ASPEN PLUS模拟计算甲醇、水、乙腈三元体系的乙腈提纯

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。

原料首先进入脱氢氰酸塔，通过常压精馏从塔顶脱除一部分氢氰酸，塔底原料输往化学处理反应器内，由氢氰酸和丙烯腈在碱性，60~70℃环境下发生反应生成丁二腈，其他杂质也会在反应釜内进行脱除。

再通过常压精馏，将丁二腈从塔底脱除，剩下原料的组成主要由水和乙腈组成。

乙腈的优良的溶剂特性是不溶于水，有水的共沸物。

是在常压下的沸点约77℃和乙腈共沸物含量约为83%。

由于乙腈和水的共沸组成，纯蒸馏只能得到乙腈的83%左右，不能满足生产的需要。

本文采用变压精馏法将乙腈和水分离。

将剩余原料输入减压精馏塔内，塔顶得到含水量较低的水和乙腈的共沸物，然后将共沸物输入加压精馏塔内，塔顶蒸出含水量较高的水和乙腈共沸物，塔底可得到脱水后的高纯乙腈。

以上是工业精制乙腈的工艺流程，本文采用Aspen模拟，简单模拟实验流程如下：第一行采用简捷法精馏得出复杂精馏塔的参考数据，再按照提纯要求进行数据的具体修整。

1.4.2氢氰酸的脱除氢氰酸的脱除分为两步进行，第一步将95%的氢氰酸通过脱氢氰酸塔脱除，残余的微量的氢氰酸通过化学方法脱除。

1.4.3丙烯腈的脱除从脱氢氰酸塔出来的乙腈中还含有残余的氢氰酸和微量丙烯酸，很难用常规的精馏方法脱除。

但丙烯腈和氢氰酸在氢氧化钠存在下发生生成丁二腈，然后可以通过常规精馏手段除去。

·1.4.4水的脱除下图是乙腈-水二元共沸物的特性曲线从图中可以看出，乙腈-水共沸物与压力的变化，利用这个功能，你可以使用两种不同的操作压力蒸馏塔达到脱水的目的。

即粗乙腈在减压塔中精馏，塔顶部得到水和低含水乙腈共沸物，然后共沸混合物送入加压柱是蒸馏水是高水和乙腈共沸物，在塔底得到无水乙腈。

1.5物性模型选择Aspen Plus流程模拟软件自身拥有两套数据库即，美国化工协会物性设计院设计的DIPPR数据库和Aspen Tech自己开发的Aspen CD数据库，另外还包括很多如电解质、固体、燃料产品等专用的数据库；此外，Aspen Plus具有非常完备的物性系统，包括有机物、无机物、固体和电解质在内的多种基本物性参数。

UNIQUAC和UNIFAC 方程的参数也在数据库中，建模计算时可直接从数据库中调用。

同时软件还提供了几十种计算传递物性和热力学性质模型的方法，主要有计算理想混合物气液平衡的拉乌尔定律、烃类混合物的Chao-Seader、非极性和弱极性混合物的Redilch-Kwong-Soave、BWR-Lee-Staring、Peng-Robinsin。

对于强的非理想液态混合物的活度系数模型主要有UNIFAC、Wilson、NRTL、UNIQUAC。

Aspen Plus还提供灵活的数据回归系统，通过实验数据来求物性参数，可以回归实际应用中的任何类型的数据，计算任何模型参数。

本文选用软件中的NRTL模型计算得出的乙腈水共沸物的汽液平衡数据和文献值基本一致故在此次模拟中选用物性计算模型。

NRTL方程是基于局部组成和摩尔分数。

该模型能准确地模拟非理想溶液的气液平衡和液液平衡性质。

该模型需要二进制相互作用参数，而Aspen数据库包含大量二进制交互，它们从文献的实验数据中返回。

可应用于部分混相体系，液液平衡可与气液平衡相统一。

Renon和Prausnitz修正了局部组成表达式，并在双流体理论的基础上提出了NRTL方程。

1.6模拟参数精馏塔的简捷设计模块DSTWU是多组分精馏的简捷设计模块，针对相对挥发度近似恒定的物系开发，用于计算仅有一般进料和两股产品的简单精馏塔DSTWU模块用Winn-Underwood-Gilliland方法进行精馏的简捷设计计算，通过Winn方程（之后Fenske对Winn方程进行了完善）计算最小理论板数，使用Underwood方程计算最小回流比，根据Gilliland关联图来确定操作回流比下的理论板数或一定理论板数下所需要的回流比。

DSTWU模块计算精度不高，常用于初步错误，DSTWU模块的计算结果可为严格精馏计算塔提供合适的初值。

塔的级数是由冷凝器开始从上向下进行编号。

DSTWU模块要求一股进料、一股塔顶产品及一股塔底产品，其中，塔顶产品允许在冷凝器中分出水相。

每股流出热流包括再沸器货冷凝器的净热值。

如果再沸器使用了热流，那么冷凝器也必须使用热流。

RadFrac模块可对下述过程做严格模拟计算：普通精馏、吸收、气提、萃取精馏、共沸精馏、反应精馏（包括平衡反应精馏、速率控制反应精馏、固定转化率反应精馏和电解质反应精馏）、三相（汽-液-液）精馏。

