分壁精餾塔分離苯/甲苯/二甲苯的模擬工藝研究

何西濤，干愛華,2*，陳　寧,2

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2.天津大學(xué)精餾技術(shù)國家工程研究中心，天津 300072)

DWC(Dividing Wall Column)稱為分壁塔，或者隔壁塔，就是在精餾塔中加入1個隔板，使原料在塔內(nèi)分開精餾，相當(dāng)于將預(yù)分離塔與精餾塔在同一個塔內(nèi)完成，屬于兩個塔的完全熱耦合精餾。圖1為DWC的示意圖。

早在20世紀(jì)30年代，Luster就已經(jīng)提出了DWC的概念，并申請了美國專利[1]。Glinos等[2-6]通過研究發(fā)現(xiàn)，分壁塔與常規(guī)精餾塔相比，降低能耗和節(jié)省投資均在30%左右。對于一些特殊的物系分離，節(jié)能可達(dá)到50%～60%[1]。目前，該領(lǐng)域的核心技術(shù)主要掌握在BASF公司。當(dāng)其它公司成功的研發(fā)出分離高純度3組分物系的DWC技術(shù)時(shí)，由BASF公司建造的第1座DWC裝置運(yùn)行已經(jīng)超過了10年。Becker和Schultz分別在2001年和2002年報(bào)道了有關(guān)DWC技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用的成功案例[7-8]。到2008年為止，全球分壁的塔數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了80座，其中有70多座填料分壁塔是由BASF公司設(shè)計(jì)建造，同時(shí)，分壁塔的數(shù)量仍在迅速增加[9]。根據(jù)美國《化學(xué)工程》2004年報(bào)道，Uhde公司已經(jīng)把分壁塔與抽提蒸餾組合在一起，采用Morphylane工藝來分離不同原料中的苯和甲苯或者二甲苯。第1套工業(yè)裝置于2004年秋季在德國Gelsenkirchen的Aral芳烴公司投產(chǎn)，可生產(chǎn)甲苯30 000t/d，純度高達(dá)99.9%以上。與雙塔方案比較，節(jié)省投資25%，節(jié)能20%。

圖1　DWC示意圖Fig.1　Schematic diagram of dividing wall column

盡管分壁塔在節(jié)能和減少投資上有很大的潛力，然而，苛刻的操控條件卻成為了該技術(shù)在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的瓶頸[10]。研究發(fā)現(xiàn)，在所有的精餾塔器中，DWC是最難控制的[11]。Halvorsen等[3]運(yùn)用簡捷法對DWC的能耗做了研究分析，他們發(fā)現(xiàn)，DWC比普通精餾塔額外的增加了2個自由變量——液相和汽相分流比(liquid and vapor split ratios)，并且這2個變量對于DWC的節(jié)能起到至關(guān)重要的作用。

國內(nèi)在分壁塔方面的應(yīng)用研究較少，尚無工業(yè)實(shí)施案例[12]。本研究以某工廠車間中分離苯(Benzene)、甲苯(Toluene)和二甲苯(Xylene)的工況為例使用ChemCAD軟件對分壁塔分離BTX的工藝進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬研究，并與工廠中常規(guī)雙塔分離工藝進(jìn)行比較。表1為原料參數(shù)及分離要求。

表1　進(jìn)料參數(shù)及分離要求Table 1　Paraments of feed and requirements of separation

1　分壁精餾塔的設(shè)計(jì)

分壁精餾塔可以等效成1個預(yù)分離塔(prefractionator)和1個主塔(main column)的雙塔系統(tǒng)[13]。圖2為分壁塔分離模型。通過采用Fenske-Underwood-Gilliland方法得到預(yù)分餾塔塔板數(shù)為30，進(jìn)料板為15，主塔塔板數(shù)為55，側(cè)線采出為第30塊板。由于進(jìn)料組分均為烴類并且是常壓分離，因此熱力學(xué)方程采用SRKM模型。

分壁塔的最大特點(diǎn)就是增加了2個變量——液相分流量和汽相分流量。在此自定義分壁塔的液相分流率、汽相分流率、分流比、液相分流比和汽相分流比。

液相分流量——單位時(shí)間內(nèi)由隔板頂部液相分流器流入主塔部分的液相流量。在圖2中表示為Ls。

汽相分流量——單位時(shí)間內(nèi)由隔板底部汽相分流器流入主塔部分的汽相流量。在圖2中表示為Vs。

圖2　分壁塔分離模型Fig.2　Diveded wall column model

2　化工熱力學(xué)模型

由于原料為芳烴，在模擬中對于芳烴的分離一般推薦使用由混合規(guī)則Panagiotopolous & Reid定義SRK方程的SRKM熱力學(xué)模型[4]。

SRKM狀態(tài)方程與SRK方程一致可以表示成：

(1)

