基于濃度平臺期的無回流儲罐循環(huán)全回流操作

姜占坤，白 鵬，劉 巖

(1. 系統(tǒng)生物工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

基于濃度平臺期的無回流儲罐循環(huán)全回流操作

姜占坤1,2，白 鵬1,2，劉 巖1,2

(1. 系統(tǒng)生物工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

循環(huán)全回流操作中全回流-全采出操作是基礎(chǔ)操作．提出了該過程中存在的濃度平臺期現(xiàn)象，并對該現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究. 基于本課題組提出的動態(tài)模型進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果表明塔板數(shù)和相對揮發(fā)度對平臺期的長度有明顯影響. 平臺期的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)物系為甲醇/乙醇混合物和乙醇/正丙醇混合物. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果共同證明了平臺期現(xiàn)象的存在. 在平臺期的基礎(chǔ)上，提出了一種新的操作方式：無塔頂回流儲罐循環(huán)全回流操作. 將新方式與恒回流比方式比較，結(jié)果表明新方式具有省時高效的優(yōu)點(diǎn).

間歇精餾；循環(huán)全回流；無回流儲罐

間歇精餾在小處理量、高附加值產(chǎn)品分離提純中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在制藥和精細(xì)化工行業(yè)中應(yīng)用極廣．間歇精餾具有的特點(diǎn)包括：操作彈性高、低設(shè)備成本、單塔可分離多組分混合物以及很強(qiáng)的適用性．

間歇精餾新操作方式的研究包括：中間儲罐、恒回流比、恒塔頂采出濃度和循環(huán)全回流等．循環(huán)全回流操作是一種新的操作方式，在這種操作方式中，精餾塔能達(dá)到最高的分離效率(R=∞)，最快的采出速率(R=0)，并且控制簡單，飛輪效應(yīng)的影響低，循環(huán)全回流操作是具有前景的間歇精餾操作方式之一．循環(huán)全回流操作方式最先是 Treybal[1]提出的. Barolo等[2]、Gruetzmann等[3-4]進(jìn)行了研究．S?rensen等[5-6]提出該方式操作方便、產(chǎn)品純度高．他們對該方式和恒回流比、優(yōu)化回流比方式進(jìn)行比較，得出的結(jié)論是當(dāng)原料濃度低時，循環(huán)全回流方式操作時間短．

本課題組[7]提出循環(huán)全回流方式的兩儲罐模式，通過實(shí)驗(yàn)和模擬研究證明，該方式能節(jié)省時間．本課題組還提出了循環(huán)全回流的一種控制方法——雙溫控[8]．即在塔中和塔頂進(jìn)行溫度控制，通過實(shí)驗(yàn)研究，證明了該控制方法的可行性．本課題組還提出了循環(huán)全回流的動態(tài)模擬方法[9]，該方法通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了其可行性和準(zhǔn)確性．

當(dāng)進(jìn)行無回流-全回流循環(huán)操作時，全采出(R= 0)時塔頂采出液中，輕組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不會迅速下降，并且在開始階段采出液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎不變．在一定時間內(nèi)，采出液輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎不變，此現(xiàn)象稱為濃度平臺期．筆者通過模擬計算和實(shí)驗(yàn)研究，首次提出并確證了平臺現(xiàn)象的存在．并在此基礎(chǔ)上，提出了塔頂無儲罐的循環(huán)全回流操作，并與恒回流比方式比較，結(jié)果表明新方式更加高效．

1 模擬計算

模型計算應(yīng)用文獻(xiàn)[9]提出的模型．該模型在經(jīng)典物料恒算模型的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考察了塔板持液量的影響，使用四階龍格-庫塔法求解．表 1列出了模擬的初始值設(shè)定，表 2列出了不同條件下的平臺時間，塔頂濃度平臺結(jié)果如圖 1所示，wt,l為塔頂輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)．點(diǎn)A代表從全回流操作轉(zhuǎn)為全采出操作，點(diǎn)B表示采出液輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始減少，點(diǎn)C代表全采出操作結(jié)束的時間．因?yàn)橹攸c(diǎn)考察平臺期現(xiàn)象，所以全采出操作結(jié)束后并沒有轉(zhuǎn)為全回流操作．圖1結(jié)果中，AB段持續(xù)11.1,min，BC段持續(xù)了6,min，即平臺期持續(xù)了17.1,min．將AC段視為平臺期的時間．

