偏氟乙烯精馏的Aspen Plus模拟分析

2014-10-11钟益堂

化工生产与技术 2014年4期

钟益堂

（中昊晨光化工研究院有限公司，四川自贡 643201）

偏氟乙烯（VDF）是含氟有机化合物生产中仅次于四氟乙烯规模生产的单体[1]。主要用于合成聚偏氟乙烯（PVDF）。PVDF具有良好的化学稳定性、集中应用于石油化工、电子电气和氟碳涂料3大领域。VDF易与乙烯、三氟氯乙烯、四氟乙烯、六氟丙烯、氟乙烯、含氟烷基乙烯基醚等发生共聚反应，制备特种氟橡胶应用于汽车、飞机、火箭等行业。PVDF树脂还可以与其他树脂共混改性，如PVDF与ABS树脂共混得到复合材料，已经广泛应用于建筑、汽车装饰、家电外壳等[2]。

Aspen Plus是美国Aspen技术公司20世纪80年代初推向市场、具有准确单元操作模型和最新计算方法的大型工艺流程模拟计算软件[3－4]。本文应用Aspen Plus模拟软件对VDF精馏系统中的精馏塔进行了静态模拟，并对进料位置NF、回流摩尔比R、馏出摩尔比D/F等操作参数做了灵敏度分析。

1 工艺流程及工艺参数

VDF精馏系统由脱高塔、脱轻塔、精馏塔及回收塔组成，粗产品VDF进入脱高塔除去高沸物，再进入脱轻塔除去低沸物，然后进入精馏塔精制VDF，釜液进入回收塔进行回收。精馏塔进料液中VDF、二氟一氯乙烷（HFC-142b）摩尔分数分别为90.80%、9.20%，进料摩尔流量为10.388 kmol/h，温度-5℃，压力1.80 MPa；进料位置在第38块塔板，塔板数为48；塔顶操作压力为1.60 MPa，全塔压降为50 kPa。

2 热力学模型选择

Aspen Plus提供了理想模型、状态方程模型、活度系数模型、特殊模型等多种物性模型[5]。选择合理的物性方法经常是决定模拟结果的精确度的关键步骤。该模拟系统中2组分具有一定的互溶性，选用NRTL方程建立本系统的活度系数模型进行关联计算[6-7]。用NRTL方程计算的结果与实际生产符合很好。其他物性的计算均采用本软件默认值。

3 灵敏度分析

Aspen Plus提供的灵敏度分析（Sensitivity）可以检验过程改变是如何对关键操作变量和设计变量产生影响。灵敏度分析是进行工况研究最有用的工具之一。用它对该模拟过程的进料位置NF、回流摩尔比R和馏出摩尔比D/F操作参数进行了分析研究。

3.1 进料位置NF

在保证分离效果的情况下，最佳进料位置对应其最小的回流比和最小的再沸器热负荷，故优化时首先应该分析进料位置NF。用塔釜再沸器热负荷来衡量进料位置的优劣。图1是精馏塔釜再沸器热负荷Q与进料位置NF的关系。

从图1可以看出，塔釜再沸器热负荷随着NF的增加先逐渐减小，然后再剧烈增大。当进料位置在第18～44块板时，再沸器热负荷基本保持不变。综合考虑在保证塔顶出料纯度和尽量降低操作费用的条件下，选择第32块板进料为最优。

图1 塔釜Q与进料位置NF的关系Fig 1 Relationship of tower kettle Q with the feed position NF

3.2 回流比

增大回流比使产品的质量上升，减少回流比使产品的质量下降。但是塔的冷凝器和再沸器的热负荷会随着回流比的增大而增加，操作费用也随之增加。因此选择一个适宜的回流比可以降低精馏塔的操作费用。图2是塔顶VDF质量分数w(C2H2F2)与回流比摩尔R的关系。

图2 塔顶VDF质量分数与回流摩尔比的关系Fig 2 Relationship of VDF mass fraction in tower top with reflux mole ratio

从图2可以看出，精馏塔顶馏出物中的偏氟乙烯VDF质量分数随着回流比的增加先逐渐增大，当回流比大于0.1时，VDF质量分数都保持分离所要求的99.99%以上。回流比减小会导致气液相间的推动力减小，所以回流比R也不应该过小。分析得到适宜回流摩尔比为0.12。

3.3 馏出比

馏出摩尔比D/F对满足生产要求和减少热负荷都有重要的影响。对精馏塔的馏出比进行灵敏度分析。图3是塔顶VDF质量分数与馏出摩尔比D/F的关系。

图3 塔顶馏出比与VDF质量分数关系Fig 3 Relationship of distillate ratio in tower top with VDF mass fraction

由图3可以看出，随着馏出比的增大，塔顶产品VDF的质量分数先不变后减少。并且当馏出摩尔比在0.7～0.9时，塔顶VDF的质量分数基本保持不变，都满足VDF的分离要求在99.99%以上。而当馏出摩尔比大于0.9时，塔顶VDF的质量分数迅速减小不能满足分离要求。考虑到尽量满足生产要求和经济效益，可知0.89是合适的馏出摩尔比。