恒全回流塔頂累積間歇精餾過程的研究

許憲碩，白　鵬，張錦威

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

間歇精餾作為化工生產(chǎn)中常用的分離技術(shù)，設(shè)備簡單，可單塔實(shí)現(xiàn)多組分混合物的分離，允許進(jìn)料濃度在較大范圍內(nèi)變化，同時(shí)適用于不同分離要求的物料，操作靈活，廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工和制藥等高附加值產(chǎn)品行業(yè)。

在精餾操作中，全回流具有以下特點(diǎn)：1)塔頂產(chǎn)品為零，不向塔內(nèi)進(jìn)料，也不從塔內(nèi)取出產(chǎn)品；2)達(dá)到規(guī)定分離程度所需理論板層數(shù)最少。通常，在全回流下精餾塔無生產(chǎn)能力，對(duì)正常生產(chǎn)無實(shí)際意義，一般應(yīng)用于：1)精餾開工階段，精餾塔的調(diào)試；2)精餾塔的實(shí)踐研究，如塔板效率的測(cè)定，塔填料性能的測(cè)定等。

目前對(duì)間歇精餾的研究集中在2個(gè)方面[1-4]：1)關(guān)于間歇精餾的數(shù)學(xué)模型及其計(jì)算方法的研究；2)關(guān)于操作過程的優(yōu)化策略研究。

本研究在全回流-全采出間歇精餾、動(dòng)態(tài)累積循環(huán)間歇精餾[5-6]以及多罐間歇精餾[7-10]等操作方式的基礎(chǔ)上，提出了一種恒全回流塔頂累積間歇精餾的新型操作方式。此方式主要包括兩個(gè)階段：1)全回流穩(wěn)定階段；2)保持全回流不變，各中間罐液體至下而上轉(zhuǎn)移，塔頂產(chǎn)品采出。相對(duì)于以往的操作方式，新操作方式具有沒有全采出填充回流罐的無回流階段，塔內(nèi)濃度梯度分布相對(duì)比較穩(wěn)定，能更有效省時(shí)的得到產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)。

本研究建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并借助Matlab軟件進(jìn)行模擬，最后選用乙酸-水二元混合物進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證研究，結(jié)果表明該操作方式可以有效縮短操作時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，整塔運(yùn)行穩(wěn)定且操作簡單易于控制。

1　模型的建立

1.1　模型假設(shè)

恒全回流塔頂累積間歇精餾模型如圖1所示，同時(shí)作如下假設(shè)：1)各塔板為理論塔板，符合平衡級(jí)和全混級(jí)假設(shè)；2)汽相為理想氣體，液相為非理想液體；3)整個(gè)操作過程絕熱，忽略熱量損失；4)塔頂、各塔板恒摩爾持液，忽略塔中汽相滯留量；5)二元精餾系統(tǒng)的相對(duì)揮發(fā)度α為常數(shù)。

圖1　恒全回流塔頂累積間歇精餾操作Fig.1　Constant total reflux batch distillation with dynamic accumulation

1.2　恒全回流動(dòng)態(tài)累積過程的模擬

1.2.1物料衡算方程

各塔板汽液兩相流動(dòng)情況如圖2所示。

圖2　塔板物料平衡Fig.2　Material balance on plate j

1)塔頂冷凝器 (j=1)

(1)

2)塔板 (j=2,3,...,n-1且j≠m-1)

(2)

3)塔板 (j=m-1)

(3)

4)中間罐 (j=m)

(4)

5)塔釜 (j=N,n為采出次數(shù))

(5)

(6)

1.2.2汽液平衡方程

(7)

1.2.3組分加和方程(歸一化方程)

包括液相組分加和方程和汽相組分加和方程。

(8)

1.3　過程模擬及結(jié)果

借助Matlab軟件，應(yīng)用上述模型采用ode45方法進(jìn)行模擬求解[7]，驗(yàn)證了該方法的可行性。圖3和圖4給出了常規(guī)恒定回流比操作下，塔頂、塔釜及特征塔板上組分濃度隨時(shí)間的變化。圖5和圖6給出了恒全回流操作方式下，塔釜、塔頂和兩個(gè)中間儲(chǔ)罐的組分濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖3　常規(guī)恒定回流比R=6.5，N=10時(shí)塔板濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.3　Concentration on the plate vs. distillation time when regular constant reflux ratio R=6.5，N=10

