（華東理工大學(xué)工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200237）

關(guān)鍵字：原料藥；帶水劑；模擬優(yōu)化

原料藥生產(chǎn)中，常在蒸餾或精餾時加入溶劑帶水，將體系中的水移出體系。加入的溶劑被稱為帶水劑（又稱攜水劑、脫水劑）。具體分析帶水劑使用工況，可分為兩類。

一類是反應(yīng)時帶水，常見于酯化反應(yīng)。酯是由羧酸和醇在酸催化下，羧酸中的羥基被烴氧基取代的可逆反應(yīng)制得的產(chǎn)物[1]。反應(yīng)有水生成。加入帶水劑將生成的水及時移出反應(yīng)體系，即反應(yīng)體系中水量減少，使反應(yīng)物濃度提高，從而加快了反應(yīng)速度；另外有機(jī)化學(xué)反應(yīng)常伴有副反應(yīng)發(fā)生.加入帶水劑降低了酯化反應(yīng)體系的溫度，可以抑制副反應(yīng)的發(fā)生，提高原料的利用率。

另一類是精制時帶水，常見于后處理精制工段。體系中含產(chǎn)物、雜質(zhì)、水，從熱力學(xué)上三者能形成二元或三元共沸物，很難通過蒸餾或精餾分離；在溶解度上三者混溶或部分互溶，很難通過分層分離。加入帶水劑能打破原有的熱力學(xué)平衡，帶水劑能與水成共沸物而將水及時帶出反應(yīng)體系[2]。

如何選擇帶水劑，簡單定性來說，加入的帶水劑應(yīng)具有如下特點：

（1）帶水劑能與水形成共沸物，并且共沸溫度要適中。溫度太高，對蒸餾加熱介質(zhì)溫度和加熱設(shè)備要求較高，投資成本高；溫度太低則不便于冷凝回收，易產(chǎn)生VOCs，對環(huán)境造成污染。

（2）帶水劑與水之間的相互溶解度較小，能通過分層操作，實現(xiàn)帶水劑和水的分離。這樣隨帶水劑返回體系的水少，能加快分水速率。同時分離出的水中溶解的帶水劑少，減輕廢水處理難度。

（3）帶水劑與產(chǎn)物應(yīng)容易分離。帶水劑與產(chǎn)物一般通過精餾方式分離，選擇的帶水劑與產(chǎn)物應(yīng)有較大揮發(fā)度差異，便于精餾分離。

（4）帶水劑應(yīng)選用環(huán)保型溶劑。苯、氯仿、四氯化碳等溶劑毒性較高，溶劑的閾限值較低[3]，易引起人員中毒，不宜選用。

由上可見，帶水劑的選用是原料藥生產(chǎn)實現(xiàn)綠色工藝的關(guān)鍵因素之一，同時帶水過程往往能耗較高，選用合適的帶水劑可降低原料藥制造成本，提高產(chǎn)品競爭力。

原料藥生產(chǎn)中常用的帶水劑有甲苯、二甲苯、環(huán)己烷、二氯甲烷。

甲苯為無色澄清液體，有苯樣氣味，有強折光性，極微溶于水，相對密度 0.866，凝固點-95℃，沸點110.6℃。甲苯衍生的一系列中間體，廣泛用于染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、火炸藥、助劑、香料等精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)，也用于合成材料工業(yè)。

二甲苯為無色透明液體，有芳香烴的特殊氣味，不溶于水，沸點為137～140℃，二甲苯屬于低毒類化學(xué)物質(zhì)。廣泛用于涂料、樹脂、染料、油墨等行業(yè)做溶劑；用于醫(yī)藥、炸藥、農(nóng)藥等行業(yè)做合成單體或溶劑。

環(huán)己烷為無色有刺激性氣味的液體，不溶于水，溶于多數(shù)有機(jī)溶劑，極易燃燒，常規(guī)用作一般溶劑、色譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及用于有機(jī)合成，可在樹脂、涂料、脂肪、石蠟油類中應(yīng)用，還可制備環(huán)己醇和環(huán)己酮等有機(jī)物。

