敖　琛，袁希鋼，羅祎青，蓋曉龍

精餾作為常用的分離方法，占整個(gè)化工生產(chǎn)能耗的絕大部分，有的比例超過了80%。因此，探究精餾過程的節(jié)能技術(shù)并運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中非常有意義。

用于分離三組元混合物的Petlyuk塔(完全熱耦合精餾塔)以及與其等價(jià)的隔板精餾塔［1］如圖1所示。

圖1　用于分離3組分進(jìn)料組成的全熱耦合精餾塔Fig．1　Fully thermally coupled distillation arrangement for separating three-component mixture

隔板精餾塔屬于完全熱耦合精餾塔的特殊類型，其實(shí)質(zhì)就是在塔內(nèi)部增設(shè)1個(gè)豎立的隔板，將常規(guī)精餾塔的內(nèi)部分為2個(gè)部分，在1個(gè)精餾塔內(nèi)同時(shí)完成傳質(zhì)和傳熱過程。隔板塔將完全熱耦合精餾塔的預(yù)分餾塔與主塔組合在同1個(gè)精餾塔內(nèi)，從而節(jié)省了設(shè)備投資;同時(shí)隔板塔可以避免中間組分的濃度返混現(xiàn)象，有效降低能耗，即隔板塔實(shí)現(xiàn)了能量消耗和設(shè)備費(fèi)用的同時(shí)降低。Kaibel［1］在1987年詳細(xì)闡述了隔板塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分離特性，并通過與常規(guī)精餾方案比較，發(fā)現(xiàn)隔板塔比常規(guī)精餾塔節(jié)能20% ～35%，設(shè)備投資節(jié)省30%左右［2-8］。

隔板塔雖然可以同時(shí)節(jié)約能耗費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用，但是由于其特殊結(jié)構(gòu)，使得隔板塔模型具有更多的自由度，導(dǎo)致了隔板塔的操作、設(shè)計(jì)和控制都更為復(fù)雜，所以隔板塔在工業(yè)上的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)較晚。近些年來，關(guān)于隔板塔的控制和設(shè)計(jì)問題都已有了較多研究［9-15］，與隔板塔的設(shè)計(jì)和控制問題密不可分的隔板塔的操作問題成為新的研究熱點(diǎn)［16］。

如圖1所示，隔板塔有5個(gè)操作自由度，即氣相流率(V)、液相流率(L)、測線采出流率(S)、氣相分割比(Rv，進(jìn)入主塔的氣相流量占塔底氣相流量的分率)和液相分割比(Rl，進(jìn)入主塔的液相流量占塔底液相流量的分率)。從設(shè)計(jì)角度來講，如果產(chǎn)品要求用3個(gè)自由度加以固定，剩余的2個(gè)自由度可在操作中加以調(diào)節(jié)，用以優(yōu)化隔板塔年度總費(fèi)用。Fidkowski和 Krolikowski［17］的研究表明，隔板塔的年度總費(fèi)用與隔板塔中的最小氣相流率有關(guān)，其中最小氣相流率的大小取決于中間組分分配比β(即預(yù)分餾塔塔頂中中間組分的收率)，而氣液相分割比是中間組分分配比與預(yù)分餾塔中回流比的函數(shù)。因此，氣相分割比和液相分割比共同影響隔板塔的年度總費(fèi)用。

本研究針對隔板塔的操作問題，選取氣相和液相分割比為2個(gè)控制變量，以隔板塔分離3組分混合物為例，研究氣相分割比和液相分割比對隔板塔年度總費(fèi)用的影響，同時(shí)研究當(dāng)進(jìn)料組成發(fā)生變化時(shí)，針對不同進(jìn)料組成設(shè)計(jì)的隔板塔的經(jīng)濟(jì)性。

需要說明的是，本研究在評價(jià)隔板塔的經(jīng)濟(jì)性時(shí)采用隔板塔的年度總費(fèi)用(操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用的總和)而不是能量消耗作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)椋诓僮鬟^程中，當(dāng)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的隔板塔被用于分離不同的進(jìn)料組成的時(shí)候，換熱器的面積會(huì)發(fā)生變化，這將導(dǎo)致設(shè)備費(fèi)用發(fā)生改變。隔板塔的操作費(fèi)用主要包括熱公用工程和冷公用工程的費(fèi)用(塔頂冷凝器使用常溫冷卻水作為冷劑，塔底再沸器使用154℃蒸汽作為加熱蒸汽)，設(shè)備費(fèi)用主要是指塔體、塔板、再沸器和冷凝器等設(shè)備的費(fèi)用(采用GAEL D ULRICH 關(guān)聯(lián)式［18］進(jìn)行計(jì)算)。

