CN111359247A - 一种计算间歇精馏分离所需理论塔板数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计算间歇精馏分离所需理论塔板数的方法，具体为：根据难分离物质对的GC保留时间差与对应精馏所需理论塔板数的对应关系，得到难分离物质对的GC保留时间差‑理论塔板数关系曲线；对需精馏分离的难分离物质对取样做气相色谱分析；根据气相色谱分析中的难分离物质对的GC保留时间差，依据难分离物质对的GC保留时间差‑理论塔板数关系曲线，查找所对应精馏所需理论塔板数。本发明的计算间歇精馏分离所需理论塔板数的方法，具有操作简便，无需各物质的技术参数，一般普通实验室里均能实现。

Description

一种计算间歇精馏分离所需理论塔板数的方法

技术领域

本发明属于精细化工技术领域，具体涉及一种计算间歇精馏分离所需理论塔板数的方法。

背景技术

以往求取理论塔板数可用“计算法”、“作图法”和“捷算法”。对于一些“小分子”大吨位基础化工原料和市场能源领域产品的加工生产，采用精馏段、提馏段精馏塔连续工艺，众多院校教课书中都有详尽介绍，相关的一些技术参数也都比较容易查到，这些品种物料理论塔板数的计算比较容易方便。

但在精细化工领域，精馏物料有很高的附加值，但吨位较小，且受市场变化影响，品种更迭又快，特别是在这创新发展日新月异的当下，许多具有特殊性能的精细化学品被不断开发出来，虽售价很高可需求吨位有限，故只能选取投资经济且适应性强的间歇精馏装置，可是这类精细化学品的精馏设计技术参数难以查找，且现有技术中很少有关于间歇精馏求算理论塔板数的方法，因此间歇精馏求算分离理论塔板数仍是一个难题。另外，在精细化工产品领域，在实验室中的间歇精馏塔设计上，如果采用应用于连续精馏的计算法或作图法来求取物料精馏理论塔板数时，因工艺流程和操作方法相同，死搬硬套就显得十分牵强附会了，况且缺乏相关技术参数计算实质也无法进行。

上世纪八十年代初，美国能源部下达攻关项目，由麻省理工学院组织会战，完成了新型“化工流程模拟软件”（简称Aspen Plus）的开发应用，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，各种化工物料的精馏分离，其精馏塔理论塔板数的求取，无须再在实验室中进行繁琐的小试和中试实验，只要把实验的相关技术条件输入Aspen Plus操作系统，就能得到经济最优化的理论塔板数，当然这对不具备原版Aspen Plus软件的实验者来说也只能另选别径。

用计算法求理论塔板数，有些物质的技术参数很难查找，应用Aspen Plus软件又必须具备原版软件，成本很高，这都受到一定程度上的条件限制，所以在精细化工领域针对间歇精馏，亟需寻找一种便捷的且在一般现有条件下均可获得的，难分离物质对精馏分离的理论塔板数的方法。

中国专利CN 101446939A公开了一种用Excel计算精馏塔理论塔板数的方法，运用Excel中的迭代循环功能解决泡点温度计算问题，用真假值判断执行条件检测可以确定理论塔板数，无需在计算时加入人为的判断和计数，只要输入原始数据和目标值即可得到各塔板数的气相和液相浓度及理论塔板数。但该发明中需要各物质的技术参数，且不适用于间歇精馏。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算间歇精馏分离所需理论塔板数的方法，具有操作简便，一般普通实验室里均能实现。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种计算间歇精馏分离所需理论塔板数的方法，该方法包括以下步骤：

（1）根据难分离物质对的GC保留时间差与对应间歇精馏所需理论塔板数的对应关系得到难分离物质对的GC保留时间差和对应间歇精馏分离所需理论塔板数的关系曲线。

（2）对需精馏分离的难分离物质对取样做气相色谱分析。

（3）根据步骤（2）气相色谱分析中的难分离物质对的GC保留时间差，依据步骤（1）中难分离物质的GC保留时间差和对应间歇精馏分离所需理论塔板数的关系曲线查找所对应的理论塔板数。