二氯甲烷為無色透明液體，具有類似醚的刺激性氣味。微溶于水，溶于乙醇和乙醚，是不可燃低沸點溶劑?？捎糜谠谥扑幑I(yè)的反應(yīng)介質(zhì)，用于制備氨芐青霉素、羥芐青霉素和先鋒霉素等。

目前對原料藥生產(chǎn)中帶水劑選用進(jìn)行模擬優(yōu)化的定量研究較少，本文以藥廠中常用的帶水劑甲苯、二甲苯、環(huán)己烷、二氯甲烷為例介紹Aspen Plus模擬在帶水劑選用的應(yīng)用。

1 工況分析

某原料藥生產(chǎn)中的酯化工段，一批物料酯化會產(chǎn)生400 kg 水。反應(yīng)物與水形成共沸物，共沸溫度為95℃，且反應(yīng)物和產(chǎn)物在水中溶解度較大，難以分層分離。需在反應(yīng)中加入帶水劑，加熱回流帶水。實驗時采用甲苯、二甲苯、環(huán)己烷、二氯甲烷作為帶水劑，均有帶水作用。但對于放大到生產(chǎn)的帶水效果，缺少數(shù)據(jù)，需要模擬優(yōu)化。

2 帶水過程分析

用反應(yīng)釜直接蒸餾帶水會導(dǎo)致反應(yīng)物被帶出，因此采用精餾。裝置示意如圖1所示。

圖1 裝置示意Fig.1 Schematic diagram of installation

帶水劑帶水過程可分為以下幾步：

（1）剛開始時反應(yīng)釜加熱，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，水分隨即增加。

（2）全塔全回流，建立全塔的穩(wěn)定溫度梯度和濃度梯度。塔頂為高純度共沸物（帶水劑、水）。

（3）采出共沸組分，冷凝后靜置分層。分層的有機(jī)相主要為帶水劑，返回反應(yīng)釜內(nèi)繼續(xù)帶水。水相采出去為廢水。

（4）隨著水分的持續(xù)采出，反應(yīng)平衡進(jìn)一步向正反應(yīng)方向推動。

（5）回流分水一段時間后，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化完全，帶水過程結(jié)束。

3 模型的建立和驗證

熱力學(xué)方法是影響模擬計算的關(guān)鍵因素。在Aspen Plus中設(shè)置很多個物性方程可供選擇，較為常用的是Wilson，NRTL和UNIQUAC。

NRTL物性方程適用于極性物系、低壓體系、有交互參數(shù)化及液液平衡數(shù)據(jù)的體系[4]。

本工況的帶水劑-水系均為常壓體系。常用介電常數(shù)表示溶劑的極性，20℃時水的介電常數(shù)為80，因此該體系屬于極性體系，選用NRTL物性方程較合理。

查詢?nèi)軇┦謨?，得到甲?水的共沸物數(shù)據(jù)[5]，同時Aspen 查詢共沸物組成，如表1所示。

1.2.2 不同培養(yǎng)時間PS液體培養(yǎng)法產(chǎn)孢量測定。采用上述PS液體培養(yǎng)法，培養(yǎng)甘薯黑斑病菌。每1、2、3、4 d取出3瓶培養(yǎng)液，每瓶培養(yǎng)液制片3張，測量孢子懸浮液中目鏡10倍及物鏡20倍顯微鏡下一個視野的孢子數(shù)，不同培養(yǎng)條件下的產(chǎn)孢數(shù)。以上述對照組①和對照組②方法培養(yǎng)5～6 d作為處理對照。

表1 甲苯-水共沸物組成和共沸溫度Tab.1 Toluene-water azeotrope composition and azeotrope temperature

可以看到溶劑手冊中的甲苯-水的共沸溫度為84.1℃，甲苯含量86%。選用NRTL物性方程，查詢的共沸溫度為84.39℃，甲苯含量為81%。共沸溫度基本一致，共沸組分稍有偏差，結(jié)果很接近。證明該物性方程準(zhǔn)確，能夠用于甲苯-水體系的模擬優(yōu)化。其他幾種帶水劑-水體系的驗證也基本相同，不再重復(fù)敘述。

4 模擬優(yōu)化

在設(shè)備加熱能力一定條件下，帶水劑效率直接決定了酯化反應(yīng)時間，帶水效率高可縮短操作時間，減少設(shè)備數(shù)量，節(jié)省設(shè)備投資成本。同時帶水效率提高，也能夠節(jié)約蒸汽、循環(huán)水、低溫水的用量，降低公用工程的成本。這些因素中公用工程成本是關(guān)鍵指標(biāo)。

