哌嗪精餾塔的模擬計(jì)算

王昱官

（銀川能源學(xué)院，寧夏銀川 750100）

哌嗪是一種重要的有機(jī)化工中間體及精細(xì)化工原料，在醫(yī)藥上主要用于合成驅(qū)蟲、抗結(jié)核以及抗菌類藥物。此外，還可以用來合成紡織染整助劑、橡膠硫化促進(jìn)劑防腐劑、抗氧劑、穩(wěn)定劑、表面活性劑等，隨著應(yīng)用范圍的日益廣泛，其需求量大幅度增加[1]。本文運(yùn)用ChemCAD軟件對哌嗪精餾塔進(jìn)行模擬計(jì)算，以確定該精餾塔的理論板數(shù)、進(jìn)料位置、各塔板的溫度、壓力及流率分布。模擬計(jì)算結(jié)果為哌嗪分離過程的工業(yè)化實(shí)驗(yàn)裝置提供了依據(jù)[2]。

1 模擬條件

模擬計(jì)算采用 哌嗪—三乙烯二胺—氨基乙基哌嗪三組分分離液。塔的平均操作壓力為真空下0.03MPa，進(jìn)料量為1.0kmol/h，進(jìn)料溫度為154℃，組成為哌嗪0.697，三乙烯二胺0.216，氨基乙基哌嗪0.087，塔頂為全冷器，要求塔頂哌嗪的純度達(dá)到99.3%（w）。熱力學(xué)方程選用Van laar模型方程。應(yīng)用ChemCAD對該分離過程進(jìn)行模擬，以確定該精餾塔的理論板數(shù)、進(jìn)料位置，以及各塔板的溫度、壓力及流率分布。

2 模擬過程[3]

2.1 利用簡捷塔初步確定理論板數(shù)

（1）建立流程模擬圖。選擇圖板上的shortcut圖 標(biāo)，建立流程圖，如圖1。

圖1 模擬流程示意圖

（2）選擇工程單位。打開菜單選項(xiàng)Formate—Engineering units，按照規(guī)定的已知條件，選擇SI國際單位制，壓力選擇MPa，溫度選擇℃，點(diǎn)擊OK保存。

（3）添加組分。打開菜單選項(xiàng)Thermophysical—Component list，選擇組分添加至組分列表，如圖2 所示。

圖2 添加組分

（4）選 擇 熱 力 學(xué) 模 型。打 開 菜 單 選 項(xiàng)Thermophysical—K-values，按照題目要求選擇Van laar模型方程。相應(yīng)地，焓值選擇Latent Heat模型。

（5）規(guī)定進(jìn)料流股。通過Specifications—Feed streams菜單選項(xiàng)，或者點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，打開進(jìn)料流股對話框，定義進(jìn)料流股，如圖3所示。

圖3 定義進(jìn)料流股

（6）規(guī)定單元設(shè)備。雙擊流程圖中的shortcut，或是打開Specifications—Select Unitops選項(xiàng)，打開shortcut精餾塔的規(guī)定框，如圖4所示，逐一填入所需數(shù)據(jù)。

圖4 簡捷塔設(shè)計(jì)規(guī)定屏

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，輕重關(guān)鍵組分分別為哌嗪和三乙烯二胺，塔頂產(chǎn)品中輕重關(guān)鍵組分的分離效率分別為0.993和0.007，規(guī)定回流比與最小回流比的比值為1.5。

（7）運(yùn)行模擬。打開菜單條上的Run菜單，選擇Run all選項(xiàng)，或是點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，開始運(yùn)行模擬。

2.2 利用精確精餾塔進(jìn)行模擬

（2）按照以上述步驟，依次進(jìn)行工程單位的選取、組分的添加、熱力學(xué)模型和焓值模型的選擇、進(jìn)料流股的規(guī)定。

（3）規(guī)定單元設(shè)備。雙擊流程圖中的SCDS，或是 打 開Specifications—Select Unitops選 項(xiàng)，打 開SCDS精餾塔的規(guī)定框，有五個(gè)規(guī)定頁面，以下分別介紹。

①General規(guī)定頁面，規(guī)定冷凝器及塔的理論 級數(shù)。

②Specifications規(guī)定頁面，規(guī)定精餾塔的熱量平衡和質(zhì)量平衡。

③Convergence規(guī)定頁面，規(guī)定與收斂相關(guān)的參數(shù)及一些估計(jì)值。

④Cost estimations1規(guī)定頁面，在做設(shè)計(jì)型計(jì)算時(shí)規(guī)定塔內(nèi)件。

⑤Cost estimations2規(guī)定頁面，規(guī)定冷凝器和再沸器關(guān)于費(fèi)用的參數(shù)，并在計(jì)算完成時(shí)顯示計(jì)算結(jié)果。

（4）運(yùn)行模擬。打開菜單條上的Run菜單，選擇Run all選項(xiàng)，或是點(diǎn)擊工具欄中的按鈕，開始運(yùn)行模擬。

（5）查看結(jié)果。打開菜單選項(xiàng)Results—Stream Compositions—Product Streams，查看產(chǎn)品流股的組成如表1所示。

表1 產(chǎn)品流股的組成

可以看到塔頂哌嗪的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.99380362。

通過Results—Tower Profiles，或者在流程圖上單擊Tower的圖標(biāo)，點(diǎn)擊右鍵選擇View Tower Profiles，可以查看精餾塔的一些參數(shù)，如各塔板的溫度、壓力、氣液相流率，各流股的流率，冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷以及操作回流比。查看結(jié)果如表2所示。

表2 冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷以及操作回流比結(jié)果

3 結(jié)語

在間歇精餾實(shí)驗(yàn)裝置條件下，利用化工軟件ChemCAD對乙二胺直接環(huán)化法合成的哌嗪及三乙烯二胺產(chǎn)物哌嗪精餾塔進(jìn)行模擬及優(yōu)化，模擬計(jì)算結(jié)果精餾塔的理論板數(shù)為22塊，塔頂溫度為109.5℃，塔釜溫度為146.7℃，最終得到純度為99.38%的哌嗪產(chǎn)品。間歇精餾實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)值與模擬值基本吻合。