优选的，对难分离物质对GC的保留时间差-理论塔板数关系曲线进行拟合得到理论塔板数关于难分离物质对GC的保留时间差的近似关系式为y=-56.28lnx+298.54，其中，x为难分离物质对的GC保留时间差，y为对应精馏所需理论塔板数。

优选的，所述气相色谱分析采用非极性或弱极性毛细管柱。

优选的，所述非极性或弱极性毛细管柱为SE-30、OV-1或SE-54，所述非极性或弱极性毛细管柱的口径为0.32mm、柱长为30m、膜厚为0.5um。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供了一种便捷的且在一般现有实验室条件下均可获得的计算间歇精馏分离所需理论塔板数的方法，避免计算法中的技术参数很难查找的弊端，且避免了应用AspenPlus软件必须具备原版软件而导致成本较高的缺陷，可广泛应用于精细化工品领域，特别是需要应用间歇精馏来分离的精细化学品。

附图说明

图1为本发明难分离物质对的GC保留时间差和对应间歇精馏分离所需理论塔板数的关系曲线图。

其中1为本发明难分离物质对的GC保留时间差和对应间歇精馏分离所需理论塔板数的关系曲线，2为根据难分离物质对的GC保留时间差和对应间歇精馏分离所需理论塔板数的关系曲线进行拟合得到近似关系式y=-56.28lnx+298.54的曲线。

图2为图1中A处的放大图。

图3为图解法求精馏塔理论塔板数示意图。

图4为本发明苯-甲苯图解法求精馏塔理论塔板数示意图。

图5为粗苯的气相色谱图。

图6为工业粗品氯乙酸甲酯的气相色谱图。

图7为乙苯-苯乙烯混合物的气相色谱图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1（苯—甲苯分离所需理论塔板数）

1、计算法（连续精馏）

苯－甲苯混合液，含苯50％（mol%)，用精馏分离，要求塔顶产品组成X_D=0.95,塔底产品组成X_W=0.05,选用Ｒ＝2.0,泡点进料，α＝2.45, 试用逐板法求Ｎ_T。

（1）列出计算式：

（a）气液平衡关系式

（b)精馏段操作线方程，已知x_D=0.95,R=2.0,所以

（c）提馏段操作线方程 设Ｆ＝100mol/s ,根据式

注意：塔顶易挥发组分的回收率为D·x_D/F·x_F=50×0.95/100×0.5=0.95,塔顶难挥发组分的回收率为D·（1-x_D）/F·x_F=50×0.05/100×0.5=0.05,塔釜难挥发组分的回收率为W·（1-x_W）/F·（1-x_F）=50×0.95/100×0.5=0.95。

泡点进料时提馏段操作线方程为式

（２）用逐板法计算理论塔板数

（a）精馏段

第一块板：因y₁=x_D=0.95

x₁=y₁/(2.45-1.45y₁)=0.95/(2.45-1.45×0.95) =0.886

第二块板：y₂=0.667x₁+0.317=0.908

如此逐板求得精馏段各塔板的y和x列表如下：

（b）提馏段

由于x_F=0.50，而x₅=0.506，故第五块板以后改用提馏段操作线方程计算。

第6块板：y₆=0.33x₅-0.017=1.33×0.506-0.017=0.685

x₆=y₆/(2.45-1.45y₆)=0.658/(2.45-1.45×0.658)=0.440

如此逐板求得提馏段各塔板的y和x列表如下：

x₁₁=0.044 ＜x_w=0.05

故：理论塔板数为N_T=11-1=10块（不含再沸器）

2、作图法（连续精馏）

苯－甲苯混合液，含苯50％（mol%)，用精馏分离，要求塔顶产品组成X_D=0.95,塔底产品组成X_W=0.05,选用Ｒ＝2.0,泡点进料，α＝2.45, 试用图解法求Ｎ_T。

