含盐乙腈废水的分离模拟与优化

刘勇营，刘建君，姚卫国，杨大勇，郑瑞朋

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州310023）

含盐乙腈废水的分离模拟与优化

刘勇营，刘建君，姚卫国，杨大勇，郑瑞朋

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州310023）

利用Aspen Plus模拟软件对含盐乙腈废水采用双塔精馏流程进行分离模拟和优化。进料为100 kg/h，选择ENRTL-RK方程，模拟结果为：对于1#塔，理论塔板数为15块，进料位置为第7块，回流比2，操作压力0.140×105～0.148×105Pa；对于2#塔，理论塔板数8块，进料位置为第5块，回流比2，操作压力0.135×105～0.145×105Pa。利用灵敏度分析分析了回流比、进料位置、采出量对塔进行了优化，对于1#塔，进料位置第7块，回流比1.5，采出量25 kg/h；对于2#塔，进料位置第4块，回流比1.5，采出量10 kg/h。

模拟与优化;乙腈废水;回流比;进料位置;采出量

0 引言

乙腈作为重要的化工原料，主要用于溶剂或反应物。在溶剂回用或是副产物的分离过程中，经常需要与水进行分离回收，得到较高纯度的乙腈溶液[1-2]。

乙腈与水能形成二元共沸物，因此在进行分离的时候，常规的分离方法难以满足[3-5]。目前处理共沸体系物质常用的方法是萃取精馏和变压吸附精馏，两者的区别在于萃取精馏需要加入第三种物质形成最大共沸温度，变压吸附精馏要求该体系的共沸组成随压力的变化明显。侯涛[6]研究了乙腈-水变压精馏的过程模拟和优化，选用UNIQUAC物性方程，通过灵敏度分析研究了高压塔和低压塔的进料位置和回流比对分离效果的影响，模拟结果表明，高压塔的压力350 kPa，理论塔板数30，进料位置10，回流比在1.5，在塔底得到质量分数为99.7%的乙腈。何桃吉[7]研究了乙腈-水分离模拟和实验研究，采用WILSON方程对塔进行了模拟和优化，采用变压精馏方法，在低压塔得到99.9%的乙腈。崔现宝[3]研究了加盐萃取精馏分离乙腈-水体系，以氯化钙溶液质量分数为10%的乙二醇溶液为萃取剂分离乙腈-水体系，回流比为2，萃取剂比为1，得到摩尔分数99%的乙腈，回收率为85%。

针对某生产过程的含盐乙腈废水，回用后的乙腈要求质量分数要求70%，而且在废水中的乙腈含量为500 ppm下，才能进行脱盐过程，达到环保的排放标准。选用Aspen Plus软件对处理100 kg/h的含盐乙腈废水进行模拟，并且对回流比、回收率等指标进行优化。

1 工艺过程概述

该含盐乙腈废水的工艺流程图如图1所示。该精馏过程包括两个塔，1#塔与2#塔，其中1#塔回收质量分数70%左右的无水乙腈，塔底为含有一定浓度的废水，1#塔塔顶压力设置1.40×105Pa，塔釜压力1.48×105Pa；2#塔设置是为了更好的除去乙腈，在某些不正常生产的情况下保证废水中的乙腈含量为500 ppm下，2#塔塔顶压力1.35×105Pa，塔釜压力1.45×105Pa。

图1 含盐乙腈废水的工艺流程图Fig 1 The flow chart of salt-contained acetonitrile water process

2 精馏过程模拟

2.1 物性方法选择

对于含盐的乙腈废水，由于存在电离，溶液中存在离子，所以物性方法不能简单地选择NRTL,WILSON这样的物性方程[8-9]。对于含盐乙腈废水，需选择电解质模型，因此选择物性方程为ENRTL-RK。该物性方程是基于非对称NRTL物性模型。

2.2 精馏过程的模拟

根据前面所示的工艺流程图，在Aspen Plus中建立该过程的模拟流程，如图2所示。

图2 含盐乙腈废水模拟流程图Fig 2 The simulation flow chart of salt-contained acetonitrile water

