于飛躍 ,孫 姣 ,范 贏 ,陳文義 *
(1.河北工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程系,天津 300130;2.河北工業(yè)大學(xué)工程流動與過程強化研究中心,天津 300130)
石油裂解和化工生產(chǎn)中,精餾是最廣泛的操作環(huán)節(jié),但在傳統(tǒng)的精餾工藝中,常以高能耗、高物耗為代價來獲得所需產(chǎn)品。精餾過程的能耗約占整個化工工業(yè)用能的40%[1-2]。當(dāng)今我國資源短缺嚴(yán)重,能源價格不斷上漲,環(huán)境問題突出,為此已有很多節(jié)能減排方法應(yīng)用于精餾塔的設(shè)計與操作中,如:熱泵精餾、多效精餾、壓差熱耦合精餾、內(nèi)部熱集成精餾等。為進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益,學(xué)者們以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ),利用完全熱耦合技術(shù)來降低精餾過程的能耗。隔板塔是完全熱耦精餾塔的一種特殊類型,它改變了傳統(tǒng)精餾塔的結(jié)構(gòu),突破了傳統(tǒng)簡單精餾塔的模式,具有節(jié)能降耗、減少投資、無返混、熱力學(xué)效率高等優(yōu)點[3-6]。
早在1933年,因裂解氣分離問題,Eric W luster提出了隔板塔概念,并申請了美國專利[7]。1965年前蘇聯(lián)學(xué)者Petlyuk提出一種分離多組分混合物的“Petlyuk塔”,如圖1(a),該塔研究的領(lǐng)域非常廣泛,涉及到參數(shù)估計、熱力學(xué)分析、敏感性分析、模擬與優(yōu)化等方面。盡管“Petlyuk塔”具有眾多優(yōu)點,但限于當(dāng)時科技水平,“Petlyuk塔”一直未得到進(jìn)一步研究。BASF公司于1985年率先應(yīng)用完全熱耦合技術(shù)建立焊接式隔板塔,應(yīng)用于精細(xì)化學(xué)品的回收。1987年,Kaibel[8]發(fā)表了一篇有關(guān)隔板塔的文章,該篇文章引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,自此相關(guān)論文數(shù)量陡然增多。1999年,美國Kel1ogg公司與BP公司合作[9],在英國Coryton煉油廠設(shè)計建造了兩套隔板塔裝置,一套應(yīng)用于石油混合物中分離C6組分;另一套裝置用于間歇操作的重整流程。同一年南非薩索爾(Sasol)公司采用了BASF公司的技術(shù)制造世界上最高的一座隔板塔 (高107m,直徑5m),該塔用于回收合成汽油混合物中1-己烯。此外多家公司也涉及隔板塔的研制,包括德國Linde、Uhde公司,瑞士Sulzer公司,美國Koch-Glitsch、Kellogg和UOP公司,日本Sumitomo公司等。BASF[10]于2002年開始研制用于分離四組分混合物的隔板塔,已取得相當(dāng)大的成就。隔板塔在國外已經(jīng)工業(yè)化多年,超過200套裝置用于煉油、精細(xì)化工等不同場合[11]。國內(nèi)對隔板塔的研究相對較晚,2005年以后,國內(nèi)關(guān)于隔壁塔的專利增多,但只有少數(shù)獲得授權(quán),孫蘭義等[12-14]的研究主要涉及隔板塔的理論與體系開發(fā)、隔板塔體系的模擬、優(yōu)化及控制等方面,為隔板塔的研究與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