(2)

b=0.086 64RTC/pC

(3)

在SRKM方程中，

α(T)=TrC3(C2-1)exp[C1×(1-Tr)]

(4)

式中，Tr為對比溫度；C1C2C3為由純組分的性質(zhì)決定。

SRKM狀態(tài)方程適用的混合規(guī)則：

am=∑∑xixjaij

(5)

bm=∑xibi

(6)

式中，

(7)

Kij=Kaij+Kbij/T+Kcij/T2

(8)

Kji=Kaji+Kbji/T+Kcji/T2

(9)

3　分壁塔的工藝參數(shù)分析

在分壁塔分離BTX工藝中，主要研究進(jìn)料位置、側(cè)線采出位置、回流比和分流比對塔的能耗及分離效果的影響。

3.1　進(jìn)料位置的影響

其它條件不變，改變分壁塔的進(jìn)料位置，觀察分壁塔的能耗及分離效果的改變。圖3為進(jìn)料位置與能耗及各組分純度的關(guān)系圖。

圖3　不同進(jìn)料位置對能耗和分離效果的影響Fig.3　Effect of different feed stages on energy consumption and separation

通過進(jìn)料位置由第18塊板改變到第38塊板，我們發(fā)現(xiàn)，進(jìn)料位置在23～30塊板時(shí)分離效果達(dá)到最佳。進(jìn)料位置低于第23塊板或高于第30塊板都會使能耗增加，同時(shí)側(cè)線甲苯的純度也明顯下降，這主要是由于進(jìn)料位置過高或過低都會引起預(yù)分餾塔內(nèi)的液體返混。根據(jù)能耗，最終確定分壁塔的最適宜進(jìn)料位置為第28塊板。

3.2　側(cè)線采出位置的影響

側(cè)線采出位置直接影響側(cè)線組分甲苯的純度，具體見圖4。

通過圖4，我們可以發(fā)現(xiàn)，第24～30塊板為側(cè)線的最適宜采出位置，組分的純度最高。由24到30塊板之間，能耗逐漸下降，因此，第30塊板為最佳的側(cè)線采出位置。同時(shí)，當(dāng)側(cè)線在34塊板以下時(shí)，塔底組分二甲苯的純度開始迅速下降，而側(cè)線采出位置對塔頂組分的影響并不大。因?yàn)槿叩南鄬]發(fā)度為αB：αT：αX=7.544 : 3.680 : 1.000，苯的相對揮發(fā)度最大，在塔頂易分離，因此側(cè)線位置對苯的純度影響不明顯。而當(dāng)側(cè)線位置過于偏于分壁塔下部(第34塊板以下)時(shí)，會導(dǎo)致大量未分離的甲苯進(jìn)入塔底與塔底的二甲苯混合，從而導(dǎo)致塔底二甲苯的純度下降[13]。

3.3　回流比的影響

回流比的影響見圖5。

由圖5可以看出，當(dāng)進(jìn)料位置與側(cè)線采出均處于最適宜位置時(shí)，隨著回流比的增大，再沸器的能耗逐漸增大，塔底的二甲苯的純度也不斷增大，塔頂苯的純度是先升高，當(dāng)回流比達(dá)到3.5以后趨于恒定。然而，側(cè)線采出中的甲苯的純度卻是逐漸減小。這是由于回流比的增大導(dǎo)致了回流量的增大，進(jìn)而增大了分壁塔側(cè)線采出所在的隔板一側(cè)的返混，使得甲苯的純度降低。考慮3組分純度的綜合因素，3.5～4.5為回流比的最適宜范圍。低于3.5時(shí)，苯和二甲苯的純度會明顯降低，高于4.5會使再沸器能耗增大，側(cè)線甲苯純度降低。經(jīng)過確切的計(jì)算可知，3.508 2為最適宜的回流比。

3.4　分流比的影響

液相和汽相分流是分壁塔的最大特點(diǎn)。由于液相比汽相更容易收集和分布，因此在這2個變量中液相分流相對于汽相分流更容易控制。液體在上端精餾段(圖2中的Ⅰ)被收集后通過液相分流器在隔板頂部兩側(cè)(圖2中的Ⅱ和Ⅲ頂端塔板)按比例進(jìn)行分配。汽相在塔底下端提餾段(圖2中的Ⅳ)被收集后通過汽相分流器在隔板底部兩側(cè)(圖2中的Ⅱ和Ⅲ的底端塔板)按比例重新分配。汽液相的分流直接影響到能耗和組分的分離效果，它也是分壁塔控制的重要變量。圖6顯示了在不同汽液分流比下能耗和各組分的分離純度。

圖4　不同側(cè)線采出位置對能耗和分離效果的影響Fig.4　Effect of different side-draw stage on energy consumption and separation