其中1#塔进料在第7块塔板，理论塔板数15块；2#塔进料第5块塔板，理论塔板数8块。模拟的结果如表1所示。

表1 1#塔与2#塔的模拟结果Table 1 The simulation results of 1#and 2#column

在1#塔得到的废水中，乙腈的含量是952 ppm，2#塔得到的废水乙腈含量为463 ppm。对两个塔所需的热量进行计算，若以目前135℃的蒸汽为热源，所需要的蒸汽为95 kg/h。

3 灵敏度分析

在1#塔得到的废水中，乙腈的含量是816 ppm，2#塔得到的废水乙腈含量为367 ppm。对两个塔所需的热量进行计算，若以目前135℃的蒸汽为热源，所需要的蒸汽为95 kg/h。

对于精馏塔的优化一般包括塔板数、进料位置、回流比、采出率等因素。这几个工艺参数之间相互影响的关系如表2所示。

表2 精馏塔各工艺参数之间的相互影响关系Table 2 Mutual influence relations between the process parameters in tower

3.1 回流比的分析与优化

图3和图4是1#塔和2#塔乙腈含量和热负荷的关系。在精馏塔的设计和操作中，回流比是一个重要的因素。

图3 1#塔乙腈含量和热负荷随回流比的变化Fig 3 The reflux ratio refluence on the mass fraction of C2H3N and the heat duty in 1#tower

由图3可以看出，对于1#塔，随着回流比的增加，塔釜乙腈含量下降，热负荷增加。这是因为，随着回流比的增加，塔顶的回流更大，那么得到的组分就越轻，即得到纯度更高的乙腈，因此引起塔釜的温度升高，所需要的加热量越大，热负荷也越大。因此在达到分离要求的前提下，尽可能的选择较小的回流比。对于2#塔，其影响和1#塔基本一致。

图4 2#塔乙腈含量和热负荷随回流比的变化Fig 4 The reflux ratio refluence on the mass fraction of C2H3N and the heat duty in 2#tower

对比图3和图4，对于1#塔、2#塔，在满足2#塔乙腈含量为500 ppm以下，尽可能两只塔都选择最小的回流比，由图3、图4可知，在1#塔的回流比选择1.5，2#塔的回流比在1.5下，2#塔塔釜的乙腈含量是453 ppm。

3.2 采出比的分析与优化

在Aspen Plus中，进行灵敏度分析的时候，可以选择塔顶馏出物或是塔底馏出物作为变量进行分离分析。对于1#塔和2#塔，都选择塔顶作为灵敏度分析的自变量。图5是1#塔中塔顶采出量对乙腈含量和热负荷的影响，图6是2#塔中塔顶采出量对乙腈含量和热负荷的影响。

图5 1#塔乙腈含量和热负荷随采出量的变化Fig 5 The distillation rates change on the mass fraction of C2H3N and heat duty in 1#tower

由图5可知，随着1#塔塔顶采出量从25 kg/h增加到30 kg/h,塔的热负荷增加，乙腈含量较小。这是因为随着采出量的增加，即更多的轻组分从塔顶流出，因此需要的加热量也就越大，塔的热负荷就越大；采出量加大后，轻组分从塔顶更多地馏出，因此塔底的乙腈含量降低。对于2#塔，塔顶采出量从8～12 kg/h变化，塔的热负荷和塔底乙腈含量的变化趋势与1#塔相同。

图6 2#塔乙腈含量和热负荷随采出量的变化Fig 6 The distillation rates change on the mass fraction of C2H3N and heat duty in 2#tower

对比图5和图6，对于1#塔、2#塔，在保持其他条件不变的情况下，为使2#塔出口的乙腈含量达到排放要求，尽可能选择较小的采出量。因此1#塔选择25 kg/h,2#塔选择10 kg/h。

