乙酸-水体系的相平衡及精馏过程模拟

第３６卷第４期２０００年７月南京大学学报（自然科学）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＮＪＩＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬＳＣＩＥＮＣＥＳ）Ｖｄ３６．Ｎｏ４Ｊｕｌｙ，２０００文章编号：０４６９～５０９７（２０００）０４０４９１—０６乙酸一水体系的相平衡及精馏过程模拟＋耿皎，吴有庭，刘庆林，张志炳（南京大学化工系，江苏南京２１００９３）摘要：采用“化学平衡理论”考虑汽相的非理想性，计算了二元乙酸一水体系的常压汽液平衡相圈，取得满意的教果．将“化学平衡理论”表述下的汽液平衡关系运用于ＭＥＳＨ中，模拟计算了乙酸水体系的精馏过程，得出了有意义的结果．关键词：汽液平衡；化学平衡理论；精馏；过程模拟；乙酸中图分类号：ＴＱ０１３１文献标识码：Ａ０引言精馏过程模拟是化工分离生产过程的一个重要方面，对于产品的开发和设计，生产过程的运转、控制和改进等意义重大．精馏过程的模拟方法已比较成熟，主要有矩阵法、松驰法和逐板计算法等．能很好地适用于太部分物系但是，在大量的文献报导中，专门研究一些特定的、在实际生产中经常遇到的非理想体系的报导显得比较少，制约了精馏过程模拟方法的扩展应用乙酸一水是一种典型的有严重非理想性的体系，乙酸不仅在液相有强的缔合作用，且在汽相中即使在低压下其缔合作用也非常明显．Ｐｍｕｓｎｉｔｚ…指出，对于含羧酸的体系，必须用“化学理论”计算逸度系数．但是在进行精馏过程模拟时，却较少有人在相平衡中计及汽相的非理想性，影响了模拟结果的准确性．最近，杨志才等【２１用严格的“化学理论”计算了乙酸一水一丁醇一乙酸丁酯体系的相平衡，并成功地应用于精馏过程模拟然而严格的“化学理论”方法的公式复杂，推导和计算工作量太，影响须大量造代计算的模拟过程，使得收敛速度缓慢．本文针对乙酸一水体系，在相平衡中采用简单的“化学平衡理论”方法来校正汽相的非理想性，并进行精馏过程模拟．１汽液平衡对任意混合物体系，完整的汽液平衡关系为ｙ，庐，＝ｚ，ｙ，Ｐ湃ｅｘｐ［（Ｐ一再）ｖＬ／ＲＴ］（１）严格的“化学理论”是通过维里方程的方法来计算各项以值，且将维里系数分为物理作用和化学作用两部分．而“化学平衡理论”方法是假定在低压下体系本身接近于理想状态，但内部却存在着化学反应平衡，体系的表观物种数不变，真实物种数增多．针对乙酸，水体系，仅考虑汽相中乙酸分子之间的二聚缔台，则有２Ｍ旦Ｄ（２）＋基盅项目：国家“九五”技改重点项目（ｉｉ－机轻［１９９８］１１３号）轻莩品羿；裟９７匠（１１１９７５１５），男．南京大学化工系博士研究生　万方数据南京尢学学报（自然科举）第３６静ＫＤ篇Ｐ２Ｄ／ＰｉＭ＝ｅｘｐ（ＡＤ＋ＢＤ／ｒ）（３）转系嚣总鹱Ｐ变为Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２Ｍ＋Ｐ２Ｄ（４）式中：下栋１和２分别表示组分１鞠２；Ｄ为二蒙津；ＫＤ是缔窘乎鹰常数，在常莲下仪是湿度的函数；ＡＤ、ＢＤ是与濑度无关的常数．根据“化学平衡理论”的假定，在式（１）中忽略Ｐｏｙｔ．ｉｌｉｇ因子疑所有的汽相逸度系数的校正，有Ｐｔ＝琰ｚｔ７＂ｉ（５）Ｐ２Ｍ＝琏艘２ｙ２（６）实验测寇的乙酸诧和蒸汽压是礴而菲麓Ｍ，它们之阉的关系为琏＝境Ｍ十避Ｄ（７）联立式（３）和（７），苜由疆Ｍ的二次方程解出磷Ｍ值，郾琏Ｍ＝［～１十（１＋４ＫＤ聪）ｏ５］／２ＫＤ（８）鼠而可求得汽辐组成Ｙ为，ｌ＝Ｐ１／（Ｐ十Ｐ２Ｄ）（９）Ｙ２＝（Ｐ２Ｍ＋２Ｐ２Ｄ）／ｆＰ＋Ｐ２Ｄ）（１０）式（９）和（１０）是将所有缔台乙酸折算为单分子己酸后褥出豹黎柒．Ｋｍ磺、露方程巾瀚参数蕊来鑫予文献［３］；７可采用Ｗｉｌｓｏｎ、Ｍａｒｇｕｌｅｓ、ＮＲＴＬ等方稷计算，方程孛静参熬两肄寒垂予文麸［３３。

