雷潔瓊，雷浩馳，杜蕾(.西安道特石化工程有限公司，陜西 西安 70077；.中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 79000；.西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 7000)

0 引言

近年來，鄰(對)氰基甲苯在國內(nèi)的需求逐年遞增，它廣泛應(yīng)用于藥物、染料等生產(chǎn)中，是一種良好的中間體，但對其反應(yīng)產(chǎn)物的分離工藝研究較少。本文的研究對象是采用工業(yè)下腳料合成的鄰(對)氰基甲苯，目的是獲得純度為99%的鄰氰基甲苯和對氰基甲苯。

1 鄰/對氰基甲苯的精餾工藝原料及產(chǎn)品

由于合成鄰氰基甲苯和對氰基甲苯的原料為工業(yè)下腳料，其產(chǎn)物組分繁雜，且不確定性頗大，由此導(dǎo)致精餾設(shè)計的難度較大[1]。本文對業(yè)主所提供的鄰/對氰基甲苯原料，采用氣質(zhì)聯(lián)用進行定性、定量分析，獲得比較準確的原料組成[2]。鄰氰基甲苯模擬的原料組分為：輕組分0.12%，溶劑63.89%，中間雜質(zhì)0.01%，鄰氰基甲苯23.65%，間氰基甲苯0.79%，重組分雜質(zhì)9.5%；對氰基甲苯模擬的原料組分為：輕組分0.24%，溶劑66.07%，中間雜質(zhì)1.062%，間氰基甲苯1.28%，對氰基甲苯25.13%，重組分雜質(zhì)5.07%。原料中鄰氰基甲苯與間氰基甲苯為同分異構(gòu)體，物理化學(xué)性質(zhì)相似，沸點相近，是原料中難以分離的組分[3]。

2 鄰/對氰基甲苯的精餾工藝流程模擬

2.1 化合物選擇

根據(jù)檢測分析結(jié)果，結(jié)合PRO Ⅱ的數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)部分組分不在PRO Ⅱ的數(shù)據(jù)庫中，由此造成工藝模擬計算的復(fù)雜性及不確定性。本次工藝模擬時對部分組分結(jié)合小試實驗結(jié)果及文獻資料查閱采用PRO/Ⅱ內(nèi)置的TDM 程序?qū)ζ浣⒔M份庫，對其各組分未知的物性采用UNIFAC 方法進行預(yù)測[4]。

2.2 熱力學(xué)方法的選擇及確立流程

根據(jù)工藝原料組分和產(chǎn)品的物性及以上因素的考慮，選擇SRKM 和NRTL 方法為模擬熱力學(xué)方法。SRKM 方程對烴/醇等極性/非極性物系的計算都優(yōu)于PR 立方型狀態(tài)方程和SRK立方型狀態(tài)方程。NRTL 采用局部組成概念，能成功預(yù)計多種極性體系的相平衡[3]。

2.3 物系傳遞性質(zhì)

由于Pro/II 軟件模擬計算過程中，不同傳遞性質(zhì)計算方法對平衡計算的影響不大，故一般用Pro/II 軟件內(nèi)默認的計算方法[4]。傳遞性質(zhì)遵循如下原則：(1)混合物性則采用混合規(guī)則來進行計算；(2)純組分性質(zhì)一般由半經(jīng)驗方程或經(jīng)驗方程計算[5]。

2.4 模擬流程的建立

在選擇好熱力學(xué)方程后，根據(jù)對原料組分物性的了解所設(shè)計的鄰/對氰基甲苯精餾工藝流程，在PRO/Ⅱ流程模擬軟件界面建立相應(yīng)的工藝模擬流程。其建立的模擬工藝流程如圖1 所示，其后輸入相應(yīng)的操作參數(shù)，對其工藝進行模擬優(yōu)化研究[6]。

圖1 工藝模擬流程

3 鄰/對氰基甲苯的精餾工藝流程模擬計算及結(jié)果分析

3.1 操作壓力的確定

(1)脫輕塔的壓力的確定。在常壓下，鄰氰基甲苯的沸點是205 ℃、對氰基甲苯的沸點是217.59 ℃；且當(dāng)操作溫度達到160 ℃以上時會發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象，故需控制其精餾溫度低于160 ℃。不同塔頂壓力下塔釜溫度的變化關(guān)系圖如圖2 所示[7]。