圖4　常規(guī)恒定回流比R=2.8，N=15時(shí)塔板濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.4　Concentration on the plate vs. distillation time when regular constant reflux ratio R=2.8，N=15

圖5　恒全回流各儲(chǔ)罐濃度隨時(shí)間變化圖(N=10)Fig.5　Concentration in vessels (1), (2) and still vs. the distillation time when constant total reflux ratio batch distillation (N=10)

圖6　恒全回流各儲(chǔ)罐濃度隨時(shí)間變化圖(N=15)Fig.6　Concentration in vessels (1),(2) and the still vs. distillation time when constant total reflux ratio batch distillation(N=15)

對(duì)比圖3和圖5，可以發(fā)現(xiàn)恒全回流操作具有與常規(guī)恒回流比操作完全不同的變化曲線，但同樣可以在塔頂實(shí)現(xiàn)輕組分的富集。具體的比較結(jié)果見表1。

表1　恒定回流比與恒全回流操作下的模擬結(jié)果對(duì)比Table 1　Comparison of simulations under regular constant reflux ratio and constant total reflux ratio batch distillation

表1顯示出恒全回流操作方式下，全塔始終處于產(chǎn)品濃縮狀態(tài)，提濃效率高，中間儲(chǔ)罐間隔板數(shù)越少效果越明顯，與常規(guī)恒定回流比操作相比，在目標(biāo)產(chǎn)品及純度相同的條件下，可有效縮短操作時(shí)間。

2　試驗(yàn)部分

2.1　試劑及儀器

試劑：乙酸與蒸餾水，分析純，天津江天化學(xué)試劑公司。

試驗(yàn)裝置：如圖7所示，塔徑30 mm，各塔節(jié)高度均為400 mm，塔內(nèi)填充3 mm×3 mm θ環(huán)填料。

檢測(cè)儀器：氣相色譜儀SP-6890型(山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)，數(shù)據(jù)采集采用N2000色譜工作站。

圖7　恒全回流塔頂累積間歇精餾試驗(yàn)裝置圖Fig.7　The pilot plant for constant total reflux batch distillation with dynamic accumulation

2.2　恒全回流塔頂累積間歇精餾試驗(yàn)

按圖7連接好試驗(yàn)裝置后，整個(gè)操作過程可分為以下4個(gè)步驟：1) 塔釜進(jìn)料1 290 mL，各中間罐(1), (2), (3)均進(jìn)料70 mL，原料中水的體積分?jǐn)?shù)為0.2，調(diào)節(jié)塔釜加熱電壓170 V，全回流操作至穩(wěn)定(此過程3個(gè)儲(chǔ)罐均與塔相隔離)；2) 接通3個(gè)儲(chǔ)罐，同時(shí)計(jì)時(shí)開始，使儲(chǔ)罐內(nèi)液體與塔內(nèi)液流交換，注意維持儲(chǔ)罐內(nèi)液位穩(wěn)定，每隔10～15 min檢測(cè)塔頂儲(chǔ)罐中產(chǎn)品濃度，待其穩(wěn)定后，將其作為產(chǎn)品轉(zhuǎn)移至產(chǎn)品儲(chǔ)槽；3) 當(dāng)塔頂儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)品達(dá)到要求后，各中間儲(chǔ)罐中液體轉(zhuǎn)移方式如下：使用100 mL取樣針從塔釜取液口取出70 mL釜液加入到儲(chǔ)罐(3)的備用儲(chǔ)罐中，將其與塔身連通，同時(shí)關(guān)閉原儲(chǔ)罐(3)與塔的連接。然后將原儲(chǔ)罐(3)中的液體轉(zhuǎn)移至備用儲(chǔ)罐(2)中，同理將原儲(chǔ)罐(2)中液體轉(zhuǎn)移至備用儲(chǔ)罐(1)中，原儲(chǔ)罐(1)累積液作為合格產(chǎn)品轉(zhuǎn)移至產(chǎn)品收集罐中，這樣就完成1次倒罐的操作，即塔釜→儲(chǔ)罐(3)，儲(chǔ)罐(3)→(2)，(2)→(1)，重復(fù)步驟2)的操作；4) 采出產(chǎn)品3次后(即產(chǎn)品體積為210 mL)，結(jié)束本輪操作，計(jì)時(shí)結(jié)束，測(cè)定產(chǎn)品儲(chǔ)槽中產(chǎn)品平均濃度。