（1）列出计算式：

（a）气液平衡关系式

（b）精馏段操作线方程，已知X_D=0.95,R=2.0,所以：

（c）提馏段操作线方程

设Ｆ＝100mol/s ,根据式

f=F/D=100/50=2.0 泡点进料时提馏段操作线方程为；

（２）图解法求理论塔板数N_T

图解法是应用塔内的气液相平衡关系和操作关系，在y-x图上作图的方法来理论塔

板数的。它与逐板计算法本质上相同，其图解程序为：

（a）根据被分离混和液的气液相平衡关系或实验数据，在y-x 图上作出平衡曲线，并画出对角线，如图3所示。

（b）根据已知的工艺条件，在y-x图上作出精馏段和提馏段的操作线（包括进料线）。

（c）利用已作出的图从塔顶向下逐板图解，在塔顶y₁=x_D,而y₁与x_D又属操作关系，所以y₁和x_D是精馏段操作线与对角线交点（A）的坐标，而y₁和x₁成平衡关系，应在平衡线上，于是通过A点作x轴的水平线与平衡线交于点1，其横坐标即为x₁。x₁和y₂是操作关系，应在操作线上，因此过点1作x轴的垂线与操作线交于点1，其纵坐标即为y₂。由此可以看出，在平衡线和操作线间构成的这个阶梯，其垂直高度(1-1)正好表示了气相中易挥发组分的浓度经过一块理论板的变化，其水平线的距离（1-A）也正好表示了液相中易挥发组分的浓度经过一块理论板的变化。

依据上述同样道理，继续在平衡线与精馏段操作线之间作阶梯，当作到水平线跨越两操作线交点d时，其垂直线应落到提馏段操作线上，而后在平衡线和提馏段操作线间向下作阶梯，直作到x_n等于或跨过x_w为止，则阶梯的个数就是理论塔板数。跨越两操作线交点d的那个阶梯就是加料板的位置。这样求出的理论塔板数，因x_n≤x_w,所以n包括塔釜这块理论板，图解常用于只有平衡数据的场合。

根据上述图解程序用图解法求苯—甲苯分离所需理论塔板数N_T。

（a）作苯-甲苯的x-y图

根据：

可令x= 0.1、0.2、……、0.9，算得相应的y值。将点描在图上，再把所有的点用一条光滑的曲线连上，该曲线即为气液平衡线。

（b）在图上确定点A（x_D,x_D)、点B（x_W,x_W)、点C（0，x_D/R+1)即A（0.95，0.95）、B(0.05,0.05)、 C(0,0.317)。

（c）连AC得精馏段操作线，过点（0.50，0）作x轴的垂线，交AC于D点，连BD 得提馏段操作线。

（d）从A点开始，在平衡线和操作线中作阶梯，图解求得精馏所需理论塔板数为11，减去再沸器充当的一块理论板，故理论塔板数N_T=10块，整个图解过程如图4所示。

3、Aspen软件（连续精馏）

粗苯含量50%(mol%），要求塔顶苯含量达95%，塔釜苯含量5%，将实验操作条件输入Aspen软件，即应用了Aspen Plus软件中提供的塔单元模块中的DSTWU模型，此模型使用Winn-Underwood-Gilliland 方法，对精馏塔进行设计型的简捷计算，得到苯-甲苯分离所需理论塔板数N_T为11块板。

具体实验操作条件如下：

操作温度：363.15K

Vapor fraction（汽相分率）：0

Pressure（压力）： 101.3kPa

进料流量（Total Flow）：4000kg/hr

Mole-frac（摩尔分率）：Benzene: 0.5；Toluene:0.5

操作回流比为：R=2

轻关键组分的回收率为0.95

重关键组分的回收率为0.05

再沸器和冷凝器的压力（Pressure）：110kpa、105kpa

冷凝器类型（Condenser specifications）：全冷器（Total Condenser）。

4、难分离物质对的GC保留时间差方法（间歇精馏）

对粗苯（苯、甲苯混合物）进行气相色谱分析，GC色谱图见图5。从粗苯气相色谱分析图中可知，苯的保留时间为3.432min，甲苯的保留时间是6.125min，其保留时间差为：6.125-3.432=2.70min，即162s，根据难分离物质对气相色谱分析保留时间差和对应精馏分离所需理论塔板数的关系曲线图（如图1所示），得知分离粗苯需16块理论塔板数。