２乙酸一水精馏过程模拟奉文采爱三瓣角踅阵澹熹涟ＨＩ衷瓣普通壤键塔“的啪陷Ｈ方程（即由过程的物料平衡、汽液平衡、焙平衡匍组嚣搀一熊方程组羧豹方程组）．诗算过攫开始掰给出选代变量韧值：汽液相均视为傅摩尔流。

具体翘值由遴辩量Ｆ、进料缀残ｚ、鞠流比Ｒ及产鼯回收率Ｒｓ确定；由予要求塔顶的水和塔底的乙酸的摩尔ｚ。

分率均太于０．９９，且为液楣出料，塔顶朔塔底的温度Ｌ一＋一ＪＥｘｐｅｒｌｍｏＡ２１ｔａｌｐｏｉｎｔｓ；Ｌｕ）ＣａＬｃｕ、初值分别敬为求和乙酸的沸点；用线性内插法得到塔““醉”。

“““”。

帮；内各级濑度初值，然后计算相平衡常数，Ｋ＝Ｍ／置芝塞≯三：尝：三耋甓：：夏二翟：对各缰分拇残三对角线楚阵方纛，焉追憝法舞离各缀液相组成∞值．泡点计算中用Ｓ方程计算各级温度，围ｌ乙艘２－水ｌ体系常臌汽液相串衡溢疫豹瓣整栗镬牛顿一挝失森法，牧鼗壤弼为瓣ｇ，ｉＴｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｅｖａｐｏｒ－ｌｉｑｕｉｄｅｑｕｉ。

＞ｙ．（Ｔｊ”一Ｔ５“”）２≤０，０１（１１）ｌｌｂｒｉｍｎｏｆａｏｅｔｉｃａｄｄ２－ｗａｔｅｒｌｓｙｓｔｅｍ３结桊与讨论３．１相毕衡计算液相采用Ｗｉｌｓｏｎ榄型计算了乙酸。

水体系在常压下的相平衡，结果见　万方数据潮ｉ．图中还给穗了实验值、未考虑筏褐霉瑾憨往辩静计算结聚、“纯学淫论”计算终祭｝２Ｊ。

由第４期耿皎，等：露髓一承体系的相平衡及精馏过程模拟·４９３·圈ｌ甜见，乙酸一承体系的菲理想性强烈，｛十及汽糊藩理想性能使计算结果程实骏值蒋台良好；翔举｝｝爰汽稻｛｝璎惹注，约在ｏ｛＝０．８对，汽滚平衡线与ｙ＝ｚ线稽交，交点簸瘦寿共沸点，这和实验情况相背；将本方法与“化学理论”的计算结果相比，两者基本重台，说明本方法准确、简单且实用．此外，本文在考虑汽相缔台时邂采用不同的活腱系数模型如Ｍａｒｇｕｌｅｓ、ＮＲＴＬ方程计算了栩平衡，得出了朔Ｗｉｌｓｏｎ模型～致的结果，且务模型和实验憾闻能误差褰器攫零并襁遥，因藏选择嚣｛孛模型稳霹．３２精馏过程模拟计箅若先设寇精馏过程采用８０块理论塔授，考察进料板位鬣、回流比和避料组成等对模拟结果的影响，辩结果参见表１～表３表ｌ给出的是进料组成ｇ、＝０．５、回流比Ｒ＝２２时进料板位与馏出组成的关系．可见进料板位不同＋计算结果也不同，特别是对涛僬浓痉露言，鞠对变诧穰大，囊忿褥塞最佳避辩菝位在６５块瓣透，这与实琢塔媾瑟相符（实际塔的塔摄数为９。

