雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔的模擬研究

馬超+熊小然+郝陽洋

摘要：本文對反應(yīng)精餾和隔壁精餾塔進(jìn)行簡要分析，并以環(huán)己烯和環(huán)己烷的分離為例，利用Aspen Plus軟件對雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔進(jìn)行模擬和研究，希望得出的結(jié)論能夠為化工企業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：雙反應(yīng)段；反應(yīng)隔壁精餾塔；Aspen Plus軟件；模擬分析

隨著我國精餾技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，目前化工企業(yè)廣泛采用反應(yīng)精餾和隔壁精餾塔來進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，不僅能夠為企業(yè)帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益，同時也對企業(yè)走長遠(yuǎn)發(fā)展路線起到至關(guān)重要的作用；而將這兩種精餾技術(shù)有效結(jié)合后，在使化工企業(yè)在提高化工產(chǎn)品精度的同時降低能耗，起到一定環(huán)保節(jié)能作用，為化工企業(yè)提高競爭力。

1 反應(yīng)精餾與隔壁精餾塔

1.1反應(yīng)精餾

近年來我國大部分化工企業(yè)將反應(yīng)和精餾過程放在同一設(shè)備中同時操作進(jìn)行，使兩種反應(yīng)互相影響，在節(jié)省生產(chǎn)成本的同時促進(jìn)兩種操作，能夠在一定程度上降低部分能耗，也同時可以利用互相作用提高分離的純度和精度，而這種結(jié)合方式則被稱作“反應(yīng)精餾”。而想要使用反應(yīng)精餾方法必須滿足以下幾個條件：（1）生成物與反應(yīng)物不可以存在相同沸點，反應(yīng)物的沸點高于或低于生成物皆可；（2）在精餾耦合的過程中，必須保證不會產(chǎn)生或增加反應(yīng)副作用。目前反應(yīng)精餾主要運用于酯類生產(chǎn)[1]。

1.2隔壁精餾塔

分壁精餾塔（DWC），因其工作原理又被稱作為隔壁精餾塔。隔壁精餾塔屬于完全熱耦合精餾塔。在精餾過程中將一塊隔板以豎立形式放入塔中，將精餾塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)一分為二，通過分離和精餾分離出三種物質(zhì)，達(dá)到提高效率和產(chǎn)品精度的目的[2-3]。

2雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔模擬分析

由于收到反應(yīng)精餾常規(guī)序列自身水平的限制，精餾在過程中無法將環(huán)己烯與環(huán)己烷完全分離出來，而兩個反應(yīng)精餾塔所消耗的能量較多，提高了操作費用。如果利用雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔來進(jìn)行分離，則有可能使其精餾精度進(jìn)一步提高。分離環(huán)己烯/環(huán)己烷混合物的雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔如圖2所示。

圖1顯示該塔內(nèi)部被分為7段。將混合物由左側(cè)放入精餾塔中，其中環(huán)己烯和環(huán)己烷混合物進(jìn)料量為100kmol/h，環(huán)己烯與環(huán)己烷比例為4∶1；水進(jìn)料為100kmol/h，且均為飽和液體進(jìn)料。要求所得到的環(huán)己烷與環(huán)己烯的產(chǎn)品摩爾分?jǐn)?shù)均達(dá)到99%。產(chǎn)品純度通過對應(yīng)塔頂出料的流量和再沸器熱負(fù)荷來控制，操作壓力為151.5kPa。塔內(nèi)存在復(fù)雜的液-液分相和反應(yīng)分離，且反應(yīng)發(fā)生在液相。使用Amberlyst15作為非均相催化劑，并選用的NRTL熱力學(xué)模型參數(shù)與反應(yīng)動力學(xué)方程。通過在1、2、3段進(jìn)行反應(yīng)，將環(huán)己烷、環(huán)己烯與水初步分離并得到新生成物環(huán)己醇；在4、5、6段內(nèi)將水中少量存留的環(huán)己烯、環(huán)己烷以及環(huán)己醇進(jìn)一步提溜；7段屬于公共提溜段。而通過以上7段內(nèi)相互作用將高精度的環(huán)己烷、環(huán)己烯以及新生成物環(huán)己醇提溜出，完成對環(huán)己烯/環(huán)己烷混合物的分離。此外，雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔內(nèi)分離出的廢水可經(jīng)過處理后重新利用。

從圖1中可以得出區(qū)域1～區(qū)域7的理論板數(shù)分別為1、89、2、3、6、1、1。雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔主塔反應(yīng)段從第2到第90塊塔板，耦合位置為第92塊塔板，塔頂采出環(huán)己烷產(chǎn)品。環(huán)己烯分離區(qū)反應(yīng)段為第4到第9塊塔板，頂部采出環(huán)己烯產(chǎn)品。

在進(jìn)料條件、產(chǎn)品濃度等基本條件相同的情況下，常規(guī)反應(yīng)精餾塔序列的再沸器總熱負(fù)荷與雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔的再沸器熱負(fù)荷幾乎無差別。

我們在Aspen plus軟件中采用雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔雙塔熱耦合形式進(jìn)行分離精餾（如圖2所示），其工作原理基本與雙反應(yīng)斷反應(yīng)隔壁精餾塔相似。利用熱能變量的同效性從環(huán)己烷分離塔中采出部分氣象分流進(jìn)入到環(huán)己烯分離塔并為其提供能源，在一定程度上可以代替環(huán)己烯分離塔中的熱能，具有一定節(jié)能的作用。經(jīng)模擬分析可知，當(dāng)氣相流量為164.2kmol/h時可以在促進(jìn)環(huán)己烯分離的同時省去該分離器內(nèi)的再沸器，達(dá)到節(jié)省成本、減少耗能的目的。

圖3為軟件模擬中雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔主塔液相中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)分布圖。由此可以看出，在雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔主塔中，反應(yīng)生成物環(huán)己醇的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增多，而環(huán)己烯的摩爾分?jǐn)?shù)則逐漸減少，同時環(huán)己烷摩爾分?jǐn)?shù)也在逐漸升高，說明在精餾塔中的反應(yīng)及精餾已經(jīng)成功將環(huán)己烷和環(huán)己烯分離開來，高效完成混合物分離精餾作業(yè)。

本文提出了一種具有2個反應(yīng)段的反應(yīng)隔壁精餾塔的設(shè)計，并以環(huán)己烯和環(huán)己烷的分離為例，對該體系的常規(guī)反應(yīng)精餾序列和雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔進(jìn)行了模擬與分析，并對反應(yīng)過程摩爾參數(shù)進(jìn)行分析和對比，在軟件模擬的過程中完成混合物分離的同時也反映出雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔的優(yōu)勢和作用。通過分析實驗結(jié)果可以看出：雙反應(yīng)段反應(yīng)隔壁精餾塔與常規(guī)反應(yīng)精餾過程相比，雖然在節(jié)能降耗等方面仍然存在一定差距，但是在分離效果上并無明顯差異，并且在設(shè)備投資和占用空間上有較大優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]于海深，王鳳彥.漿態(tài)鼓泡床反應(yīng)器合成乙酸正丁酯工藝的研究[J].化學(xué)世界，2012（10）：131-133.

[2]孫蘭義，王汝軍，李軍，劉雪暖.反應(yīng)精餾隔壁塔的模擬研究[J].化學(xué)工程.2011（07）：164-165.

[3]孫蘭義，楊德連，李軍，李青松.反應(yīng)精餾隔壁塔內(nèi)合成乙酸甲酯的模擬[J].化工進(jìn)展.2009（01）：109-111.