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≤20

0.781~0.7840.781~0.7840.781~0.784

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≤0.5

W（氢氰酸）/%≤0.001≤0.002

W（氨）/%≤0.0006≤0.0006

W（丙酮）/%≤0.005≤0.005≤0.005

W（丙烯腈）/%≤0.01≤0.03≤0.05

W（重组分（含丙腈））

≤0.1≤0.5

/%

W（铁）/%≤0.00005≤0.00005

W（铜）/%≤0.00005≤0.00005

纯度/%≥99.5≥99.0≥98.0

1.4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）。