3.3 进料位置的模拟与优化

进料位置也是影响塔操作的重要参数，1#塔和2#塔进料位置变化对乙腈含量和再沸器热负荷的影响。进料位置对塔釜乙腈含量有着重要的影响。一般来说，进料位置过高和过低都会影响产品的质量。通常进料位置的选择应该避免波动较大的位置，避免出现更大的返混。

图7 1#塔进料位置对塔釜乙腈含量与再沸器热负荷的影响Fig 7 The feed stage changes on the mass fraction of C2H3N and heat duty in 1#tower

图8 2#塔进料位置对塔釜乙腈含量与再沸器热负荷的影响Fig 8 The feed stage changes on the mass fraction of C2H3N and heat duty in 2#tower

由图7可得，随着进料位置的增加，乙腈含量降低，热负荷增加，在第2块到第7块塔板之间，变化平稳。因此选择第7块塔板为进料位置。避免因为进料位置过高影响塔的操作情况。

从图8可以看出，随着进料位置的增加，热负荷增加，但是变化不是很大，乙腈含量随着进料位置的增加，先降低，后增加，在第4块塔板达到最小，并且热负荷也不是增加很多，因此选择第4块塔板为进料位置。

4 结论

对于含盐乙腈废水的模拟和优化，得到的结论如下：

（1）对于1#塔，随着回流比的增加，塔釜乙腈含量下降，热负荷增加；随着1#塔塔顶采出量从25 kg/h增加到30 kg/h，塔的热负荷增加，乙腈含量较小；随着进料位置的增加，乙腈含量降低，热负荷增加。因此选择回流比为1.5，塔顶采出量25 kg/h，进料位置选择第7块塔板。

（2）对于2#塔，随着回流比的增加，塔釜乙腈含量下降，热负荷增加；随着2#塔塔顶采出量从8 kg/h增加到12 kg/h，塔的热负荷增加，乙腈含量较小；随着进料位置的增加，热负荷增加，但是变化不是很大，乙腈含量随着进料位置的增加，先降低，后增加。因此选择回流比1.5，采出量选择10 kg/h，进料位置选择第4块塔板。

[1]杨君豪.乙腈的利用[J].江苏化工，1993，21（4）：1-4.

[2]赵俊彤.乙醇-乙腈混合物分离工艺研究及过程模拟[D].天津：天津大学，2013.

[3]崔现宝.加盐萃取精馏分离乙腈-水物系[J].石油化工，2007，12（36）：1229-1233.

[4]穆光照.实用溶剂手册[M].上海：上海科技出版社，1990.

[5]李忠杰.高纯乙腈制备工艺技术开发与应用[J].石油化工，2001，30（10）：785-788.

[6]候涛，高晓新.乙腈-水共沸体系的变压精馏模拟与优化[J].石油化工高等学校学报，2014，2（27）：42-45.

[7]何桃吉.乙腈-水共沸物分离的模拟与实验研究[D].天津:天津大学，2008：55-57.

[8]孙兰义.实用计算机化工过程模拟-Aspen Plus教程[M].北京：化学工业出版社，2010：24-30.

[9]马沛生.化工热力学[M].北京：化学工业出版社，2005：16.

Simulation and Optimization of Salt-Containing Acetonitrile Wastewater

LIU Yong-ying，LIU Jian-jun，YAO Wei-guo，YANG Da-yong,ZHENG Rui-peng
（Zhejiang Chemical Industry Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 310023，China）

In this thesis,Aspen Plus software was used to simulate and optimize the salt-contained acetonitrile water process.The feedstock was 100 kg/h.The ENRTL-RK properties were selected in the simulation.The results showed:to the 1#tower,at the pressure of 0.14×105～0.148×105Pa,the total stage was 15 at the seventh feed stage with the reflux ratio of 2,to the 2#tower,at the pressure of 0.1435×105Pa to 0.145×105Pa,the total stage was 8 at the 5th feed stage with the reflux ratio of 2.The sensitivity analysis was used to study the feed stage,reflux ratio,distillation rates in order to optimize the simulation.The results were as follows:to the 1#column,with the feed stage of 7th and the distillation rates of 25 kg/h,the total stage was 15 in the reflux ratio 1.5;to the 2#column,with the feed stage of 4th and the distillation rates of 10 kg/h,the total stage was 8 in the reflux ratio 1.5.