时，进辩镬位在７５块附邂）遗料位粒离低还有另外的意义：迸辩板越牲上，说明精馏段各板的分离散率高，组分的榈对挥发度太；腻之，说明精馏段温度低，物系的相对挥发魔降低，分离困难，只有在温度较高的提馏段内，物系的相对挥发艘变大，分离才饔褥吝易本体系在兹２０块援斑各板豹浓度变化疆小，两盎醪～７０块板内浓发变诧很大。

袭ｌｚｔ＝０．５和赏＝２．２时进料缀位与馏出组成麓茉ＴａｂｌｅＬＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｔｈｅｆｅｅｄｉＩｌｇｐｌａｔｅｐｏｓｉｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｃ㈣ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｄｉｓｔｉｌｌａｔｅｉｎｔｈｅｃｏｌ砌ｎｏｆａｃｅｔｉｃａｃｉｄ２－ｗａｔｅｒｌｓｙｓｔｅｍｗ｝ＩｅｌＩ２ｉ＝０．５ｍａｄ曾１２．２Ｆｅｅｄｌｎ鼍》ｉｔｌｏｎ≮牌一篡嚣９‰等Ｂｏｔｔ…ａ－ｏＴｅｍｐ。

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ａｌｌｐ溢勰』ｔｒ、ＪｚＩ，【』ｔ＾，ｚｌ，Ｉ５５３７３．２８０．９８６８０９９Ｌ４３９０．９４０００８８００１６７６０３７３．２７０，９８８００９９２２３９０．９８０００８００．０１５２６５３７３．２６０．鳃８８Ｏ９９２８３９ｉ，０２Ｏ，∞７ｉ０，０１３４跫≥臻：堑！：！鹜２１：！￡ｉ！翌Ｑ：塑Ｑ：ｉ§！！Ｑ：女！§！髓：以上组成均为麂越分率．下同．浚２是当ｚ，＝０．５时回流比与塔顶出料的浓威关系可见，不同回流比下塔顶的浓度变化镍大，回流挖越大，分离精度越离，当进料量Ｆ＝１００ｋｍｏｌ／ｈ、ｚｌ＝０．５、进辩板挝为６７块时．强淡跑至步要这劐２，２孝糍使塔谈淫毒滚中承秘鼙乐分率这翳０．９９静生产饕求．寝３是当选到分离要求时，避辩组成与进辩板位（进料板位组成与进辩组成榴～致）、进料组成与所需的最低回流比的关系．遗里提出的最低回流比是指在一定的理论授数和进料组成的条件下，达到塔顶乙酸的摩尔分率低于０．Ｏｌ的要求时所需的回流比．从表３可以看出。

要选劐塔瑗承戆黪尔势率为０．９９静要求对，避謇串中零鳇浓度怒糕，送辩扳毽嚣裁越高，最低鞫瀛比亦越犬，警２ｌ＝０．０５时，Ｒ竞高达１５．８．这是因为避科缀位置上提，遗成精馏段变短，精馏段理论板数减少，各级闯浓度变化加大，嚣求塔板的分离效率提高，这就要求具有较大的回流比．在实际生产中，对高浓度乙酸的精馏往往采用加入第三组分（如乙酸异丙酯、乙酸燕丁酯）作为吸永剡进行耩镶，避免大回藏比下乙酸一承塔所需的塔径过大．对商水浓度送糕，装运到一定的分离要求群需的滔流篦较小，羹隧着求浓度的罐穰孬减，ｌ、。