2.3　結(jié)果與討論

2.3.1塔內(nèi)穩(wěn)定性

圖8是3種不同操作條件下的全塔溫度變化曲線和塔頂濃度變化曲線。從圖8中可以看出，新型恒全回流動(dòng)態(tài)累積操作方式下，全塔溫度變化規(guī)律與常規(guī)恒定回流比操作基本一致，波動(dòng)范圍更小，運(yùn)行狀態(tài)更穩(wěn)定。

圖8　不同操作條件下塔內(nèi)溫度變化曲線Fig.8　Temperatures in the column vs. distillation time under different operation conditions

2.3.2中間罐內(nèi)液體濃度變化

圖9給出中間罐內(nèi)液體濃度隨時(shí)間的變化曲線。

3次換液操作分別在操作開始后140、175和230 min完成，換液時(shí)間間隔分別為35和55 min，表明從一次穩(wěn)定過渡到下一次穩(wěn)定所需時(shí)間在不斷增加，應(yīng)選擇合適的換液次數(shù)。

圖9　中間罐內(nèi)液體濃度變化曲線Fig.9　Concentration in vessels (1),(2),(3) and the still vs. the distillation time

從圖9中可以看出，儲(chǔ)罐(1)、(2)中產(chǎn)品濃度迅速上升并維持在較高水平，儲(chǔ)罐(3)中產(chǎn)品濃度上升較緩慢，且高濃度區(qū)維持時(shí)間較短。塔的上部在不斷富集輕組分，而重組分不斷在塔的下部富集。從該曲線還可以看出儲(chǔ)罐的位置及數(shù)量設(shè)置合理。在換罐的過程中，各儲(chǔ)罐內(nèi)液體濃度不會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)，從而保證整塔操作運(yùn)行平穩(wěn)。

2.3.3操作時(shí)間與產(chǎn)品純度

本研究進(jìn)行了R=4.0和R=8.0的2組常規(guī)的恒定回流比操作下的間歇精餾試驗(yàn)作為對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)料狀況與產(chǎn)品采出量要求與新操作方式相同(塔釜一次進(jìn)料1 500 mL，產(chǎn)品采出總量210 mL)，試驗(yàn)結(jié)果匯總在表2和圖10中。

表2列出了新操作方式與常規(guī)恒定回流比操作下產(chǎn)品純度及操作時(shí)間的對(duì)比結(jié)果。可以看出，在目標(biāo)產(chǎn)量相同的前提下，新型恒全回流操作方式可以有效提高產(chǎn)品純度，與R=8.0的情況相比較，操作時(shí)間可節(jié)省約9.8%。產(chǎn)品儲(chǔ)槽內(nèi)水的平均濃度變化曲線如圖10所示。

表2　恒定回流比與恒全回流操作下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 2　Comparison of operations under regular constant reflux ratio and constant total reflux ratio batch distillation

圖10　塔頂產(chǎn)品濃度變化曲線Fig.10　Product purity for different operation conditions

3　結(jié)論

采用Matlab軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)品濃度相同時(shí)，恒定全回流新操作方式相比恒定回流比，可以節(jié)省操作時(shí)間，對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了此方式的合理性和可操作性。具體節(jié)省時(shí)間的效果與操作參數(shù)有關(guān)，還有待進(jìn)一步探索。

恒全回流塔頂累積間歇精餾新型操作方式下，目標(biāo)產(chǎn)品濃度相同時(shí)，可以在較短的時(shí)間里得到更高純度的產(chǎn)品，可以大大節(jié)省工業(yè)成本，提高分離效率。整個(gè)操作過程均是在全回流的條件下實(shí)現(xiàn)的，因而降低了操作控制難度。

符號(hào)說明：

i——組分；

j——塔板數(shù)；

L——液相流率，mol/min；

M——塔板持液量，mol；

M0——塔頂及中間罐持液量，mol；

MB——塔釜持液量，mol；

N——塔板數(shù)；

R——回流比；

V——汽相流率，mol/min；

α——相對(duì)揮發(fā)度。

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