分隔壁精餾塔分離三組分烷烴混合物的研究

葉 青，杜 雷，薛青青，張春林

（1. 常州大學(xué) 石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164；2. 上海制皂（集團(tuán)）如皋有限公司，江蘇 如皋 226521）

分隔壁精餾塔分離三組分烷烴混合物的研究

葉 青1,2，杜 雷1，薛青青1，張春林2

（1. 常州大學(xué) 石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164；2. 上海制皂（集團(tuán)）如皋有限公司，江蘇 如皋 226521）

利用自制的分隔壁精餾塔小試裝置對(duì)正己烷、正庚烷和辛烷三組分混合物的分離進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?？疾炝诉M(jìn)入側(cè)線采出段的液體流量與進(jìn)入預(yù)分離段的液體流量之比（簡(jiǎn)稱液體分配比）、進(jìn)料位置和出料位置對(duì)分離效果的影響；并與帶側(cè)線采出的精餾塔進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在液體分配比為1、進(jìn)料位置為分隔壁中間、出料位置為分隔壁中間時(shí)，塔頂餾出物中正己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá) 99.72%，側(cè)線采出物中正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá) 95.48%，塔釜液中辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá) 96.80%；采用分隔壁精餾塔比常規(guī)帶側(cè)線精餾塔可得到更高純度的中間產(chǎn)物和塔釜產(chǎn)物；采用 Aspen Plus 流程軟件對(duì)分隔壁精餾塔模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

分隔壁精餾塔；烷烴混合物；帶側(cè)線采出精餾塔；Aspen Plus 軟件

分隔壁精餾塔是完全熱偶精餾塔的一種特殊類型，在熱力學(xué)上與完全熱偶精餾塔等效[1-3]。分隔壁精餾塔通過在精餾塔內(nèi)部設(shè)置一塊垂直隔板，將塔分為隔板一側(cè)的預(yù)分離段和另一側(cè)的側(cè)線采出段、隔板下方的公共提餾段與隔板上方的公共精餾段4個(gè)部分[4-6]。

采用傳統(tǒng)方法分離三組分混合物時(shí)，一般需要兩個(gè)常規(guī)精餾塔，而分隔壁精餾塔完成同樣的分離任務(wù)只需一個(gè)塔。與常規(guī)精餾流程相比，分隔壁精餾塔可減少一個(gè)塔、一個(gè)冷凝器、一個(gè)再沸器以及相應(yīng)管線等，同時(shí)節(jié)能達(dá)30%以上[7-8]，但分隔壁精餾塔對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高，成為工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。近年來，隨著對(duì)節(jié)能要求的提高，控制技術(shù)水平的逐步完善，分隔壁精餾塔的研究又趨于活躍[9-13]。

傳統(tǒng)的精餾方法在分離含有3個(gè)以上組分的混合物時(shí)必須使用多個(gè)精餾塔才能完成分離任務(wù)[14-15]。側(cè)線采出時(shí)，出料的純度不能得到很好的保證，所以當(dāng)側(cè)線產(chǎn)品的純度要求較高時(shí)普通的精餾塔就不適合了。利用分隔壁精餾塔能很好地解決這一難題，采用分隔壁精餾塔可以同時(shí)得到滿足分離要求的 3 個(gè)組分。

本工作采用分隔壁精餾塔小試裝置分離正己烷、正庚烷和辛烷三組分混合物，考察了分隔壁精餾塔的進(jìn)入側(cè)線采出段的液體流量與進(jìn)入預(yù)分離段的液體流量之比（簡(jiǎn)稱液體分配比）、進(jìn)料位置和出料位置對(duì)分離效果的影響，并與帶側(cè)線采出的精餾塔進(jìn)行比較；利用Aspen Plus流程軟件對(duì)過程進(jìn)行了模擬，為分隔壁精餾塔的實(shí)際應(yīng)用提供可行性分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

分隔壁精餾塔小試裝置見圖 1。塔身為不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)徑 40 mm，總高 3 m，塔身外側(cè)用石棉布保溫；塔內(nèi)均填裝直徑 2 mm 不銹鋼彈簧填料；塔釜為 1 L 四口燒瓶，由調(diào)溫電熱器加熱，并由精餾控制儀控制溫度。

在塔內(nèi)靠近隔板的上方位置安裝分配比控制器， 以控制液體分配比。塔頂設(shè)有一回流比控制器控制回流比。進(jìn)料位置共有 3 個(gè)：進(jìn)料Ⅱ位于進(jìn)料段中間位置處，進(jìn)料Ⅰ位于進(jìn)料Ⅱ上方400 mm處，進(jìn)料Ⅲ位于進(jìn)料Ⅱ下方 400 mm處。在分隔壁采出段與進(jìn)料位置相對(duì)設(shè)置 3 個(gè)出料位置。

帶側(cè)線常規(guī)精餾塔與分隔壁精餾塔小試裝置基本一樣，只是去掉了分隔壁精餾塔中的分隔壁及分配比控制器，在與分隔壁精餾塔相同的操作條件下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

塔釜加入正己烷、正庚烷和辛烷的混合物約400 g，加熱進(jìn)行全回流操作。待塔的操作穩(wěn)定后，開啟進(jìn)料泵進(jìn)料（進(jìn)料溫度70 ℃），同時(shí)調(diào)節(jié)側(cè)線和塔釜出料速度，調(diào)節(jié)回流比及液體分配比。塔頂、側(cè)線及塔釜連續(xù)出料，每隔 30 min 取樣分析一次。