穗疆凌币夫。

当低网流比时，很宽的一段塔体范嘲内的浓度变化较小，进料板位的选择范围也变宽，这时　万方数据－４９４·南京大学学报（自然科学）第３６卷塔内各级的努离效率将降低，精馏段控长，透辩校位置弼糯对较低．表２ｚ－＝Ｏ．５时回流比岛馏出液组成的美系Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｒｅｌａａｏｍｈｉｐｏｆ《ｈｅｒｅｆｌｕｘｒａｔｉｏｗｉｔｈｔｈｅ∞ｍ印萌ｌ如￥硝。

ｔｈｅｄｉｓｔｉｌｌａｔｅｉｎｔｈｅｃｎｌｍｎｎｏｆａｃｅｔｉｃａｃｉｄＥ－ｗａｔｅｒｊｓｙｓｔｅｍｗｈｅｌｌ＝ｔ＝０．５表３进辩疆成等进耩授靛、最低回瀛跑静差幕Ｔａｂｌｅ３Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｔｐｏｆｔｈｅｆｅｅｄｉｎｇｃｏｍｌｍｓｉｔｉｏｎｓ稍ｔｈｔｈｅｆｅｅｄｉｎｇｐｌａｔｅｐｏｓｉｔｉｏｎｔｈｅｍｉｎｉｍｍｎｒｅｆｌｍ【ｒａｔｉｏｉｎｔｈｅｃｏｌｍｎｎｏｆａｃｅｔｉｃａｃｉｄ２－ｗａｔｅｒｉ句ｓ耙瞰３．３实验验证该计算方法及栩虚计算结论已通过一个小型特嫱实瞳装置进行了实验验汪．精馏塔采　万方数据用填料型壤料为不锈钢３１６Ｌ丝网８环，其几俺罄寸为３ｎ－ｆｉｎ×５ｒｆｌｒｌ－ｔ．霹流／控制通过泡磁第４期耿峻，等：己酸一水体系的相平衡及精馏过程模拟式开关控制．其理论计算结果与实验结果的对比见表４所示．结果表明，理论计算结果具有怒够静准确性．端箨，零浮算方法与结果还与蠢美国Ｗｉｎｓｉｍ公司戆Ｄｅｓｉｇｎ珏积Ｈｙｐｒｏｔｅｃｈ公司的Ｈｙｓｉｍ过程模拟软件的计算结果进行了比较，结果显示，本文计算结果的准确性高于后两者．～般琏，在给定避辩浓度和分离要求下，圈流眈在３０－－４．０之间时，南本方法计算所撄妁承一乙酸体系糖馏爨霭理论扳数鳕比求考虑缔合作用的商业化过程摸拟软｜争计算的多３０％左右，这与实验结果是一致的表４鎏藏豫Ｒ＝３．０对讳算结鬃与实验结果地较Ｔａｂｌｅ４ＴｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｔｈｅｒｅｆｌｕｘｒａｔｉｏＲ＝３．３采５回流比Ｒ＝４．０时计算结粜与实验结果比较Ｔａｂｌｅ５Ｔｈｅ￡ｔｗａｐａｒｉｓｏｎｋｔｗｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｉｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ啦ｔｈｅｒｅｆｌｎｘｒａｔｉｏ爱＝４，０４结论４，ｌ掰“诧掌平鬻蓬论”｝｝及汽褪的非褒想毪，计算＝元乙酸一瘩体系鳇常鹾汽渡乎鬻楣图，并与实验值、非考虑汽相缔含肘的计算结果、“化学理论”计算结果等进行比较显示：采用“仡学平衡理论”方法计算能取得非常满意的结果：阊时说明了汽榴的菲理惹德薤影响准确表达乙酸。