1　隔板塔的設(shè)計(jì)

研究［19］表明，隔板塔更適合用于分離分離指數(shù)(ESI，定義為輕組分與中間組分的相對揮發(fā)度與中間組分與重組分的相對揮發(fā)度的比值，即ESI=αAB/αBC)接近1的物系，因此本研究選取正戊烷(A)、正己烷(B)和正庚烷(C)作為研究物系，采用商業(yè)化軟件Aspen Plus對隔板塔的操作狀況進(jìn)行模擬，選用了 Aspen Plus中的 MultiFrac中的PETLYUK模塊，采用SRK方程作為熱力學(xué)模型進(jìn)行嚴(yán)格模擬，并忽略不計(jì)塔板上的壓降。在隔板塔的設(shè)計(jì)方面，采用龔超等［20］提出的嚴(yán)格模擬方法，即利用Underwood方程計(jì)算完全熱耦合精餾塔的最小汽相流率，由此找出中間組分在預(yù)分餾塔中分配的最優(yōu)區(qū)間，在此基礎(chǔ)上利用Fenske方程和Gilliland關(guān)聯(lián)式等簡捷方法確定3個(gè)塔的回流比、各塔段塔板數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)，之后以簡捷模型的設(shè)計(jì)結(jié)果為初值，對隔板塔的簡捷模型進(jìn)行嚴(yán)格模擬，借助Aspen Plus軟件中的優(yōu)化模塊和靈敏度分析工具，核算確定隔板塔簡捷模型的各塔段塔板數(shù)、進(jìn)料位置、氣液相耦合流股位置、側(cè)線采出位置和回流比等參數(shù)。

為研究不同隔板塔的操作特性，本文選取4種進(jìn)料組成作為初始條件設(shè)計(jì)4種隔板塔，具體隔板塔操作條件及產(chǎn)品要求等參數(shù)見表1，4種規(guī)定進(jìn)料組成見表2，4種隔板塔的設(shè)計(jì)結(jié)果見表3。還研究了當(dāng)進(jìn)料組成有大幅度擾動(dòng)時(shí)不同隔板塔的經(jīng)濟(jì)性，例如針對隔板塔1，其擾動(dòng)的選取是分別向進(jìn)料組成的3個(gè)方向變化，即由等物質(zhì)的量進(jìn)料分別變?yōu)檩p組分、中間組分與重組分占優(yōu)進(jìn)料。

表1　進(jìn)料狀況和產(chǎn)品要求Table 1　Feed conditions and products’specifications

表2　4種進(jìn)料組成定義Table 2　Definitions for 4 cases of feed compositions

表3　4種隔板塔設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3　Results of the designs of the columns for the four cases

表3中展示了4種進(jìn)料條件下隔板塔的設(shè)計(jì)結(jié)果?？梢钥闯?，針對不同的進(jìn)料條件設(shè)計(jì)的隔板塔，其隔板塔塔板數(shù)、進(jìn)料位置、側(cè)線采出位置以及氣液相耦合流股位置不同。此外，在隔板塔的設(shè)計(jì)過程中，除了要確定隔板塔各塔段數(shù)，還需要確定隔板塔的最優(yōu)氣相和液相分割比，研究表明，rv-rl-TAC關(guān)系圖為三維響應(yīng)面［21］，并且存在最優(yōu)平坦區(qū)間［21-22］，當(dāng)氣相分割比和液相分割比的取值在這一平坦區(qū)間內(nèi)時(shí)，隔板塔的能耗最低，且隔板塔在一定范圍內(nèi)具有一定的穩(wěn)定性和操作性。因此在隔板塔的設(shè)計(jì)過程中，首先要采用簡捷計(jì)算方法［20］保證氣液相分割比的選取落在這一平坦區(qū)間內(nèi)，然后再采用化工流程模擬軟件Aspen Plus中的優(yōu)化模塊，以再沸器熱負(fù)荷最低為目標(biāo)函數(shù)，對這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而得到最適宜的氣液相分割比，優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

2　模擬結(jié)果與討論

2.1　氣液相分割比對隔板塔年度總費(fèi)用的影響

氣相分割比和液相分割比共同影響隔板塔的年度總費(fèi)用，其中隔板塔的氣相分割比由隔板的放置位置決定，在隔板塔設(shè)計(jì)完成之后就很難改變，而液相分割比則可以通過液體分配器進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此為了更好評價(jià)隔板塔的經(jīng)濟(jì)性，本研究在固定氣相分割比的情況下對液相分割比進(jìn)行了優(yōu)化，并保證隔板塔在最優(yōu)液相分割比下操作，優(yōu)化方法如下。

