常規(guī)和雙效變壓精餾工藝分離乙醇胺和三乙烯二胺的模擬

楊建明，袁 俊，趙鋒偉，惠 豐，呂 劍，伊春海

（1. 西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065；2. 西安交通大學(xué) 化工學(xué)院,陜西 西安 710049）

常規(guī)和雙效變壓精餾工藝分離乙醇胺和三乙烯二胺的模擬

楊建明1，袁 俊1，趙鋒偉1，惠 豐1，呂 劍1，伊春海2

（1. 西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065；2. 西安交通大學(xué) 化工學(xué)院,陜西 西安 710049）

基于乙醇胺和三乙烯二胺物系共沸組成隨壓力變化顯著的特點,采用常規(guī)變壓精餾工藝分離乙醇胺和三乙烯二胺物系；為降低常規(guī)變壓精餾工藝的能耗,提出雙效精餾和變壓精餾耦合的雙效變壓精餾新工藝。采用Aspen Plus化工流程模擬軟件對常規(guī)變壓精餾工藝和雙效變壓精餾工藝進行模擬。模擬結(jié)果表明,采用常規(guī)變壓精餾工藝和雙效變壓精餾工藝都能實現(xiàn)乙醇胺和三乙烯二胺物系的分離, 乙醇胺和三乙烯二胺的純度都可達到99.90%（w）；與常規(guī)變壓精餾工藝相比,采用雙效變壓精餾工藝,加熱公用工程可節(jié)能29.65%,冷卻公用工程可節(jié)能31.51%。

乙醇胺；三乙烯二胺；共沸物；常規(guī)變壓精餾；雙效變壓精餾；節(jié)能

三乙烯二胺（TEDA）主要用作生產(chǎn)聚氨酯泡沫塑料的催化劑,還可用于彈性體與塑料制品成型工藝、乙烯聚合和環(huán)氧乙烷聚合催化劑等［1］。近年來,隨著聚氨酯泡沫塑料應(yīng)用范圍的日漸廣泛,對其制備過程中使用的TEDA催化劑的需求大幅度增加。

中低壓法催化胺化合成乙撐胺工藝是有工業(yè)化前景的生產(chǎn)TEDA的方法。在該工藝中,原料乙醇胺（MEA）和TEDA可形成最低共沸物,共沸溫度164 ℃,共沸物質(zhì)量組成：MEA 41.52%、TEDA 58.48%。在工業(yè)化生產(chǎn)高純度TEDA產(chǎn)品的過程中, MEA和TEDA混合物的分離是一個難題。首先,TEDA屬于易凝固物質(zhì),其凝固點158 ℃、沸點174 ℃,凝固點與沸點相差16 ℃,精餾操作彈性較小,并且在精餾過程中容易因TEDA凝固而堵塞設(shè)備及管道,難以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)；其次,共沸精餾或萃取精餾等特殊精餾方法可以分離MEA和TEDA共沸物,但都需引入共沸劑或萃取劑等第三組分,使產(chǎn)品中出現(xiàn)共沸劑或萃取劑雜質(zhì),影響TEDA在催化劑等方面的應(yīng)用。

對于二組分共沸物,當(dāng)壓力變化對共沸物組成影響明顯時,利用壓力變化改變共沸物組成的特點［2］,采取兩塔的變壓精餾分離二組分共沸物比特殊精餾更具有優(yōu)勢。由于不引入第三組分,因此變壓精餾在分離二組分共沸物方面得到了廣泛應(yīng)用［3-12］。

雙效精餾的基本原理是利用高壓精餾塔的塔頂蒸氣作為低壓精餾塔塔底再沸器的熱源,低壓塔的再沸器即為高壓塔的冷凝器。由于雙效精餾能顯著地降低精餾過程的能耗,近年來在化工行業(yè)中的應(yīng)用受到關(guān)注［13-15］。

開展采用變壓精餾分離MEA和TEDA共沸物的研究,即可為得到高純度的TEDA提供技術(shù)支撐,也可為相近易凝固難分離物系的分離提供借鑒。

本工作采用常規(guī)變壓精餾工藝分離MEATEDA物系；在此基礎(chǔ)上,為了進一步降低常規(guī)變壓精餾工藝的能耗,提出雙效精餾和變壓精餾耦合的雙效變壓精餾新工藝。采用Aspen Plus化工流程模擬軟件對常規(guī)變壓精餾和雙效變壓精餾工藝進行模擬,得到工藝的操作參數(shù)。

1 分離原理

1.1 分離物料及分離要求

擬分離物料來自中低壓法催化胺化合成乙撐胺裝置, 其中,TEDA含量為58%（w）、MEA含量為42%（w）,進料量1000 kg/h,100 ℃,常壓。規(guī)定分離得到的產(chǎn)品中,MEA和TEDA的純度均不低于99.90%（w）。