隔板塔也稱隔壁塔、分壁式精餾塔。隔板塔是在普通精餾塔內(nèi)部設(shè)置一豎直隔板,其效果相當(dāng)于將Petlyuk塔的主塔和副塔放在一個塔內(nèi),如圖1(b)。隔板將精餾塔分為公共精餾段、公共提餾段、預(yù)分離段和側(cè)線采出段4部分,如圖2所示。三元混合物ABC(A為輕組分、B為中間組分、C為重組分)進(jìn)入隔板塔,在預(yù)分離段初步分離成AB、BC兩種混合物,公共精餾段將混合物AB分離,公共提餾段將混合物BC分離,塔頂采出輕組分A,塔底采出重組分C,中間組分B在濃度最大處由側(cè)線采出。相比于傳統(tǒng)雙塔精餾,隔板塔節(jié)省了一座精餾塔、一個再沸器、一個冷凝器。研究表明隔板塔可節(jié)約能耗30%,特殊物系可達(dá)50%~60%[15]。
圖1 熱耦合精餾塔
由于隔板的數(shù)量以及分離的物系不同,隔板塔具有多種結(jié)構(gòu),三產(chǎn)品隔板塔工藝相對成熟并已成功實現(xiàn)工業(yè)化,四產(chǎn)品和五產(chǎn)品隔板塔尚未成功應(yīng)用。
對于三產(chǎn)品隔板塔,根據(jù)隔板的安裝位置,主要有三種結(jié)構(gòu)。第一種結(jié)構(gòu)是隔板位于塔底部,由Monro[16]在1938年提出,如圖2(a)所示。該種隔板塔提出的目的是用最少的熱量損失來生產(chǎn)不同等級的碳?xì)浠衔?,該裝置在2004年首次得到應(yīng)用[17];第二種結(jié)構(gòu)是隔板在精餾塔中間,由 Wright[18]在1949年提出,是工業(yè)中應(yīng)用最早的隔板塔,如圖2(b)所示;第三種結(jié)構(gòu)是隔板位于塔頂部,由Ognisty和Manley[19]在1998年提出,如圖2(c)所示。Wang[20]針對上述三種結(jié)構(gòu)的隔板塔,研究其動力學(xué)行為與控制策略。結(jié)果表明,圖2(c)所示的結(jié)構(gòu)在三種結(jié)構(gòu)中分離效果最差,多數(shù)情況下圖2(a)的動力學(xué)良好,但能耗較高。
圖2 三產(chǎn)品隔板塔結(jié)構(gòu)
對于四產(chǎn)品隔板塔,主要有四種結(jié)構(gòu),第一種是“Kaibel塔”,如圖 3(a),由 Kaibel[21]在 1987 年提出,可實現(xiàn)四組分的清晰分割;第二種是“Kaibel塔”的改進(jìn)結(jié)構(gòu),如圖3(b),由 Christiansen[22]在1997年提出,該結(jié)構(gòu)擁有一個豎直隔板和一個水平隔板,可在進(jìn)行能量耦合的同時避免返混;第三種結(jié)構(gòu)由Dejanovic[23]在2010年提出,該塔中具有多塊平行隔板,如圖3(c),通過增加平行隔板數(shù)量來提高熱力學(xué)效率。王二強[24]研究了一個具有較多隔板的隔板塔,用于制備甲基萘和工業(yè)苊的工藝流程,與傳統(tǒng)工藝相比,該隔板塔所獲得的產(chǎn)品純度和收率有了很大提高。
圖3 四產(chǎn)品隔板塔結(jié)構(gòu)
隔板的安裝位置會影響分離效果,Asprion[25]指出若隔板兩側(cè)溫度差異較大,為避免由熱膨脹引起的隔板彎曲,應(yīng)采用對稱的、同心的隔板塔結(jié)構(gòu),如圖4(a);若進(jìn)料中間組分含量較小,應(yīng)采用偏離中心位置的隔板塔結(jié)構(gòu),如圖4(b);若隔板塔是氣相進(jìn)料或氣相采出時,應(yīng)采用帶有傾斜度的隔板塔結(jié)構(gòu),傾斜處的隔板應(yīng)在進(jìn)料板和側(cè)線采出板的中間處,結(jié)構(gòu)如圖4(c)。
圖4 不同隔板位置隔板塔結(jié)構(gòu)
