邻/对氰基甲苯的精馏工艺研究

雷洁琼，雷浩驰，杜蕾(.西安道特石化工程有限公司，陕西 西安 70077；.中煤陕西榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 79000；.西安航天源动力工程有限公司，陕西 西安 7000)

0 引言

近年来，邻(对)氰基甲苯在国内的需求逐年递增，它广泛应用于药物、染料等生产中，是一种良好的中间体，但对其反应产物的分离工艺研究较少。本文的研究对象是采用工业下脚料合成的邻(对)氰基甲苯，目的是获得纯度为99%的邻氰基甲苯和对氰基甲苯。

1 邻/对氰基甲苯的精馏工艺原料及产品

由于合成邻氰基甲苯和对氰基甲苯的原料为工业下脚料，其产物组分繁杂，且不确定性颇大，由此导致精馏设计的难度较大[1]。本文对业主所提供的邻/对氰基甲苯原料，采用气质联用进行定性、定量分析，获得比较准确的原料组成[2]。邻氰基甲苯模拟的原料组分为：轻组分0.12%，溶剂63.89%，中间杂质0.01%，邻氰基甲苯23.65%，间氰基甲苯0.79%，重组分杂质9.5%；对氰基甲苯模拟的原料组分为：轻组分0.24%，溶剂66.07%，中间杂质1.062%，间氰基甲苯1.28%，对氰基甲苯25.13%，重组分杂质5.07%。原料中邻氰基甲苯与间氰基甲苯为同分异构体，物理化学性质相似，沸点相近，是原料中难以分离的组分[3]。

2 邻/对氰基甲苯的精馏工艺流程模拟

2.1 化合物选择

根据检测分析结果，结合PRO Ⅱ的数据库，发现部分组分不在PRO Ⅱ的数据库中，由此造成工艺模拟计算的复杂性及不确定性。本次工艺模拟时对部分组分结合小试实验结果及文献资料查阅采用PRO/Ⅱ内置的TDM 程序对其建立组份库，对其各组分未知的物性采用UNIFAC 方法进行预测[4]。

2.2 热力学方法的选择及确立流程

根据工艺原料组分和产品的物性及以上因素的考虑，选择SRKM 和NRTL 方法为模拟热力学方法。SRKM 方程对烃/醇等极性/非极性物系的计算都优于PR 立方型状态方程和SRK立方型状态方程。NRTL 采用局部组成概念，能成功预计多种极性体系的相平衡[3]。

2.3 物系传递性质

由于Pro/II 软件模拟计算过程中，不同传递性质计算方法对平衡计算的影响不大，故一般用Pro/II 软件内默认的计算方法[4]。传递性质遵循如下原则：(1)混合物性则采用混合规则来进行计算；(2)纯组分性质一般由半经验方程或经验方程计算[5]。

2.4 模拟流程的建立

在选择好热力学方程后，根据对原料组分物性的了解所设计的邻/对氰基甲苯精馏工艺流程，在PRO/Ⅱ流程模拟软件界面建立相应的工艺模拟流程。其建立的模拟工艺流程如图1 所示，其后输入相应的操作参数，对其工艺进行模拟优化研究[6]。

图1 工艺模拟流程

3 邻/对氰基甲苯的精馏工艺流程模拟计算及结果分析

3.1 操作压力的确定

(1)脱轻塔的压力的确定。在常压下，邻氰基甲苯的沸点是205 ℃、对氰基甲苯的沸点是217.59 ℃；且当操作温度达到160 ℃以上时会发生结焦现象，故需控制其精馏温度低于160 ℃。不同塔顶压力下塔釜温度的变化关系图如图2 所示[7]。

图2 脱轻塔塔顶压力与塔釜温度关系图

由图2 可看出当塔顶压力降低到10 kPa 时，塔釜温度处于157.8 ℃。当压力在继续降低，对精馏操作不会产生明显影响，反而加大了真空的设备条件与操作难度，最终确定脱轻塔塔顶压力为10 kPa[8]。

(2)产品塔的压力确定。产品塔的压力确定同脱轻塔，产品塔的塔顶为目标产品，其纯度为99%以上，塔釜为高沸物杂质。因塔釜高沸物的存在，在精馏过程中要达到平衡状态，塔釜为泡点操作，必然导致全塔温度升高。由于原料所含组分中重组分在高温下易发生结焦、聚合，不仅影响产品质量，同时还导致塔内堵塞，气液无法进行传质，真空度更低。最终经过综合模拟分析，产品塔塔顶压力控制5 kPa。

3.2 理论级及回流比的确定

本文通过邻/对氰基甲苯原料的工艺模拟计算确定了两台塔的最佳理论级及回流比[9]。

当脱轻塔的理论板数减少至25 块时，脱轻塔无法收敛，对应的回流比为3。结合原料组分的物性特点，因其中间杂质含量波动大，但沸点差特别小，容易夹带在产品中，对产品纯度造成影响，故在脱轻塔中必须要将其除去。脱轻塔须留有足够余量，以应对原料中中间杂质的浮动，为了保证分离要求，选R=4.9，理论板数约为45 块。

当产品塔理论板数减少至20 块时，产品塔无法收敛，对应回流比为5.9。根据原料中高沸点杂质的物性，其中含有微量杂质的沸点与产品沸点非常接近，为避免因上游原料组分的波动影响产品纯度。最终确定产品塔R=10，理论板数为45块[10]。

3.3 进料位置的确定

采用PRO/Ⅱ内置的优化器对脱轻塔的进料位置进行优化，以进料位置为变量，再沸器负荷作为目标函数。当最佳进料位置时，其再沸器负荷最小，耗能最低；若进料位置不佳，可能导致逆向蒸馏，耗费更多能量。最终确定脱轻塔和产品塔的最佳进料板分别是第15 块板和第31 块板[11]。

3.4 最佳工况参数的确定

通过以上对两塔操作条件的模拟分析，确定操作条件后对其整体模拟，给出脱轻塔和产品塔的最佳工况下的工艺参数如表1 所示。

表1 最佳工况下工艺参数

4 结语

通过邻/对氰基甲苯混合物系的组成分析、分离工况研究及工艺模拟计算，确定对邻/对氰基甲苯的提纯采用双塔减压精馏工艺，成功的从混合物料中分离出纯度为99%的邻/对氰基甲苯产品，不但对该产品进一步扩大规模生产提供了设计依据，而且其工艺模拟计算方法对其他同类物系的分离提纯也具有一定的参考意义。脱轻塔和产品塔的操作条件如下：

(1)脱轻塔和产品塔操作压力分别为10 kPa 和5 kPa；

(2)脱轻塔和产品塔最小理论级分别为25 和20；

(3)脱轻塔和产品塔最小回流比分别为3 和5.9。