1.2 物性方法的選擇

正確物性方法的選擇是化工模擬計算的關(guān)鍵,直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。MEA-TEDA物系屬于非理想溶液體系,根據(jù)物系的特點［16］并參考近似物系的模擬［17］,選擇NRTL方程計算物系的物性,NRTL方程的二組分交互作用參數(shù)由基團貢獻法估算。

1.3 變壓精餾分離MEA-TEDA物系的可行性分析

不同系統(tǒng)壓力下MEA-TEDA物系的共沸溫度和共沸組成的數(shù)據(jù)見表1。由表1可見,對于MEATEDA物系,當(dāng)系統(tǒng)壓力（絕對壓力,A）從100 kPa降至10 kPa時,共沸物中TEDA的含量從58.57%（w）增至75.24%（w）,共沸溫度從163.58 ℃降至

100.25 ℃。這表明MEA-TEDA物系的共沸組成隨系統(tǒng)壓力的變化比較敏感。因此,采用變壓精餾的方法對MEA-TEDA物系進行分離,可以得到高純度的TEDA產(chǎn)品。

表1 不同系統(tǒng)壓力下MEA-TEDA物系的共沸溫度和共沸組成Table 1 Azeotropic temperature and composition of MEA-TEDA binary system under different pressure

2 常規(guī)變壓精餾工藝的模擬

2.1 工藝流程

分離MEA-TEDA物系的常規(guī)變壓精餾工藝流程見圖1。

圖1 分離MEA-TEDA物系的常規(guī)變壓精餾工藝流程Fig.1 Process f ow of pressure swing distillation for the separation of the MEA-TEDA system.H1,H2：Top condenser；H3,H4：Reboiler；S1-S10,Sm：Material streams；T1：Atmospheric tower；T2：Vacuum tower

該工藝主要由兩個操作壓力不同的精餾塔組成,即常壓塔（T1）和負壓塔（T2）。溫度超過190℃時TEDA容易分解,因此要求塔釜溫度低于190℃。當(dāng)壓力（A）為100 kPa時,T1塔塔釜溫度達到174 ℃,因此確定T1塔操作壓力（A）為100 kPa。為避免T2塔塔頂物流變得黏稠,造成輸送困難,應(yīng)該保持T2塔塔頂溫度高于90 ℃。當(dāng)壓力（A）為10 kPa時,T2塔塔頂溫度達到100 ℃,因此確定T2塔操作壓力（A）為10 kPa。

MEA-TEDA原料物流S1與來自T2塔塔頂?shù)难h(huán)物流S4混合后進入T1塔；T1塔塔底采出的物流S2為TEDA產(chǎn)品,塔頂采出共沸物S8作為T2塔的進料；T2塔塔底采出物流S3為MEA產(chǎn)品,塔頂采出的共沸物流S4循環(huán)至T1塔。

2.2 模擬結(jié)果

采用Aspen Plus化工流程模擬軟件中的RadFrac模塊對常規(guī)變壓精餾工藝流程進行模擬,通過靈敏度分析模塊Sensitivity對回流比和進料位置進行優(yōu)化。優(yōu)化后的各物流計算結(jié)果見表2,操作參數(shù)見表3。

從表2可看出,T1塔塔底物流S2中TEDA的含量為99.90%（w）,T2塔塔底物料S3中MEA的含量為99.90%（w）。

表2 常規(guī)變壓精餾工藝流程中各物流的計算結(jié)果Table 2 Calculation results of the material streams for the pressure swing distillation

表3 分離MEA-TEDA物系的常規(guī)變壓精餾工藝的操作參數(shù)Table 3 Operating parameters of the pressure swing distillation for the separation of the MEA-TEDA system

3 雙效變壓精餾工藝的模擬

3.1 工藝流程

分離MEA-TEDA物系的雙效變壓精餾工藝流程見圖2。T1塔塔頂溫度164 ℃,高于T2塔塔底溫度（110 ℃）,可以利用雙效精餾與常規(guī)變壓精餾相耦合,利用T1塔的冷凝熱作為T2塔的再沸熱源。雙效變壓精餾工藝主要由兩個操作壓力不同的精餾塔組成,即常壓塔（T1）和負壓塔（T2）。MEATEDA原料物流S1與來自T2塔塔頂?shù)难h(huán)物流S4混合后進入T1塔,T1塔塔底采出的物流S2為TEDA產(chǎn)品；來自T1塔塔頂?shù)臍庀辔锪鞣殖蓛刹糠諷5和S6,S5作為T2塔的再沸熱源,經(jīng)再沸器H4冷凝成液相S9后,與S6經(jīng)冷凝器H1冷凝換熱后的物流S10混合,一部分作為T1塔回流S7,另一部分作為T2塔進料S8；T2塔塔底采出物流S3為MEA產(chǎn)品,塔頂物流S4循環(huán)至T1塔。