當(dāng)今的工業(yè)發(fā)展中環(huán)境效益逐漸被人們所重視,熱耦合技術(shù)蘊含著巨大的節(jié)能減排潛力和廣闊應(yīng)用空間。研究者們將隔板塔分別與其它類型精餾塔相結(jié)合,設(shè)計出反應(yīng)精餾隔板塔(圖5(a))、萃取精餾隔板塔(圖 5(b))、共沸精餾隔板塔(圖 5(c))。這種結(jié)合使得工藝流程更簡化,熱力學(xué)效率更高,節(jié)能效果更加明顯。張海洋[26]提出了具有2個反應(yīng)段的反應(yīng)精餾隔板塔,用于分離環(huán)己烯與環(huán)己烷混合物,其內(nèi)部設(shè)置一個垂直隔板,并將隔板右側(cè)上部密封,雙反應(yīng)段反應(yīng)精餾隔板塔雖然不具有節(jié)能優(yōu)勢,但完全具有常規(guī)反應(yīng)精餾過程所能達(dá)到的分離效果,并可顯著降低設(shè)備投資和占用空間。
圖5 特殊精餾體系
隔板的安裝形式多樣,Christiansem[27]經(jīng)過不斷研究與驗證,設(shè)計一種三角隔板結(jié)構(gòu),如圖6所示,塔中三個區(qū)域都是相互連通的,任意兩個區(qū)域之間還可以進(jìn)行混合物的分離;Harald[28]指出隔板的安裝可以按“Z”和“U”的方式,隔板的材料可用金屬或者塑料,金屬可以采用耐腐蝕的材料如含鉻-鎳的不銹鋼,塑料可以采用絕熱的材料如四氟乙烯,還可以兩者相結(jié)合使用;王洪海等[29]提出了如圖7所示的一種垂直雙隔板的隔板塔,用于戊烷、己烷、庚烷、辛烷混合物的分離,該隔板塔利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點,實現(xiàn)靈活控制塔板底部的氣相分配比,同時這種隔板塔能夠有效降低主塔段高度,經(jīng)模擬優(yōu)化和用能分析,結(jié)果表明該新型隔板塔分離純度較高,節(jié)能最高可達(dá)18.6%,節(jié)能效果明顯。
圖6 三角隔板結(jié)構(gòu)
圖7 垂直雙隔板結(jié)構(gòu)
隔板塔中,隔板的結(jié)構(gòu)和安裝形式尤為重要,除了隔板要符合板式塔和填料塔的結(jié)構(gòu)外,還要考慮隔板的傳熱,塔體的結(jié)構(gòu)和人孔等問題。Kaibel[30]針對填料塔中隔板的安裝方式,提出如圖8所示可拆卸的隔板,該結(jié)構(gòu)包含薄條帶、導(dǎo)流板和隔板,隔板分為多段,各段之間、各段與塔之間采用特殊密封,該裝置除了具有方便拆卸、利于檢修等優(yōu)點,還具有減小壁流、減少隔板兩側(cè)熱傳導(dǎo)的優(yōu)點。Steacy[31]針對板式隔板塔中隔板兩側(cè)之間傳熱問題,專門設(shè)計了一種特殊隔板,隔板兩側(cè)與降液管之間有一定的空隙,該空隙使從降液管流下的液體和隔板之間有一個氣層,該氣層能有效減小傳熱系數(shù),結(jié)構(gòu)如圖9所示。由于隔板部位的截面不再是對稱的圓形,因此必須采用專門設(shè)計的塔板,Kovak[32]針對隔板塔的特殊結(jié)構(gòu),設(shè)計了專門用于隔板塔的半圓形塔板。張英[33]等人研發(fā)了一種拼接式的隔板,隔板采用分段制造、靈活組裝的原則,考慮人孔的大小和采用特殊的固定方式,滿足了工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計要求,并于2015年成功開車。Jansen[34]開發(fā)了一種帶插入塊的隔板,如圖10所示,該隔板可靈活安裝和拆卸,若系統(tǒng)中隔板兩側(cè)溫差大于 5℃ 時,隔板優(yōu)選絕熱材料制造。
圖8 可拆卸的隔板圖
圖9 減小傳熱系數(shù)的塔板圖
圖10 帶插入塊隔板結(jié)構(gòu)
整塔控制是隔板塔運行需要解決的關(guān)鍵問題,包括液相控制、氣相控制及隔板塔操作系統(tǒng)的控制。隔板塔多數(shù)采用安裝填料的形式,填料塔具有放大效應(yīng),即塔徑越大填料的分離效率越低。填料塔產(chǎn)生放大效應(yīng)的原因是因為塔中心區(qū)氣量多,環(huán)塔壁區(qū)氣量少,填料層下端進(jìn)氣分布不均勻,出現(xiàn)偏流、渦流現(xiàn)象。為減小隔板塔的放大效應(yīng),氣相控制是隔板塔能否正常操作的關(guān)鍵。