圖5　不同回流比對分離效果的影響Fig.5　Effect of different reflux ratio on separation

通過圖6c)、圖6d)、圖6e)和圖6f)中不同分流比下各組分純度的投影，我們可以看出，在液相分流比為0.65～0.90，汽相分流為0.40～0.45范圍內(nèi)，3組分的純度分別為XB≥99.99%，XT≥99.90%，XX≥99.90%，均可達(dá)到分離要求，即XB≥99.99%，XT≥99.90%，XX≥99.90%，XBottom-T≤0.10%。由所能達(dá)到分離要求的分流比區(qū)域可以看出，汽相分流比控制范圍較窄，這也正是分壁塔不易操作和廣泛推廣的主要原因。根據(jù)圖6a)和圖6b)，我們可以確定最適宜液相分流比為0.65，汽相分流比為0.45，再沸器的能耗為212.7 Mcal/h(1 cal=4.18 J)。由于汽相相對于液相比較難收集和再分布，因此，在實(shí)際操作中，一般固定汽相分流，通過調(diào)控液相分流來達(dá)到分離要求。

錢春健等[14]通過試驗(yàn)研究分壁塔分離苯、甲苯和二甲苯三組分混合物時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)料點(diǎn)分別沿進(jìn)料段由上而下變化時(shí)，塔頂?shù)漠a(chǎn)品苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次提高，而側(cè)線產(chǎn)品甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小，最終確定進(jìn)料位置在中間部位。并且還得出了最適宜側(cè)線采出點(diǎn)也處在側(cè)線中部。然而，本次模擬結(jié)果顯示，塔頂苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨進(jìn)料位置由上到下先增大后減小。因?yàn)殄X春健等在試驗(yàn)中只取了3個點(diǎn)作為參考，無法全面考察各工藝條件的變化對產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。但是，總體來說本次模擬結(jié)果與錢春健等的試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

4　分壁精餾塔與常規(guī)精餾的比較

常規(guī)的雙塔精餾工藝，可以分為2種分離工藝，即優(yōu)先分離苯和優(yōu)先分離二甲苯。由于苯、甲苯和二甲苯之間的相對揮發(fā)度為αB∶αT∶αX=7.544∶3.680∶1.000，所以選用優(yōu)先分離出苯的雙塔工藝。

圖7為常規(guī)3組分分離方案的示意圖。常規(guī)精餾工藝同樣采用SRKM熱力學(xué)模型。分壁精餾塔和常規(guī)精餾塔分離BTX的工藝比較如表2所示。

圖6　不同汽液分流比下能耗和各組分的分離純度Fig.6　Effect of split ratios

通過比較發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)品純度基本相當(dāng)?shù)那闆r下，分壁塔的冷凝負(fù)荷和熱負(fù)荷分別比常規(guī)精餾塔減少31.066 9%和34.167 5%。由此可見，分壁精餾塔在節(jié)能方面占有很大的優(yōu)勢。

5　結(jié)論

通過模擬分壁精餾塔分離等比例的苯、甲苯和二甲苯三組分物系工藝，以及與常規(guī)精餾塔模擬結(jié)果的比較，得出以下結(jié)論。

圖7　常規(guī)精餾塔分離BTX模型Fig.7　Conventional model of separating BTX

分壁塔常規(guī)精餾塔T101T102比較值/%塔板數(shù)55303083333進(jìn)料板151515塔頂壓力/kPa137931013793101379310回流比350823357419729377150冷負(fù)荷/(Mcal·h-1)-1491540-1405813-757937310669熱負(fù)荷/(Mcal·h-1)212700020683911162535341675XBenzene/%999950999899920XToluene/%99920399．9899920XXylene/%99950099．8999830．0203X塔底甲苯/%0．050000．10000050．0000

注：比較值=1-分壁塔數(shù)值/常規(guī)精餾塔數(shù)值；1 cal=4.18 J。

1)塔頂苯和側(cè)線甲苯的純度隨著進(jìn)料板位置由塔頂部到底部的不斷下移純度先升高后下降，在中間部位純度達(dá)到最大。同樣，隔板和側(cè)線的最適宜位置也位于塔的中間部位。

2)最適宜進(jìn)料位置為第28塊板。隔板上部精餾段和下部提留段的塔板數(shù)均為13塊。側(cè)線最適宜采出位置為第30塊塔板。

3)對于等比例的苯、甲苯和二甲苯混合物系，最適宜液相分流比和汽相分流比分別為0.65和0.45。

4)常規(guī)精餾塔分離結(jié)果比較，在苯、甲苯和二甲苯的組成比例相同時(shí)，分壁精餾塔在冷負(fù)荷和熱負(fù)荷方面分別節(jié)能31.066 9%和34.167 5%，并且塔底甲苯含量減少50%。

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