility of separation of acrylonitrile water azeotrope. The vapor and liquid compositions and temperature profile on per tray in the extractive distillation tower were obtained by the simulation， both of them have met the process separating requirements.Key words： C3H3N-C2H3N-H2O； Thermodynamic analysis； Extractive distillation；Process simulation丙烯腈是一种重要的化工原料，主要用于生产聚丙烯纤维。

乙腈-水共沸体系的变压精馏模拟与优化侯涛;高晓新【摘要】利用 Aspen Plus 化工模拟流程软件对乙腈-水共沸体系进行变压精馏模拟分离研究。

选择UNIQUAC物性计算模型确定变压精馏的工艺流程,通过灵敏度分析模块分别考察高压塔和常压塔的进料板位置和回流比对分离效果的影响。

模拟结果表明,当塔操作压力为350 kPa,塔板为30块,进料板为第10块塔板,回流比为1.5,在塔底可以得到质量分数为99.7%的产品乙腈。

%A process of pressure-swing distillation for separation of acetonitrileand water was simulated by using Aspen Plus. The UNIQUAC equation was used for calculating vapor-liquid equilibrium data of acetonitrile-water mixture.The relationship between the feed stage and reflux ration for the separation of acetonitrile-water was studied by sensitive analysis.The requirement for acetonitrile reached to 99.7%,when the high column at the pressure was 350 kPa,the number of stages was 30,the feed stage was 10 and the mole reflux ration was 1.5.【期刊名称】《石油化工高等学校学报》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】5页(P42-45,73)【关键词】乙腈-水;变压精馏;模拟;优化【作者】侯涛;高晓新【作者单位】常州大学化工设计研究院有限公司，江苏常州 213164;常州大学石油化工学院，江苏常州 213164【正文语种】中文【中图分类】TE624.2在化工、医药等生产过程中，乙腈能发生典型的腈类反应，并被用于制备许多典型含氮化合物，是一个重要的有机中间体。

乙腈-水的变压精馏分离模拟与优化杨倩;王彩琴【摘要】利用乙腈-水体系在不同压力下共沸点有较大的变化特性,采用变压精馏对该物系进行高纯度的分离研究.基于Aspen Plus流程模拟软件,采用WILSON物性方程进行模拟,模拟结果表明:在0.35 MPa和0.101 MPa下,共沸点组成变化为8％;采用高压塔和低压塔工艺,可以有效分离,得到纯度较高的乙腈与水,其中高压塔塔板数30,进料位置15,回流比为1,采出率为0.199;低压塔塔板数24,进料位置第10块板,回流比0.2.%Pressure swing distillation was used for the separation of acetonitrile and water since the azeotropic point of the system varies with pressure. Based on Aspen Plus simulation software , using the WILSON physical equation to simulate, the results showed:the composition of azeotrope changed to 8％due to the pressure changed from 0.35 MPa to 0.101 MPa. So the process of high pressure tower (HP) and low pressure tower (LP) was taken into consideration, which could get a higher purity of acetonitrile and water. For HP tower,30 of theoretical plate numbers, 15th of the feeding plate and 1 of reflux ratio, in which the bottom rate of the feed ratio was 0.199. For LP tower , the plate numbers were 24 with the feed position 10th plate in the reflux ratio of 0.2.【期刊名称】《浙江化工》【年(卷),期】2018(049)005【总页数】4页(P28-31)【关键词】变压精馏;流程模拟;共沸;回流比【作者】杨倩;王彩琴【作者单位】陕西能源职业技术学院, 陕西咸阳 712099;陕西能源职业技术学院,陕西咸阳 712099【正文语种】中文0 引言乙腈是优良的有机溶剂，能溶解多种有机、无机和气体物质，能发生典型的腈类反应，是重要的有机合成中间体；此外，在织物染色、照明、香料制造及感光材料制造中也有许多用途[1]。

(1)流程确定建立如图所示流程图。

流程描述：原料在合适位置进入低压塔TOWER1，塔顶出共沸组成，塔底为水出口；塔顶共沸组成经泵加压后进入高压塔TOWER2，塔底为合格已经产品，塔顶为高压下共沸物，循环回一塔TOWER1。