另一方面，分出水相中會含有帶水劑，需要去污水站進(jìn)行處理。因此廢水中COD也是關(guān)鍵指標(biāo)。

因此，將帶水過程公用工程成本和廢水COD作為指標(biāo)，衡量帶水劑的帶水效果。

首先假定帶水劑用量采用1倍水量，即400 kg帶水劑，得到不同帶水劑公用工程消耗量如表2所示。

表2 不同帶水劑公用工程的消耗量Tab.2 Consumption of utility for different water-carring

可以看到，二甲苯的帶水公用工程消耗量最少。二氯甲烷帶水公用工程消耗量最多。分析原因，可發(fā)現(xiàn)二氯甲烷-水共沸組成中水含量僅為1.5%，相當(dāng)于帶水過程中每汽化100 kg 共沸物，有98.5%都是二氯甲烷，大量的二氯甲烷被反復(fù)汽化冷凝，消耗了大量能量。而且二氯甲烷-水共沸溫度為38.1℃，沸點較低，需大量低溫水的負(fù)荷才能全部冷凝。反觀二甲苯-水共沸組成中含水29%，是幾種帶水劑中最高的。這也是二甲苯帶水效率高的主要原因。

為了更直觀地比較公用工程成本，把蒸汽、循環(huán)水、低溫水折算為公用工程成本進(jìn)行比較。取蒸汽210元/噸，循環(huán)水0.3元/噸，低溫水1.1元/噸。得到幾種帶水劑公用工程成本如表3所示。

表3 不同帶水劑公用工程成本Tab.3 Utility costs for different water-carrying agents

將不同帶水劑產(chǎn)生的廢水COD進(jìn)行比較，得到表4。

表4 不同帶水劑產(chǎn)生廢水CODTab.4 Waste water COD for different water-carrying agents

可以看到，環(huán)己烷帶水產(chǎn)生的廢水COD最低，為81 mg/L。二氯甲烷帶水產(chǎn)生的廢水COD最高，為1 029 mg/L。二甲苯帶水產(chǎn)生的廢水COD居中。目前醫(yī)藥企業(yè)污水站接收污水COD范圍3 000～5 000 mg/L。二甲苯帶水產(chǎn)生的廢水COD 在可接受的范圍內(nèi)。

綜合帶水過程公用工程成本和廢水COD，本工況應(yīng)選擇二甲苯作為帶水劑。

在選定帶水劑后，調(diào)整帶水劑用量，考查帶水劑的用量對帶水效果、帶水成本的影響。

本文把不同二甲苯用量情況下的帶水公用工程成本進(jìn)行比較，得到表5。

表5 不同二甲苯用量的帶水公用工程成本Tab.5 Cost of utilities for different xylene dosages

由表5可發(fā)現(xiàn)，隨著帶水劑用量的增加，帶水效果沒有提高，公用工程成本也沒有隨之降低，這是因為帶水劑在體系中是反復(fù)汽化冷凝循環(huán)使用的，只要帶水劑的用量能建立起全塔溫度和濃度分布就足夠，額外補充帶水劑既無法提高帶水效果，也無法降低帶水成本。而且加入的帶水劑最終都要以精餾形式采出，多加入的帶水劑反而會耗費更多的回收成本。

5 結(jié)論

基于工廠實際工況，對帶水劑甲苯、二甲苯、環(huán)己烷、二氯甲烷精餾帶水過程進(jìn)行模擬優(yōu)化。對比共沸溫度和共沸組分，驗證了物性方程的準(zhǔn)確。以帶水過程公用工程成本和廢水COD作為指標(biāo)衡量帶水劑的帶水效果，結(jié)果表明，二甲苯帶水公用工程成本最低，有很大的成本優(yōu)勢，廢水COD 在污水站可接受范圍內(nèi)。同時對帶水劑用量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)帶水劑用量能建立起全塔溫度和濃度分布即可，多加帶水劑無法提高帶水效果。本文對原料藥生產(chǎn)中帶水劑選用具有一定指導(dǎo)意義。