圖2 脫輕塔塔頂壓力與塔釜溫度關(guān)系圖

由圖2 可看出當(dāng)塔頂壓力降低到10 kPa 時，塔釜溫度處于157.8 ℃。當(dāng)壓力在繼續(xù)降低，對精餾操作不會產(chǎn)生明顯影響，反而加大了真空的設(shè)備條件與操作難度，最終確定脫輕塔塔頂壓力為10 kPa[8]。

(2)產(chǎn)品塔的壓力確定。產(chǎn)品塔的壓力確定同脫輕塔，產(chǎn)品塔的塔頂為目標產(chǎn)品，其純度為99%以上，塔釜為高沸物雜質(zhì)。因塔釜高沸物的存在，在精餾過程中要達到平衡狀態(tài)，塔釜為泡點操作，必然導(dǎo)致全塔溫度升高。由于原料所含組分中重組分在高溫下易發(fā)生結(jié)焦、聚合，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時還導(dǎo)致塔內(nèi)堵塞，氣液無法進行傳質(zhì)，真空度更低。最終經(jīng)過綜合模擬分析，產(chǎn)品塔塔頂壓力控制5 kPa。

3.2 理論級及回流比的確定

本文通過鄰/對氰基甲苯原料的工藝模擬計算確定了兩臺塔的最佳理論級及回流比[9]。

當(dāng)脫輕塔的理論板數(shù)減少至25 塊時，脫輕塔無法收斂，對應(yīng)的回流比為3。結(jié)合原料組分的物性特點，因其中間雜質(zhì)含量波動大，但沸點差特別小，容易夾帶在產(chǎn)品中，對產(chǎn)品純度造成影響，故在脫輕塔中必須要將其除去。脫輕塔須留有足夠余量，以應(yīng)對原料中中間雜質(zhì)的浮動，為了保證分離要求，選R=4.9，理論板數(shù)約為45 塊。

當(dāng)產(chǎn)品塔理論板數(shù)減少至20 塊時，產(chǎn)品塔無法收斂，對應(yīng)回流比為5.9。根據(jù)原料中高沸點雜質(zhì)的物性，其中含有微量雜質(zhì)的沸點與產(chǎn)品沸點非常接近，為避免因上游原料組分的波動影響產(chǎn)品純度。最終確定產(chǎn)品塔R=10，理論板數(shù)為45塊[10]。

3.3 進料位置的確定

采用PRO/Ⅱ內(nèi)置的優(yōu)化器對脫輕塔的進料位置進行優(yōu)化，以進料位置為變量，再沸器負荷作為目標函數(shù)。當(dāng)最佳進料位置時，其再沸器負荷最小，耗能最低；若進料位置不佳，可能導(dǎo)致逆向蒸餾，耗費更多能量。最終確定脫輕塔和產(chǎn)品塔的最佳進料板分別是第15 塊板和第31 塊板[11]。

3.4 最佳工況參數(shù)的確定

通過以上對兩塔操作條件的模擬分析，確定操作條件后對其整體模擬，給出脫輕塔和產(chǎn)品塔的最佳工況下的工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 最佳工況下工藝參數(shù)

4 結(jié)語

通過鄰/對氰基甲苯混合物系的組成分析、分離工況研究及工藝模擬計算，確定對鄰/對氰基甲苯的提純采用雙塔減壓精餾工藝，成功的從混合物料中分離出純度為99%的鄰/對氰基甲苯產(chǎn)品，不但對該產(chǎn)品進一步擴大規(guī)模生產(chǎn)提供了設(shè)計依據(jù)，而且其工藝模擬計算方法對其他同類物系的分離提純也具有一定的參考意義。脫輕塔和產(chǎn)品塔的操作條件如下：

(1)脫輕塔和產(chǎn)品塔操作壓力分別為10 kPa 和5 kPa；

(2)脫輕塔和產(chǎn)品塔最小理論級分別為25 和20；

(3)脫輕塔和產(chǎn)品塔最小回流比分別為3 和5.9。