simulation and optimization;acetonitrile wastewater;reflux ratio feed stage;distillation rates

1006-4184（2017）10-0031-05

2017-07-18

刘勇营 （1983-）男，汉族，浙江宁波人，硕士，工程师，主要从事化工工艺和过程放大研究。E-mail：liuyongying@sinochem.com。

南京诚志永清能源采用霍尼韦尔突破性煤制烯烃技术生产塑料

南京诚志永清能源科技有限公司（以下简称“永清能源”）将采用霍尼韦尔UOP先进的技术建设第二套甲醇制烯烃（MTO）工艺装置。该装置可使用煤或其它原料制造甲醇，进而将甲醇转换成生产塑料的主要成分烯烃。与同类竞争技术相比，霍尼韦尔UOP的甲醇制烯烃技术所需的成本更低，烯烃产率更高。新的工艺装置坐落于江苏省南京市，年产能将达60万t，是永清能源2013年投产的装置的产能的两倍。霍尼韦尔UOP中国区副总裁兼总经理刘茂树表示：“霍尼韦尔UOP的甲醇制烯烃技术非常成熟，且在中国不断发展。我们预计，未来五年内，中国在煤化工技术上的投资将超过1000亿美元。相比其它甲醇制烯烃解决方案，霍尼韦尔技术能够通过更低的运营和资金成本、更少的甲醇和催化剂消耗，获得更高的乙烯和丙烯收率”。甲醇制烯烃工艺生产的烯烃不仅包括制造塑料广泛所需的两种原料--乙烯和丙烯，还包括制造橡胶产品所需的丁二烯前体。因国内对塑料和其他化学品的需求非常强劲，预计在未来十年，中国对这些烯烃的需求量将每年增长6%～7%，并且大部分需求将依赖国内资源进行生产以自给自足，甲醇制烯烃技术是需用到的生产技术之一。传统上这些烯烃都提炼自原油。而先进的甲醇制烯烃技术可使用煤或天然气等其它更经济的原料生产烯烃，尤其适合原油资源缺乏的国家和地区。霍尼韦尔UOP的甲醇制烯烃工艺可以将从煤或天然气中提取的甲醇高效转化为乙烯和丙烯。该工艺的核心便是UOP的专利催化剂，它能够帮助生产商高效地调整丙烯和乙烯的生产比例，更好的应对产品的需求变化。

（来源：http://www.honeywell.com.cn/news-center/press-releases/2017/q3/news_09282017_cn）

索尔维发布适用于电动汽车连接器的IxefR1524 PARA HFFR树脂

2017年10月23日,全球领先的特种聚合物供应商索尔维宣布推出IxefR1524 RD 001，一种含无卤阻燃剂（HFFR）、50%玻纤增强型的聚芳香酰胺（PARA）树脂，采用了与橙色信号灯相匹配的颜色，可用于高性能电动汽车（EV）充电连接器中。该材料在高刚度和高抗冲击强度之间取得了良好的平衡，在单一非卤化阻燃剂配方中同时实现了优异的抗蠕变性和耐温性。IxefR1524 RD 001可实现各种复杂设计以及更薄的壁厚，在玻璃纤维含量高达50%的情况下仍可加工出0.5 mm的壁厚，因而有助于节省材料并以较短的加工周期完成更轻质部件的高速注塑成型。IxefRPARA还以可提供富含树脂的高光泽表面而著称。 预复合IxefR1524 RD 001目前在全球范围内有售，可提供始终一致的RAL 2010色调稳定性，从而节省通常情况下配色所需的宝贵时间和人力。

（来源：http://www.solvay.cn/zh/binaries/171023_Solvay_launches_signal_orange_colored_Ixef_1524_HFFR_grade_CN-326718.pdf）