隔板塔中液體分配裝置是重要的塔內(nèi)件,液體初始分布不理想,分離效率會急劇下降。液體在隔板塔填料層中流動時會產(chǎn)生兩種不良分布,即大尺度不良分布與小尺度不良分布。大尺度不良分布是由塔的外部因素造成,如液體初始分布不均勻、塔體傾斜、壁效應(yīng)、填料塔安裝不均勻等。小尺度不良分布是由塔內(nèi)部因素造成,如填料的類型及尺寸,填料固有特性等。為了避免初始液體分配不均造成的影響,研究者研發(fā)了各種液體分布裝置。根據(jù)液體在分配裝置中的出料方式,可以分為間歇式和連續(xù)式液體分配裝置。
如圖11(a)所示的間歇式液體分配裝置,通常用于實驗室規(guī)模的隔板塔,該裝置采用擺動漏斗來進(jìn)行內(nèi)部液體分配,由電磁鐵來控制擺動的時間,從而控制液體在隔板兩側(cè)的分配。德國Montz公司[35]設(shè)計的如圖11(b)所示的間歇式液體分配裝置,內(nèi)部分為三個室,進(jìn)料室位于上部,液體流向預(yù)分離段或側(cè)線采出段是由內(nèi)部分配體的位置決定,分配體由磁耦合驅(qū)動,外部驅(qū)動依靠的是氣壓驅(qū)動的馬達(dá)。
圖11 間歇式液體分配裝置
連續(xù)式裝置是采集隔板上方液體,計量后按比例分配到預(yù)分離段和側(cè)線采出段。Mutalib[36]在所設(shè)計的隔板塔中采用如圖12(c)所示的液體調(diào)配裝置,該裝置將隔板上方液體進(jìn)行采集,存儲在塔外儲液罐中,通過管道將液體分別運輸?shù)筋A(yù)分離段和側(cè)線采出段,通過調(diào)節(jié)管道上閥門實現(xiàn)液體的分配,這類裝置流量值較穩(wěn)定,但集液槽中的液體需要維持一定高度,會增加隔板塔整體高度。LEE[37]提出一種如圖12(a)所示的液體回流分配裝置,流向預(yù)分離段的管道位于隔板塔內(nèi)部,管道上未設(shè)置閥門,流向側(cè)線采出段的管道位于隔板塔外部,并且有多個閥門,通過調(diào)節(jié)閥門的開度來調(diào)節(jié)液相分配比。LEE[38]又通過對傳統(tǒng)的收集板和分布板進(jìn)行改造,提出一種如圖12(b)的回流分配裝置,該裝置放于塔內(nèi),由收集板收集液體然后匯聚到收集箱內(nèi),通過調(diào)節(jié)塔外管道上閥門的開度來調(diào)節(jié)流向預(yù)分離段和側(cè)線采出段的流量。
圖12 連續(xù)式液體分配裝置
氣體分配裝置是制約隔板塔發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié),近年來得到快速發(fā)展。氣體分配比不僅關(guān)系著各產(chǎn)品的純度,也決定著能耗高低,同時影響分離效率,氣體分布不均也會導(dǎo)致氣液接觸不良,塔內(nèi)的壁流和溝流現(xiàn)象嚴(yán)重,嚴(yán)重影響填料床層的流體力學(xué)特性。2009年,Hemandez[39]在一套中試裝置中,安裝了氣相分配控制器,在隔板塔底部安裝一塊可以移動擋板,通過擋板的位置改變來改變隔板左右兩側(cè)氣分配。2013年,Deeptanshu[40]設(shè)計了一種新型氣相分配比控制裝置,如圖13(a)所示,該裝置包括動力機構(gòu)和傳動機構(gòu),依靠外部的電動馬達(dá)控制齒條和齒輪移動,帽子與齒條相連,通過調(diào)節(jié)帽子的高度來調(diào)整氣體流量,從而實現(xiàn)對氣體分配比的調(diào)節(jié)。