以上四种方法所得的苯—甲苯分离所需理论塔板数结果如表1所示：

表1 四种求算粗苯分离理论塔板数结果列表

从上表可以看出原料苯从50%提高到95%，采用连续精馏工艺，由计算法、作图法、Aspen软件法所求出的理论塔板数分别为10、10、11，基本相同，所需塔板数较低，但其最后成品含量仅为95.0％，所以我们认为此三种计算结果是可取的。采用GC保留时间法，原料苯从89.8%提高到了99.9%，采用间歇精馏需要16块塔板。这主要是因为：连续精馏回流比设定相对固定，间歇精馏的回流比随塔顶组分变化而调节；连续精馏与间歇精馏的工艺设备结构不同，连续精馏包含精馏段和提馏段，间歇精馏全塔均为精馏段。

根据GC保留时间差方法得知，粗苯（苯、甲苯混合物）的纯度达99.5%时需16块塔板数的精馏塔，因此用16块理论塔板数的精馏塔做实验室小试，验证能否达到分离要求，也从另一方面验证应用“难分离物质对GC保留时间差计算所需理论塔板数的方法的可靠性。

用16块理论塔板数的精馏塔进行实验室间歇精馏小试，精馏塔为填料精馏塔，其具体实验参数为：精馏塔塔釜四口烧瓶容积1L；精馏塔口径配置号为24mm；选用3×3丝网填料；而根据矩环状不锈钢丝网填料规格，得知3×3丝网填料的卷叠层数为2层，每米理论塔板数为35块，故实际塔高为16/35=0.46米。

粗苯含量89.8％，实验进行15h，中间共采集了九次样品，其平均结果为99.93％，最后实验结束收集的混合试样，经色谱分析结果为苯含量为99.932％，因此可以说明采用GC保留时间差计算精馏塔理论塔板数的方法是可行的。

实施例2（氯乙酸甲酯—二氯乙酸甲酯分离所需理论塔板数）

（1）Aspen软件法

氯乙酸甲酯和二氯乙酸甲酯连续精馏，进料浓度含氯乙酸甲酯97.47%（质量百分比），进料温度80℃，回流比2.94，塔顶-0.095MPa（6.3kPa），塔釜大约-0.085MPa（16.3kPa），塔顶99.5%（质量百分比），塔釜0.5%。用Aspen软件求氯乙酸甲酯同二氯乙酸甲酯分离理论塔板数，将实验操作条件输入Aspen软件中，即应用了Aspen Plus软件中提供的塔单元模块中的DSTWU模型，此模型使用Winn-Underwood-Gilliland 方法，对精馏塔进行设计型的简捷计算，得其分离理论塔板数为45.2块。

具体实验操作条件如下所示：

操作温度：140℃

Vapor fraction（汽相分率）：0

Pressure（压力）：100kPa

定义进料流量（Total Flow）：4000kg/hr

Mass-frac（质量分率）：Methyl chloroacetate：0.97

Methyl dichloroacetate：0.03

操作回流比为：R=2.94

轻关键组分的回收率为0.9955

重关键组分的回收率为0.1927

定义再沸器和冷凝器的压力（Pressure）：6.3kpa、16.3kpa

定义冷凝器类型（Condenser specifications）：全冷器（Total Condenser）

（2）难分离物质对的GC保留时间差方法

工业粗品氯乙酸甲酯的气相色谱图如图6所示，由气相分析色谱图知，氯乙酸甲酯的保留时间为4.490min，二氯乙酸甲酯的保留时间为5.863min，保留时间差为5.863－4.49＝1.373min，即82.3s，根据难分离物质对气相色谱分析保留时间差和对应精馏分离所需理论塔板数的关系曲线图（如图1所示），得知氯乙酸甲酯—二氯乙酸甲酯分离所需理论塔板数为45块。