表1 模擬參數(shù)設(shè)定Tab.1 Simulation parameter setting

表2 不同條件下的平臺時間Tab.2 Concentration platform time under different conditions

從表2可得出如下結(jié)論：

圖1 塔頂濃度平臺期例子Fig.1 Example of overhead concentration platform

(1) 理論板數(shù)影響平臺期的時間，當(dāng)理論板數(shù)增大時，平臺期的時間增長；

(2) 相對揮發(fā)度影響平臺期的時間，當(dāng)相對揮發(fā)度增大時，平臺期的時間變長；

(3) 進(jìn)料濃度對平臺期的影響相對較小，當(dāng)其增大時，平臺期時間有小幅度的增長．

2 平臺期的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示．裝置包括塔釜、冷凝器和50,mm直徑的玻璃塔節(jié)．塔節(jié)內(nèi)填料是雙層不銹鋼5,mm×5,mmθ環(huán)填料，填料層高1,000,mm．經(jīng)乙醇/異丙醇測定，理論板數(shù)為 20．閥門 10控制全回流和全采出間的轉(zhuǎn)換．

實(shí)驗(yàn)開始后進(jìn)行全回流操作，閥門 10關(guān)閉，當(dāng)塔頂和塔釜的溫度穩(wěn)定后，繼續(xù)全回流 2,h．然后將閥門 10打開，進(jìn)行全采出，并每半分鐘取一次樣進(jìn)行分析，當(dāng)塔頂?shù)臏囟让黠@低于平衡溫度時，停止取樣和采出操作．

原料分別為甲醇/乙醇(α=1.72)和乙醇/正丙醇(α=2.10)兩種混合物，并考察了不同進(jìn)料輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對平臺期時間的影響．

圖2 平臺期驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental apparatus for the concentration platform confirmation

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

兩種物系進(jìn)料輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)是 0.5時，塔頂輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度變化見圖 3．其中甲醇/乙醇物系的塔頂輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在 0.995以上 6,min，而對乙醇/正丙醇物系，時間是 8.5,min．兩種物系平臺期時間都很長，而乙醇/正丙醇物系時間更長的原因是其相對揮發(fā)度更大．

圖3 兩種物系的塔頂濃度平臺期結(jié)果Fig.3 Curves of overhead concentration platform with time for two mixtures

甲醇/乙醇物系的塔頂、塔釜溫度變化情況如圖4所示，整個過程中塔釜溫度幾乎不變，而塔頂溫度在前 8.5,min不變，然后不斷升高．塔頂溫度變化與塔頂濃度變化情況相似，形成了一個溫度變化的平臺期．當(dāng)進(jìn)料輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時，塔頂平臺期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5所示．當(dāng)進(jìn)料輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高時，平臺期時間越長．

圖4 甲醇/乙醇物系的塔頂和塔釜溫度變化Fig.4 Curves of temperatures of tower top and rebolier with time for methanol/ethanol mixture

圖 5 乙醇/正丙醇物系不同進(jìn)料時的濃度平臺期隨時間變化情況Fig.5 Changes of overhead concentration platform with time under different feeding concentrations of ethanol/1-propanol

3 無儲罐循環(huán)全回流方式

根據(jù)塔頂平臺期現(xiàn)象，當(dāng)全回流轉(zhuǎn)為全采出時，能得到高濃度的產(chǎn)品，然后當(dāng)塔頂輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降時，轉(zhuǎn)為全回流，如此全回流-全采出循環(huán)直到操作結(jié)束．這種方式屬于循環(huán)全回流的一種，特點(diǎn)是無塔頂儲罐，稱為無儲罐循環(huán)全回流方式．

將該方式與恒回流比方式比較，計算 18塊理論板、相對揮發(fā)度為 2.4條件下，不同進(jìn)料輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和收率需要的時間．其中編號 1代表常規(guī)恒回流比，編號 2代表無儲罐循環(huán)方式．比較結(jié)果見表3，其中P為產(chǎn)品量，mol．表3中例子A2的塔頂輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨產(chǎn)品收率的變化見圖6，A1和A2塔頂濃度隨時間變化見圖7．表3表明新操作方式消耗時間少．表明了新方式的分離效率較高．