研究表明［22-23］，當(dāng)隔板塔用于分離三組元混合物時(shí)，對于給定的3個(gè)產(chǎn)品要求，此系統(tǒng)只存在氣液相分割比2個(gè)自由變量，當(dāng)固定氣相分割比時(shí)，液相分割比與年度總費(fèi)用的對應(yīng)關(guān)系是單值函數(shù)關(guān)系。以隔板塔1為例，固定5組氣相分割比，描繪液相分割比與年度總費(fèi)用的關(guān)系圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2　固定液相分割比時(shí)氣液相分割比對隔板塔1年度總費(fèi)用影響Fig．2　Dependence of economical behavior of DWC on vapor split ratio for Case 1 under fixed liquid split ratio

從圖2a)中可以看出，針對每1個(gè)固定的氣相分割比，都存在1個(gè)最適宜的液相分割比，使得隔板塔在當(dāng)前氣相分割比下年度總費(fèi)用最低，圖2a)中A點(diǎn)和C點(diǎn)分別代表當(dāng)氣相分割比固定為0.36和0.34時(shí)，對應(yīng)的最適宜液相分割比為0.51和0.50。固定多組氣相分割比并尋找其最適宜液相分割比，可得到圖2b)所示的氣相分割比與最適宜液相分割比的關(guān)系圖，其中B點(diǎn)并非在最優(yōu)液相分割比下操作，因此不在曲線上。同樣針對其它3種隔板塔，也存在氣液相分割比的最優(yōu)關(guān)系，這就可以為操作過程中液相分割比的優(yōu)化提供指導(dǎo)，保證隔板塔在最適宜液相分割比下操作。

在隔板塔操作過程中，隔板兩邊阻力的變化會(huì)帶來氣相分割比的變化，這就會(huì)造成年度總費(fèi)用增加或者無法達(dá)到產(chǎn)品要求。為了研究氣相分割比對隔板塔年度總費(fèi)用的影響，針對4種進(jìn)料組成設(shè)計(jì)的四種隔板塔被先后用于分離三組分混合物。

圖3為氣相分割比對隔板塔的年度總費(fèi)用的影響圖。

圖3　氣相分割比對年度總費(fèi)用的影響圖Fig．3　Economical behaviors and feasibility of the DWCs with shifted vapor split ratio

從圖3中可以看到，針對任何一種隔板塔，氣相分割比的變化范圍都是有限的，超出這個(gè)范圍，就可能出現(xiàn)液泛或者無法達(dá)到產(chǎn)品要求的情況，這個(gè)變化范圍就叫隔板塔的可操作區(qū)間。圖3顯示，4種隔板塔對應(yīng)的氣相分割比可操作區(qū)間是不同的，年度總費(fèi)用對氣相分割比的敏感程度也不同。當(dāng)隔板塔被用于分離中間組分含量較高的進(jìn)料組成時(shí)(隔板塔3)，氣相分割比與隔板塔年度總費(fèi)用的關(guān)系曲線較為平緩，證明當(dāng)氣相分割比偏離最適宜氣相分割比時(shí)，調(diào)整相應(yīng)液相分割比使其在適宜區(qū)間內(nèi)操作，則年度總費(fèi)用不會(huì)出現(xiàn)大幅度增加。而對另外3種隔板塔(隔板塔1，2和4)而言，氣相分割比偏離最適宜氣相分割比后就可能引起較大的費(fèi)用的增加。此外，用于分離輕組分含量較高的隔板塔(隔板塔1)和用于分離中間組分含量較高的隔板塔(隔板塔2)的氣相可操作區(qū)間較大，其余2種隔板塔(隔板塔3和4)的氣相可操作區(qū)間較小。

2.2　進(jìn)料組成改變對隔板塔經(jīng)濟(jì)性的影響

在實(shí)際操作過程中，由于外界條件的變化，隔板塔的進(jìn)料組成可能發(fā)生波動(dòng)，當(dāng)進(jìn)料組成改變而隔板塔中隔板位置固定即氣相分割比固定時(shí)，隔板塔可能出現(xiàn)年度總費(fèi)用過高或者無法達(dá)到產(chǎn)品要求的情況。本研究針對4種隔板塔，在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近多次變化進(jìn)料組成，研究隔板塔在改變進(jìn)料組成后的經(jīng)濟(jì)性。