用45块理论塔板数的精馏塔进行实验室间歇精馏小试，验证能否达到分离要求，也从另一方面验证应用“难分离物质对GC保留时间差计算所需理论塔板数的方法的可靠性。

当小容量精馏采用1L容积塔釜，24标准口的精馏塔时，采用3×3不锈钢丝网θ环填料，其理论塔板数为35块/m，故实际塔高为45/35=1.3m。采用以上小容量精馏实验装置，对工业粗品氯乙酸甲酯进行小试精馏，将含量为97.47％的工业粗品氯乙酸甲酯提髙到含量为99.63％的工业精品，因此可以说明采用GC保留时间差计算精馏塔理论塔板数的方法是可行的。

实施例3（乙苯—苯乙烯分离所需理论塔板数）

（1）计算法

用计算法把40%（w）乙苯原料精馏分离设计成塔顶获99.0%（w）含量乙苯，塔釜乙苯不高于2%（w），其精馏段为25块，提馏段为39块，合计共64块理论塔板数。

（2）捷算法

乙苯质量组成0.5843，苯乙烯0.415，要求分离塔顶产品中苯含量不低于99.0%（w），塔底苯乙烯含量不低于99.7%（w），用PENG-ROB物性方法，理论塔板数为65块（包括全凝器和再沸器）。

（3）难分离物质对的GC保留时间差方法

乙苯—苯乙烯的气相色谱图如图7所示，由气相色谱图可知，苯乙烯保留时间6.93min，乙苯为6.023min，其保留时间差为6.93-6.023=0.907min，即54.42s，根据难分离物质对气相色谱分析保留时间差和对应精馏分离所需理论塔板数的关系曲线图（如图1所示），得知乙苯—苯乙烯分离理论塔板数为65块。

以上三种方法得到的乙苯—苯乙烯分离所需理论塔板数结果如表2所示：

表2 不同方法所得到的乙苯-苯乙烯分离所需理论塔板数结果表

从表2可知，捷算法和GC保留时间差法结果相同，他们与计算法仅差1块理论塔板数影响极小，因此用保留时间差求理论塔板数是可行的。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种计算间歇精馏分离所需理论塔板数的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

（1）根据难分离物质对的GC保留时间差与对应间歇精馏所需理论塔板数的对应关系，得到难分离物质对的GC保留时间差和对应间歇精馏分离所需理论塔板数的关系曲线；

（2）对需精馏分离的难分离物质对取样做气相色谱分析；

（3）根据步骤（2）气相色谱分析中的难分离物质对的GC保留时间差，依据步骤（1）中难分离物质对的GC保留时间差和对应间歇精馏分离所需理论塔板数的关系曲线查找所对应精馏所需理论塔板数。

2.根据权利要求1所述的计算间歇精馏分离所需理论塔板数的方法，其特征在于：对难分离物质对的GC保留时间差-理论塔板数关系曲线进行拟合得到理论塔板数关于难分离物质对的GC保留时间差的近似关系式为y=-56.28lnx+298.54，其中，x为难分离物质对的GC保留时间差，y为对应精馏所需理论塔板数。

3.根据权利要求1所述的计算间歇精馏分离所需理论塔板数的方法，其特征在于：所述气相色谱分析采用非极性或弱极性毛细管柱。

4.根据权利要求3所述的计算间歇精馏分离所需理论塔板数的方法，其特征在于：所述非极性或弱极性毛细管柱为SE-30、OV-1或SE-54，所述非极性或弱极性毛细管柱的口径为0.32mm、柱长为30m、膜厚为0.5um。

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