RadFrac适用于两相体系、三相体系、窄沸点和宽沸点物系以及液相表现为强非理想性的物系。

RadFrac模块允许设置任意级数、中间再沸器和冷凝器、液-液分相器、中段循环。

RadFrac模块要求至少一股进料，一股气相或液相塔顶产品，一股液相塔底产品。

RadFrac模块允许塔顶出一股水，每一级进料物流的数量没有限制，但每一级至多只能有三股侧线产品（一股气相，两股液相），可设任意数量的虚拟产品流。

塔的级数是由冷凝器开始从上向上进行编号（如果没有冷凝器则从顶部级开始）。

1.7精馏过程优化精馏作为一种分离方法虽然在石油、化工等生产过程有着很重要的地位，但其在产品能耗中也占有很大的比例，精惯过程的节能越来越受到学者和专家的高度重视。

为了降低低精度系统的能量消耗，将降低其有效的能量损失：因为如果流体流动必须具有一定的压力作为驱动力，且压力越大，有效能量损失也就越大。

一般来说，塔板上液体层越厚，空气塔越高，板数越多，填料高度越高，压差越大，有效损失越大。

因此，减少有效能损失应增加塔径，减少板液层厚度，减少填料的高度，但必须增加设备投资，降低效率的托盘或填料理论板数，因此，需要考虑这些因素；，在塔再沸器为父亲，换热器和其他辅助散热设备的顶部，有一定的温度差为驱动力的需要。

显然，温差越大，有效能量损失就越大。

从而使换热负荷一定，可以增加换热面积，强化换热设备和换热系数，用新型换热设备来降低换热温差。

为了降低传热过程的效率损失，还应特别注意对各种加热介质的等级和冷却介质的使用，阶梯式传热的实施；对于传统的精密机塔，进、出各板的气相流动的成分和温度都在一个不平衡的状态，它们是直接混合的板，这是由内部的损耗性能的主要因素，造成塔的效率。

由于下一层的蒸汽比上板的液体温度高，挥发性成分的含量小于下游液体的平衡值。

因此，为了减少托盘上非平衡物流直接混合所产生的有效能量损失，必须减少板的传热传质。

这是由于操作线应接近平衡线，可以在过程中实现的，通过自身的热来实现；虽然节流膨胀过程是一样的过程，从热力学第一定律，它的热效率，但从热力学第二定律，它失去了相当多的工作能力。

一般来说，节流温度越低，节流膨胀后的有效能量损失越小，热力效率越高。

为了减小节流膨胀过程的有效能量损失，可以利用节流阀的初始温度来降低节流流量。

当初始温度较高时，必须使用高于或等于周围温度的临界温度作为工作流体。

1.8实验数据记录甲醇水乙腈三元体系数据脱甲醇塔数据减压精馏塔数据加压精馏塔数据工业模拟精馏数据脱氢氰酸塔数据由上图数据贴出了脱氢氰酸塔的塔数据，同时可以看出氢氰酸、丙烯腈大部分脱除，但含量还是较高，在反应釜反应生成丁二腈再脱除。

脱丁二腈塔数据上图可以看出丙烯腈、丁二腈乙腈基本脱除。

原料继续进入减压精馏塔。

减压精馏塔数据大部分水乙腈脱除。

继续进入加压精馏塔。

加压精馏塔数据精馏完成后，乙腈采出纯度为99.926%，基本达成高纯乙腈要求。

1.9其他杂质处理粗乙腈中一般含有0.1%～0.2%的醛酮杂质。

由于醛酮会在200nm～260nm产生紫外吸收，用作紫外线截至小于190nm的HPLC溶剂等应用时，会严重影响分析的灵敏度和准确性,必须除去。

通过加入强氧化剂和碱，使醛酮等杂质反应生成羧酸和羧酸盐高沸物，这些高沸物会在精馏中除去。

反应原理如下:CH2=CHCH2CHO+KMnO4+Na OH→CH2=CHCH2COONa。

（2-10）CH2=CHCH2CHO+KMnO4+Na OH→CH2=CHCOONa。

（2-11）噁唑和烯丙醇的去除高纯乙腈需要唑＜001%质量分数。

在实际生产中，从丙烯腈厂恶唑质量分数往往高达0.5%。

乙腈精制工艺，在微量唑量粗乙腈会在系统中积累，影响产品纯度。

烯丙醇是一种高度刺激性毒物，1%以上的内容，甚至更少，也会刺激眼睛和鼻子，手术有各种各样的不良影响，而唑和烯丙醇的紫外线吸收强，必须删除硫酸粗乙腈添加删除唑和烯丙醇。