陳-義[41-45]為解決隔板塔中氣體分配比的調(diào)節(jié)問題,設(shè)計研發(fā)了具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的氣體調(diào)配裝置,如圖13(c),該裝置具有以下特點:①裝置中設(shè)置了氣體信號采集裝置,根據(jù)氣體偏差信號的反饋,作用于葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)氣體流量;②裝置中具有獨立的氣體、液體通道,避免了液體分配不均對氣體調(diào)節(jié)的影響。為保證該裝置的性能,陳文義等人又在葉片角度、上升蒸汽管數(shù)、v型帽角度、v型帽和蒸氣管間距等因素對氣體的影響上進(jìn)行了探索,利用計算流體力學(xué)軟件 STAR-CCM+對氣體通過該裝置后的分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬與實驗驗證,結(jié)果表明該裝置可以靈活地調(diào)節(jié)氣體的分配。李春利[46]設(shè)計了如圖13(b)所示的氣體調(diào)配裝置,該裝置在隔板的一側(cè)開一矩形孔,在升氣管道所在塔板上存有一定液位高度的液體,通過調(diào)節(jié)液位的高度來調(diào)節(jié)隔板兩側(cè)的壓差,達(dá)到調(diào)節(jié)氣體分配比的目的。
圖13 氣體分配裝置
隔板塔操作系統(tǒng)的控制,一直是學(xué)者們研究的重點,但該方面的研究都是針對特定物系以及特定結(jié)構(gòu)的研究,對于一種控制手段應(yīng)用到多種物系分離方面的研究還比較欠缺。隔板塔的控制方案主要有,濃度控制,溫度控制,反饋控制以及一些其它控制方法。
Al-Arfaj[47-48]采用濃度控制,對醋酸甲酯反應(yīng)精餾塔進(jìn)行設(shè)計與控制,采用的控制方案有三點濃度控制,即控制塔底產(chǎn)物濃度、塔頂產(chǎn)物濃度、側(cè)線產(chǎn)物濃度;還有四點濃度控制,即控制塔底產(chǎn)物濃度、塔頂產(chǎn)物濃度、側(cè)線產(chǎn)物濃度、側(cè)線采出產(chǎn)品中沸點最高和最低物質(zhì)的含量比例。得出濃度控制能夠使產(chǎn)品純度得到精確的控制。Wolff和Skogestad[49]指出當(dāng)需要同時控制其塔頂、側(cè)線、塔底產(chǎn)品的產(chǎn)品純度以及側(cè)線產(chǎn)品中雜質(zhì)濃度比例時,塔的操作過程中都會出現(xiàn)“黑洞”問題,也就是操作區(qū)域上會出現(xiàn)不連續(xù)區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)無論變量取何值,都無法滿足給定的設(shè)計指標(biāo)要求。
Wang和Wong[50]采用溫度控制,在預(yù)分離段和側(cè)線采出段分別設(shè)置一個溫度控制點和兩個溫度控制點,結(jié)果表明該控制方法對進(jìn)料組成控制效果較差,但對進(jìn)料流量干擾控制效果好。Ling和Luyben[51-52]提出了溫度控制方法和溫差控制方法;溫度控制方法是在公共精餾段、公共提餾段、側(cè)線采出段和預(yù)分離段的上半部分別設(shè)置四個溫度控制回路;溫差控制方法是在原來的溫度控制方法中另外設(shè)置四個溫度傳感器,與原有的控制回路一起構(gòu)成了四個溫差控制回路,通過調(diào)節(jié)液相分配比來達(dá)到控制預(yù)分段頂部重組分的濃度,從而使能耗最小。魏志斌[53]研究了用于分離4組分混合物隔板塔,選取了隔板塔所特有的液體分配比和側(cè)線采出量作為操作變量,設(shè)計了四個溫度控制結(jié)構(gòu)來控制塔內(nèi)的溫度,所設(shè)計的四個溫度控制結(jié)構(gòu)及針對每個控制回路設(shè)計的4個PI(比例積分)控制器能很好地解決隔板塔易受干擾、難控制的問題,獲得混合物最佳的分離效果。劉立新[54]對共沸精餾隔板塔建立多個兩點溫度控制結(jié)構(gòu),對萃取精餾隔板塔建立多個三點(及四點)溫度控制結(jié)構(gòu)。通過增加進(jìn)料量和組成擾動進(jìn)行測試分析,得出能有效抵抗進(jìn)料擾動的溫度控制結(jié)構(gòu)。
