氯乙烯精馏过程Aspen模拟

韩 飞

(长安大学理学院，陕西西安 710064)

近些年来，随着工业和经济的发展，市场对聚氯乙烯(PVC)的需求快速增加，应用范围也在逐步提高，国内的PVC产量已经逐渐不能迎合市场的需求［1］，而改良生产PVC的装置成为一个可行的突破口［2］。在生产PVC的时候，尤其是氯乙烯的精馏，是非常关键的一个过程［3］。以往的科学家为了讨论不同的热力学模型，用了很多不同的化工流程模拟软件，做了精馏塔物料衡算及精馏塔热量的衡算［4-7］，可极少有人对操作参数是否会影响整个系统做出研究分析。

本文将以化工过程模拟软件Aspen Plus为工具，研究氯乙烯分离工艺，建立粗氯乙烯的流程模拟系统［8-9］。分析讨论操作参数是否会影响整个系统。

1 精馏塔的模拟分析

恰当的选择一个热力学模型，可以大大提高计算的物性的精确度［10］，甚至会影响到模拟结果的精确程度。Aspen Plus软件提供的有通用化学方程(UNIQUAC)、有规双液方程(NRTL)以及威尔逊方程(Wilson)。该体系的分离模拟计算，以上3种模型都适用，而利用NRTL模型计算的结果最佳。

表1 低沸塔及高沸塔输入数据Table1 The input data of low boiling tower and high boiling tower

图1为氯乙烯精馏工艺流程简图。

图1 精馏塔工艺流程图Fig.1 The process flow diagram of distillation column

粗氯乙烯首先进入低沸塔(T1)，从塔釜输出经缓冲槽(B)进入高沸塔(T2)。进料液中VC摩尔分数为 98.76%;重组分为 1，2-二氯乙烷(EDC)，摩尔分数为0.53%;轻组分为乙炔 (C2H2)，摩尔分数为0.11%;其余为水。其中C2H2等低沸点杂质通过T1首先从塔顶被采出，EDC等高沸点杂质经高沸塔从塔釜吸收，最后精VC由高沸塔塔顶产出。使用Aspen Plus中的灵敏度分析模块，可以方便的确定过程对关键操作变量和设计变量的对应关系。其中涉及到的灵敏度参数有回流比R、馏出比D/F以及进料位置F。

1.1 低沸塔灵敏度分析

1.1.1 馏出比和塔顶氯乙烯摩尔分数的关系 由图2可知，随着馏出比的增加，塔顶氯乙烯摩尔分数快速上升，并在0.3处达到最高，之后氯乙烯含量趋于稳定，不再增加。

图2 低沸塔馏出比和塔顶氯乙烯摩尔分数的关系曲线Fig.2 Relation between distillate to feed ratio and VCcontent at the tower top for the low-boiler tower

1.1.2 馏出比和塔釜出料氯乙烯摩尔分数的关系见图3。

由图3可知，随着馏出比增加，塔釜VC的摩尔分数短暂的上升，D/F=0.3时达到最大值，然后随着D/F的增大而不断减小。故馏出比0.3时为最佳。

图3 低沸塔馏出比和塔釜氯乙烯摩尔分数的关系曲线Fig.3 Relation between distillate to feed ratio and VCcontent at the tower bottom for the low-boiler tower

1.1.3 回流比R 规定塔板数和进料位置，回流比增加，将导致塔釜温度降低影响塔底产品的纯度;减小回流比R，会导致气液相间传质推动力减小，无法保证产品质量，低沸塔选定在第二块板进料，对冷凝器再沸器换热量的灵敏度分析表明，最佳回流比为0.8。

1.1.4 进料位置F 随着进料板的位置下降，塔釜VCM含量逐渐增加，塔顶VCM含量逐渐减小，但再沸器热负荷逐渐增加。因此，在保证塔釜出料纯度的前提下，尽量降低低沸塔的操作费用，选择在第二块塔板进料是最合适的。

1.2 高沸塔灵敏度分析

1.2.1 D/F和高沸塔塔顶氯乙烯摩尔分数关系见图4。

图4 高沸塔馏出比和塔顶氯乙烯摩尔分数的关系曲线Fig.4 Relation between distillate to feed ratio and VCcontent at the tower top for the high-boiler tower

由图4可知，馏出比的增加导致塔顶纯度先线性增加，在D/F 0.95时达到最大值，之后下降。故而最佳馏出比取0.95。

1.2.2 高沸塔回流比 回流比增加，塔顶VCM 纯度提高，塔釜出料VCM含量逐步降低，相应的再沸器和冷凝器的换热量也逐渐增大。但回流比大于0.9之后，塔顶出料VCM纯度变化不大，而冷凝器和再沸器负荷增加较多。考虑到减少高沸塔的操作费用，选取0.9作为最佳回流比。

1.2.3 高沸塔进料位置 塔顶氯乙烯浓度在进料位置大于第四块板以后趋于稳定，且在第四块板处达到最大，故取第四块板为高沸塔进料位置。

2 模拟优化结果

模拟优化结果见表2。

表2 低沸塔及高沸塔优化结果Table2 Low boiling tower and high tower’s optimization results

3 结论

应用Aspen Plus对氯乙烯精馏的低沸塔和高沸塔进行了模拟分析。结果表明，低沸塔进料位置在第二块板时最佳，馏出比由0.25优化到0.3，回流比由0.5优化到0.8;高沸塔优化为第四块板进料，馏出比从0.93优化到0.95。回流比从0.8优化到0.9。

［1］ 钱伯章，朱建芳.聚氯乙烯的市场分析和技术进展［J］.中国氯碱，2005(11):1-5.

［2］ 刘志强.如何看待电石法 PVC发展［J］.聚氯乙烯，2006(6):45-46.

［3］ 王伯英.聚氯乙烯大全(第二卷)［M］.北京:化学工业出版社，1985.

［4］ 王文庆，李延辉.Aspen软件在大型聚乙烯装置上的应用［J］.合成树脂及塑料，2004，21(3):43-46.

［5］ 杨国恒，彭昌军，何秉忠.氯乙烯精馏塔的计算［J］.武汉化工学院学报，1999，21(4):13-16.

［6］ 吴雪妹.氯乙烯精馏中低沸塔系统的物料衡算电算法［J］.聚氯乙烯，2001(1):49-56.

［7］ 廖丽华.氯乙烯精制装置流程模拟［J］.氯碱工业，1994(11):22-23.

［8］ 赵琛琛.工业系统流程模拟利器Aspen Plus［J］.电站系统工程，2003，19(2):56-58.

［9］ 谢安俊，刘世军，张华岩，等.大型化工流程模拟软件Aspen Plus［J］.石油与天然气化工，1995，24(4):247-251.

［10］戚一文，放运进.物性估算在 ASPEN PLUS软件中的应用［J］.浙江化工，2007，38(1):9-11.