(2)物性方法选择根据文献介绍，用ASPEN物性数据库中NRTL模型计算得出乙腈-水共沸物汽液平衡数据和实际值基本一致，故选用NRTL模型为本次模拟物性方法。

(3)模拟参数进料组成为60%乙腈和40%水(质量分数),假定流量为100kg/h。

分离出产品：99.9%乙腈（质量分数）。

(4)两塔压强确定根据变压精馏原理可得，不同压力下共沸组成差别越大，循环物流量就越少，循环量越少，那么能耗就会相应地降低；但是高压或者是真空下操作又会影响我们塔投资费用。

经过文献调研，吸取他人工程经验最终选择0.4bar和3.5bar。

作为塔操作压力。

(5)流程模拟根据变压精馏原理可得：当压力确定时，流程中每一股物流量大致是确定。

可以根据公式（书上公式）计算出。

也就是说，塔塔顶采出率和塔底采出率都是定值，也只有在这个定值下，流程才能够物料守恒而收敛。

同时由于，如果两塔同时给定塔顶采出率或者塔底采出率时，很难收敛。

故选择TOWER1给定塔顶采出率，TOWER2给定塔底采出率。

所以，先计算出大概初值，然后再在附近调试，是流程能够顺利收敛。

最终初次收敛时参数如下图所示：TOWER1初始参数如下图所示：TOWER2初始参数如下图所示:(6)流程优化（这个想一想）根据变压精馏原理(1)分离要求对回流比无明显要求，0.1,0.01，0.001都能满足分离要求。

（可能没到那个限度吧？思考ing）(2)鉴于此，将回流比分别定为0.001和0.005；在此回流比下对塔板数进行灵敏度分析，观察塔板数和进料位置对产品纯度影响。

低压塔灵敏度分析：S-1:进料位置为3；最终选择8块板。

S-2：塔板数为8；最终选择3.高压塔灵敏度分析：S-1:进料位置为3；最终选择10块板。

变压精馏分离乙腈-正丙醇过程模拟与优化唐建可;马春蕾;王琦【摘要】基于乙腈和正丙醇二元共沸特性的分析,提出变压精馏分离乙腈和正丙醇共沸物的工艺.利用Aspen Plus软件,以Wilson模型为物性计算方法对分离过程进行模拟,以再沸器总热负荷最低为优化目标,分析高压塔和常压塔理论板数、回流比和进料位置对再沸器总热负荷的影响.结果表明,变压精馏能够实现乙腈和正丙醇的有效分离,两者质量分数均为99.90％.利用高压塔塔顶气相潜热作常压塔塔釜再沸器热源进行热量集成,热集成变压精馏相比于传统变压精馏再沸器热负荷节能28.43％,冷凝器热负荷节能31.95％.与以N-甲基吡咯烷酮为萃取剂的萃取精馏工艺相比,热集成变压精馏工艺更适合乙腈和正丙醇共沸物的分离.【期刊名称】《精细石油化工》【年(卷),期】2018(035)004【总页数】6页(P62-67)【关键词】乙腈;正丙醇;Aspen Plus;热集成;变压精馏;节能【作者】唐建可;马春蕾;王琦【作者单位】太原工业学院化学与化工系,山西太原030008;太原工业学院化学与化工系,山西太原030008;太原工业学院化学与化工系,山西太原030008【正文语种】中文【中图分类】TQ028.3+1乙腈是一种重要的有机中间体和性能优良的溶剂，可用于制造香料和维生素B1等，也可用作丙烯腈合成纤维的溶剂[1]。

正丙醇是一种重要的有机溶剂，用作植物油类、树脂类和乙基纤维素等的溶剂。

常压下乙腈和正丙醇会形成二元最低共沸物，其中乙腈含量为72.5%(质量分数)，共沸温度为80 ℃，采用普通的精馏方法难以实现二者的分离[2]。

目前二元共沸物的分离方法主要有共沸精馏、萃取精馏、变压精馏等。

赵含雪等[2]采用N-甲基吡咯烷酮(NMP)作萃取剂，对乙腈-正丙醇分离过程进行了研究，可得到质量分数99.3%的乙腈。

马春蕾等[3]采用分壁式萃取精馏对乙腈-正丙醇的分离进行模拟研究，可得到质量分数99.59%的乙腈和99.12%的正丙醇。