反饋控制是較簡單的控制方法,隔板塔有七個操作自由度,即液相回流流率、氣相回流流率、塔頂產(chǎn)品流率、塔底產(chǎn)品流率、側(cè)線產(chǎn)品流率、隔板頂部液相分配率、隔板底部氣相分配率,這七個自由度都可以用于操縱變量,選擇兩個用于保證塔的穩(wěn)定運行,三個用于控制產(chǎn)品濃度,剩余的兩個用于優(yōu)化控制。Wolff和Skogestad[49]指出,分離三組分混合物通過操作回流流率來控制輕組分的純度,通過操作側(cè)線流率來控制中間組分純度,通過操作反塔氣相流率來控制重組分純度,他們依據(jù)線性分析工具和頻域分析方法來研究分散反饋控制結(jié)構(gòu),結(jié)果表明分散控制方案能很好地避免控制時存在的漏洞。Serra[55]系統(tǒng)研究了幾種常見離散反饋控制結(jié)構(gòu)的高效和魯棒性,結(jié)果表明隔板塔的可控性和節(jié)能性是矛盾的,系統(tǒng)處于最佳節(jié)能狀態(tài)時可控性往往會下降。
除了單獨采用單一變量來控制整個系統(tǒng)外,也有多種變量結(jié)合使用的方法,以及一些其他的控制方法。Wang和Wong[50]研究用隔板塔獲得高純度產(chǎn)品的能量效率與可控性之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)能量效率與氣液分配比有關(guān),其在研究控制策略時權(quán)衡能耗和可控性的關(guān)系,設(shè)計出溫度-濃度串級控制,優(yōu)點是可同時克服塔內(nèi)外擾動,獲得能耗和可控性最優(yōu)。Cárdenas[56]采用 SVD方法和閉環(huán)動態(tài)模擬,比較熱耦合精餾塔與傳統(tǒng)精餾塔對分離碳?xì)浠衔锏目刂菩阅?,得出熱耦合精餾塔可表現(xiàn)出最優(yōu)動態(tài)響應(yīng)。Van Diggelen[57]對分離苯、甲苯和二甲苯的隔板塔進(jìn)行 PID(比例積分微分)控制和先進(jìn)控制(線性二次高斯 LQG、線性二次調(diào)節(jié)器 LQR、一般位移控制 GMC等)的控制性能進(jìn)行比較,研究表明,先進(jìn)控制比PID控制達(dá)到新穩(wěn)態(tài)的時間短。
國內(nèi)對隔板塔的研究都是基于一些流程模擬軟件,如 Aspen Plus、CHEM-CAD、PROⅡ、HYSYS等,而不是基于更加嚴(yán)格的機理模型,所設(shè)計隔板塔的穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型與實際過程存在較大偏差。研究者在進(jìn)行隔板塔的穩(wěn)態(tài)模擬研究的基礎(chǔ)上,還需要進(jìn)行動態(tài)模擬來檢驗控制方案是否可行。
研究者在設(shè)計隔板塔的同時還需考慮系統(tǒng)設(shè)計與控制之間內(nèi)在關(guān)聯(lián)與折衷問題,也要考慮物質(zhì)與能量耦合所導(dǎo)致的嚴(yán)重的關(guān)聯(lián)性和高度的非線性問題,提出可靠、穩(wěn)定的控制方案或控制結(jié)構(gòu)。后續(xù)研究需研發(fā)多層次交叉領(lǐng)域綠色節(jié)能型隔板塔技術(shù),更廣泛地應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥、光伏、環(huán)境等重要領(lǐng)域,最大程度發(fā)揮隔板塔的工業(yè)價值。