哌嗪精馏塔的模拟计算

王昱官

（银川能源学院，宁夏银川 750100）

哌嗪是一种重要的有机化工中间体及精细化工原料，在医药上主要用于合成驱虫、抗结核以及抗菌类药物。此外，还可以用来合成纺织染整助剂、橡胶硫化促进剂防腐剂、抗氧剂、稳定剂、表面活性剂等，随着应用范围的日益广泛，其需求量大幅度增加[1]。本文运用ChemCAD软件对哌嗪精馏塔进行模拟计算，以确定该精馏塔的理论板数、进料位置、各塔板的温度、压力及流率分布。模拟计算结果为哌嗪分离过程的工业化实验装置提供了依据[2]。

1 模拟条件

模拟计算采用 哌嗪—三乙烯二胺—氨基乙基哌嗪三组分分离液。塔的平均操作压力为真空下0.03MPa，进料量为1.0kmol/h，进料温度为154℃，组成为哌嗪0.697，三乙烯二胺0.216，氨基乙基哌嗪0.087，塔顶为全冷器，要求塔顶哌嗪的纯度达到99.3%（w）。热力学方程选用Van laar模型方程。应用ChemCAD对该分离过程进行模拟，以确定该精馏塔的理论板数、进料位置，以及各塔板的温度、压力及流率分布。

2 模拟过程[3]

2.1 利用简捷塔初步确定理论板数

（1）建立流程模拟图。选择图板上的shortcut图 标，建立流程图，如图1。

图1 模拟流程示意图

（2）选择工程单位。打开菜单选项Formate—Engineering units，按照规定的已知条件，选择SI国际单位制，压力选择MPa，温度选择℃，点击OK保存。

（3）添加组分。打开菜单选项Thermophysical—Component list，选择组分添加至组分列表，如图2 所示。

图2 添加组分

（4）选 择 热 力 学 模 型。打 开 菜 单 选 项Thermophysical—K-values，按照题目要求选择Van laar模型方程。相应地，焓值选择Latent Heat模型。

（5）规定进料流股。通过Specifications—Feed streams菜单选项，或者点击工具栏中的按钮，打开进料流股对话框，定义进料流股，如图3所示。

图3 定义进料流股

（6）规定单元设备。双击流程图中的shortcut，或是打开Specifications—Select Unitops选项，打开shortcut精馏塔的规定框，如图4所示，逐一填入所需数据。

图4 简捷塔设计规定屏

依据设计要求，轻重关键组分分别为哌嗪和三乙烯二胺，塔顶产品中轻重关键组分的分离效率分别为0.993和0.007，规定回流比与最小回流比的比值为1.5。

（7）运行模拟。打开菜单条上的Run菜单，选择Run all选项，或是点击工具栏中的按钮，开始运行模拟。

2.2 利用精确精馏塔进行模拟

（2）按照以上述步骤，依次进行工程单位的选取、组分的添加、热力学模型和焓值模型的选择、进料流股的规定。

（3）规定单元设备。双击流程图中的SCDS，或是 打 开Specifications—Select Unitops选 项，打 开SCDS精馏塔的规定框，有五个规定页面，以下分别介绍。

①General规定页面，规定冷凝器及塔的理论 级数。

②Specifications规定页面，规定精馏塔的热量平衡和质量平衡。

③Convergence规定页面，规定与收敛相关的参数及一些估计值。

④Cost estimations1规定页面，在做设计型计算时规定塔内件。

⑤Cost estimations2规定页面，规定冷凝器和再沸器关于费用的参数，并在计算完成时显示计算结果。

（4）运行模拟。打开菜单条上的Run菜单，选择Run all选项，或是点击工具栏中的按钮，开始运行模拟。

（5）查看结果。打开菜单选项Results—Stream Compositions—Product Streams，查看产品流股的组成如表1所示。

表1 产品流股的组成

可以看到塔顶哌嗪的质量分数为0.99380362。

通过Results—Tower Profiles，或者在流程图上单击Tower的图标，点击右键选择View Tower Profiles，可以查看精馏塔的一些参数，如各塔板的温度、压力、气液相流率，各流股的流率，冷凝器和再沸器的热负荷以及操作回流比。查看结果如表2所示。

表2 冷凝器和再沸器的热负荷以及操作回流比结果

3 结语

在间歇精馏实验装置条件下，利用化工软件ChemCAD对乙二胺直接环化法合成的哌嗪及三乙烯二胺产物哌嗪精馏塔进行模拟及优化，模拟计算结果精馏塔的理论板数为22块，塔顶温度为109.5℃，塔釜温度为146.7℃，最终得到纯度为99.38%的哌嗪产品。间歇精馏实验表明，实验值与模拟值基本吻合。