圖6中，每個塔頂輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的“凸起”代表了一個全回流-全采出的循環(huán)單元．如圖所示共有8個循環(huán)，代表了達(dá)到0.68的收率時，共經(jīng)過了8次循環(huán)操作．絕大部分的采出液輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于要求產(chǎn)品濃度(wP=0.99)，經(jīng)計算可知采出液達(dá)到了產(chǎn)品濃度要求．

表3 不同操作方式結(jié)果比較Tab.3 Comparison of the results of different operation modes

圖6 塔頂產(chǎn)品輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨產(chǎn)品收率的變化(A2)Fig.6 Overhead concentration platform changes in the function of the product yield(A2)

圖7 新方式與恒回流比方式塔頂輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比較Fig.7 Comparison of overhead concentration between cyclic total reflux operation without reflux drum and constant reflux ratio operation

如圖 7所示，在第一次全回流階段過程中，兩種操作方式采出前的塔頂輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)一致．在操作中，為了提高分離效率，當(dāng)塔頂輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過產(chǎn)品輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求后開始全采出．所以圖 7中的平臺期形狀與圖 1的形狀有所不同．新方式中后面的循環(huán)時間較長，原因是后期整個系統(tǒng)中輕組分的平均輕組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，而使全回流所需時間變長．新方式收率相同情況下采出時間短．

4 結(jié) 語

在循環(huán)全回流操作中，通過實(shí)驗(yàn)和模擬證明了塔頂濃度平臺期的存在，并在此基礎(chǔ)上提出了塔頂無儲罐循環(huán)全回流操作．該操作方式的特點(diǎn)是全回流操作和全采出操作交替進(jìn)行，模擬結(jié)果表明新操作方式與恒回流比方式比較，節(jié)省時間8%～14%．

［1］ Treybal R E. A simple method for batch distillation[J]. Chem Eng，1970，10(7)：95-98.

［2］ Barolo M，Botteon F. Simple method of obtaining pure products by batch distillation[J]. AIChE J，1997，43(10)：2601-2604.

［3］ Gruetzmann S，F(xiàn)ieg G，Kapala T. Theoretical analysis and operating behaviour of a middle vessel batch distillation with cyclic operation[J]. Chemical Engineering and Processing，2006，45(1)：46-54.

［4］ Gruetzmann S，F(xiàn)ieg G，Skogestad S. Experimental and theoretical studies on the start-up operation of a multivessel batch distillation column[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research，2009，48(11)：5336-5343.

［5］ S?rensen E，Skogestad S. Optimal operating policies of batch distillation[C]//Proceedings and Symposium. Kyongju，Korea，1994：449-456.

［6］ S?rensen E. A cyclic operating policy for batch distillation-theory and practice[J]. Comput Chem Eng，1999，23(4/5)：533-542.

［7］ Bai P，Hua C，Li X G，et al. Cyclic total reflux batch distillation with two reflux drums[J]. Che Eng Sci，2005，60(21)：5845-5851.

［8］ Bai P，Li X F，Sheng M，et al. Study of dual temperature control method on cyclic total reflux batch distillation[J]. Chem Eng Process，2007，46(8)：769-772.

［9］ Bai P，Song S A，Sheng M，et al. A dynamic modeling for cyclic total reflux batch distillation[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering，2010，18(4)：554-561.

Cyclic Total Reflux Operation Without Reflux Drum Based on Concentration Platform

JIANG Zhan-kun1,2，BAI Peng1,2，LIU Yan1,2
(1. Key Laboratory of Systems Bioengineering，Ministry of Education，Tianjin 300072，China；2. School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Total reflux and total withdrawal operation is the basic operation in cyclic total reflux operation. In the total withdrawal operation, a special phenomenon named “overhead concentration platform” (OCP) was proposed for the first time in the paper，and was studied experimentally and theoretically. The simulation results indicated the number of theoretical trays and the relative volatility influenced the OCP phenomenon distinctly. The experiments were carried out with two mixtures, methanol/ethanol and ethanol/1-propanol. The experiments and simulation certified the existence of OCP. Based on the OCP phenomenon, a new cyclic total reflux operation without reflux drum was proposed. The new operation mode was compared with the constant reflux ratio operation and the computational results showed that the new mode was effective and time-saving.

batch distillation；cyclic total reflux；no reflux drum

TQ028.1

A

0493-2137(2012)04-0357-04

2011-01-11；

2011-03-13.

姜占坤（1985— ），男，博士研究生，jiangzhankun@yahoo.com.cn．

白 鵬，bp2008@eyou.com.