本研究以隔板塔的年度總費(fèi)用變化大小作為隔板塔的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即首先采用設(shè)計(jì)完成的隔板塔分離變化進(jìn)料組成之后的混合物，并得出氣相分割比固定情況下的年度總費(fèi)用，此后再針對每種改變后的進(jìn)料組成，依據(jù)嚴(yán)格模擬方法設(shè)計(jì)相應(yīng)的隔板塔，得到優(yōu)化氣液相分割比之后的年度總費(fèi)用，將這2種費(fèi)用進(jìn)行比較，如果隔板塔依舊操作可行并且費(fèi)用漲幅小于等于10%，則認(rèn)為隔板塔在分離該進(jìn)料組成混合物時(shí)經(jīng)濟(jì)性較好。

針對4種隔板塔，在不同進(jìn)料組成條件下進(jìn)行模擬和經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，直到隔板塔操作不可行或者隔板塔年度總費(fèi)用漲幅超過10%，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4　進(jìn)料組成發(fā)生變化時(shí)隔板塔的經(jīng)濟(jì)可行區(qū)域Fig．4　Economical behaviors of divided wall column with shifted feed compositions

圖4以三角坐標(biāo)表示三組元進(jìn)料組成，圖4a)、4b)、4c)和4d)分別描繪了針對表2給出的4種不同進(jìn)料條件設(shè)計(jì)的隔板塔的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)隔板塔的進(jìn)料組成在圖中實(shí)線區(qū)域內(nèi)時(shí)，隔板塔的操作是可行的，且其年度總費(fèi)用漲幅小于等于10%，實(shí)線以外的區(qū)域則代表隔板塔不可操作或年度總費(fèi)用漲幅高于10%。

圖4描繪了4種隔板塔在進(jìn)料組成發(fā)生變化時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。

從圖4a)、4b)、4c)和4d)的比較中可以看出，針對不同進(jìn)料組成設(shè)計(jì)的隔板塔在進(jìn)料組成發(fā)生變化后的經(jīng)濟(jì)可行區(qū)域不同。如圖4b)所示，在4種隔板塔中，用于分離輕組分含量占優(yōu)的隔板塔(隔板塔2)的經(jīng)濟(jì)可行區(qū)域最大，即經(jīng)濟(jì)性最好，代表當(dāng)進(jìn)料組成在實(shí)線區(qū)域以內(nèi)變化時(shí)，隔板塔操作可行且不會(huì)帶來過高的年度總費(fèi)用。從圖4d)中可以看出，相比其它3種隔板塔，用于分離重組分含量占優(yōu)的隔板塔(隔板塔4)的經(jīng)濟(jì)性最差，只能用于分離設(shè)計(jì)點(diǎn)附近的進(jìn)料組成，如果隔板塔進(jìn)料組成發(fā)生較大變化，則隔板塔無法操作或者出現(xiàn)年度總費(fèi)用過高的情況。此外，圖4顯示，除了隔板塔4，其它3種隔板塔都不適合被用于分離重組分含量明顯占優(yōu)的進(jìn)料組成。

3　結(jié)論

完全熱耦合精餾與傳統(tǒng)精餾分離序列相比，能夠?qū)崿F(xiàn)操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用同時(shí)降低。但是，由于隔板塔的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，自由度較多，導(dǎo)致隔板塔較傳統(tǒng)精餾塔存在更多操作問題。針對這一特點(diǎn)，本研究選取氣相分割比和液相分割比作為2個(gè)控制變量，依據(jù)4種進(jìn)料組成設(shè)計(jì)4種隔板塔，考察氣相和液相分割比對4種隔板塔年度總費(fèi)用的影響，研究4種隔板塔在變化進(jìn)料組成后的經(jīng)濟(jì)性，得出如下結(jié)論:

1)氣相分割比和液相分割比同時(shí)影響隔板塔的年度總費(fèi)用，針對每種特定的進(jìn)料組成，都存在最適宜的氣相和液相分割比使得全塔的年度總費(fèi)用最低，氣相分割比和年度總費(fèi)用的關(guān)系圖可以為隔板塔的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2)針對不同進(jìn)料組成設(shè)計(jì)的隔板塔，其年度總費(fèi)用對氣相分割比的敏感程度不同，對應(yīng)的氣相可操作區(qū)間也不同。針對本研究所分離的物系，隔板塔3的氣相可操作區(qū)間較大，隔板塔4的氣相可操作區(qū)間較小。當(dāng)進(jìn)料組成發(fā)生變化時(shí)，隔板塔的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)不同。隔板塔2的經(jīng)濟(jì)性相比其他3種隔板塔更好，經(jīng)濟(jì)可行區(qū)域更大，隔板塔4的經(jīng)濟(jì)性最差。

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