圖2 分離MEA-TEDA物系的雙效變壓精餾工藝流程Fig.2 Process f ow of double effect pressure swing distillation for the separation of the MEA-TEDA system.H1,H2：Top condenser；H3,H4：Reboiler；S1-S10,Sm：Material streams；T1：Atmospheric tower；T2：Vacuum tower

3.2 模擬結(jié)果

采用Aspen Plus化工流程模擬軟件中嚴(yán)格分餾模塊RadFrac對雙效變壓精餾工藝流程進料進行模擬,各物流的計算結(jié)果見表4,塔操作參數(shù)見表5。

由表4可知,T1塔塔底物流S2中TEDA的含量為99.90%（w）,T2塔塔底物流S3中MEA的含量為99.90%（w）。

對比表3和表5可得出：雙效變壓精餾工藝中T2塔由于利用了T1塔塔頂汽相的冷凝熱而不需要公用工程加熱,節(jié)省加熱公用工程386 kW；同時,相應(yīng)的T1塔塔頂冷凝器H1的冷凝負荷從779 kW降至392 kW。

表4 雙效變壓精餾工藝流程中各物流的計算結(jié)果Table 4 Calculation results of material streams for the double effect pressure swing distillation

表5 雙效變壓精餾流程工藝參數(shù)Table 5 Operating parameters of the double effect pressure swing distillation

常規(guī)變壓精餾與雙效變壓精餾的熱負荷對比見表6。從表6可看出,采用雙效變壓精餾流程時,再沸器可節(jié)能386 kW,所需熱量減少29.65%；冷凝器可節(jié)能387 kW,所需冷凝負荷可減少31.51%。

表6 常規(guī)變壓精餾與雙效變壓精餾的熱負荷對比Table 6 Comparison between the heat duties of the pressure swing distillation and double effect pressure swing distillation

4 結(jié)論

1）采用不引入第三組分的常規(guī)變壓精餾和雙效變壓精餾都能有效地分離MEA-TEDA物系,并且MEA和TEDA的產(chǎn)品純度都可以達到99.90%（w）。

2）與常規(guī)變壓精餾流程相比,采用雙效變壓精餾流程時,再沸器可節(jié)能386 kW,所需熱量減少29.65%；冷凝器可節(jié)能387 kW,所需冷凝負荷可減少31.51%。

3）針對MEA-TEDA物系分離的雙效變壓精餾工藝,對于其他易凝固難分離物系的精餾分離有借鑒意義。

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（編輯 李治泉）

·技術(shù)動態(tài)·

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黎明化工研究設(shè)計院有限責(zé)任公司主持完成了科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項資金項目“工業(yè)承重輪用聚氨酯（PU）彈性體的研制”,新技術(shù)從2013年6月起廣泛應(yīng)用于叉車輪、重型器械的高承載輪、體育器材里的高速高耐磨輪、高速鐵路鋪軌車輪等領(lǐng)域。

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Simulation of Separation of Monoethanolamine and Triethylenediamine by Common and Double Effect Pressure Swing Distillation

Yang Jianming1,Yuan Jun1,Zhao Fengwei1,Huifeng1,Lü Jian1,Yi Chunhai2
（1. Xi,an Modern Chemistry Research Institute,Xi,an Shaanxi 710065,China；2. School of Chemical Engineering,Xi,an Jiaotong University,Xi,an Shaanxi 710049,China）

Pressure swing distillation for separating monoethanoiamine and triethylenediamine was proposed based on the feature that the azeotropic composition of the system was inf uenced by pressure difference in the system, and double effect pressure swing distillation which was double effect distillation coupled with pressure swing distillation was proposed to save energy of the system. Process simulation for the pressure swing distillation and double effect pressure swing distillation was carried out by using the Aspen Plus software. The results showed that monoethanoiamine and triethylenediamine with high-purity(the both could reach 99.90%) could be obtained by the two separation methods, but the double effect pressure swing distillation could save energy by 29.65% in heating process and by 31.51% in cooling process compared with the pressure swing distillation.

monoethanolamine；triethylenediamine；azeotrope； pressure swing distillation；double effect pressure swing distillation；energy saving

1000 - 8144（2014）08 - 0924 - 05

TQ 028

A

2014 - 03 - 27；［修改稿日期］ 2014 - 05 - 04。

楊建明（1974—）,男,陜西省合陽縣人,博士,研究員,電話 029 - 88291367,電郵 yangjm204@163.com。