1.3 分析方法

采用上海分析儀器廠 GC - 950 型氣相色譜儀分析出料的組成。分析條件：彈性石英毛細(xì)管 30 m×0.32 mm，固定相為 SE - 54，柱溫 60 ℃，氣化室溫度 120 ℃，F(xiàn)ID 檢測(cè)，檢測(cè)室溫度 250 ℃。

2 工藝過程的模擬

采用 Aspen Plus 軟件對(duì)正己烷、正庚烷和辛烷混合物的分離過程進(jìn)行模擬。物性計(jì)算方法選用 PR 模型。采用 Aspen Plus 軟件的單元操作模塊模擬分隔壁精餾塔的物料和熱量平衡，在模擬計(jì)算時(shí)應(yīng)引入兩個(gè)新的變量，即汽體分配比和液體分配比，由于分隔壁是固定在填料塔中的，分隔壁精餾塔的汽體分配比無法調(diào)節(jié)，設(shè)為 1。

3 結(jié)果與討論

3.1 液體分配比對(duì)分離效果的影響

液體分配比對(duì)分隔壁精餾塔出料組成的影響見圖 2。由圖 2 可見，隨液體分配比的增大，塔頂餾出液中正己烷的含量先增加后降低，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有差別，但趨勢(shì)基本一致；塔釜出料中辛烷的含量先降低后增加，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本一致；側(cè)線采出液中正庚烷的含量先降低后增加，模擬結(jié)果是當(dāng)液體分配比大于 0.67 后，正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變。這是由于分隔壁精餾塔的進(jìn)料段和中間采出段是兩個(gè)相互獨(dú)立的分離單元，進(jìn)料段同時(shí)也起著預(yù)分餾的作用，因此，當(dāng)由塔上部下來的回流液量一定時(shí)，進(jìn)入隔壁兩邊的液體量的多少對(duì)分離結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生影響，且對(duì)3個(gè)組成的影響不同。在實(shí)驗(yàn)過程中，由于隔板不完全絕熱，可能對(duì)中間組分的分離有影響。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)物系及分隔壁精餾塔的條件，綜合考慮各影響因素，適宜的液體分配比為 1。

3.2 進(jìn)料位置對(duì)分離效果的影響

進(jìn)料位置對(duì)分隔壁精餾塔分離效果的影響見表1。由表1可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果誤差不大，并且其趨勢(shì)一致；當(dāng)進(jìn)料位置在進(jìn)料Ⅱ時(shí)，分離效果最好，此時(shí)塔頂餾出液中正己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 99.72%，側(cè)線采出液中正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.48%，在塔釜辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了 96.80%； 當(dāng)進(jìn)料位置上移或下移后，分離效果均沒有進(jìn)料Ⅱ的效果好，這主要是因?yàn)榉指舯诘倪M(jìn)料側(cè)有一定的預(yù)分餾作用，不同的進(jìn)料位置必然影響最終的分離效果。故最佳進(jìn)料位置為進(jìn)料Ⅱ，即在分隔壁的中部進(jìn)料分離效果最好。

3.3 側(cè)線出料位置對(duì)分離效果的影響

側(cè)線出料位置對(duì)分隔壁精餾塔分離效果的影響見表 2，由表 2 可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果誤差不大，并且其趨勢(shì)一致；當(dāng)側(cè)線出料位置在出料Ⅱ時(shí)，分離效果最好，此時(shí)，塔頂餾出液中正己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 99.72%，側(cè)線采出液中正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 95.48%，在塔釜辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了96.80%；側(cè)線出料位置在出料Ⅰ時(shí)，塔頂餾出液中正己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有 83.67%，側(cè)線采出液中正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 86.35%，釜中辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到98.73%；側(cè)線出料位置在出料Ⅲ時(shí)，塔頂餾出液中正已烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 99.21%，但塔釜液中辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅達(dá)到 83.30%。

當(dāng)側(cè)線出料位置變化時(shí)，對(duì)分離效果影響很大，這是因?yàn)閺墓簿s段下來的冷凝液中的主要是輕組分正己烷和部分中間組分正庚烷，在分隔壁出料側(cè)需要有一精餾段，而從公共提餾段進(jìn)入出料側(cè)的汽相中的主要是重組分辛烷和部分中間組分正庚烷，在分隔壁出料側(cè)需要有一提餾段。因此，側(cè)線出料位置在分隔壁出料側(cè)的中間最佳。

表 1 進(jìn)料位置對(duì)分隔壁精餾塔分離效果的影響Table 1 The effects of feed location on separation result of the dividing wall distillation column

3.4 分隔壁精餾塔和帶側(cè)線精餾塔分離效果的比較

分隔壁精餾塔和帶側(cè)線精餾塔分離效果的比較見表 3。由表 3可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果誤差不大，且其趨勢(shì)一致；分隔壁精餾塔分離效果最好，塔頂餾出液中正己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 99.72%，側(cè)線采出液中正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 95.48%，在塔釜液中辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.80%；帶側(cè)線采出精餾塔塔頂餾出液中正己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 99.04%，側(cè)線采出液中正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 84.71%，在塔釜液中辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到82.72%。由于兩個(gè)塔的回流比一樣，故對(duì)于輕組分正己烷，分離效果基本相同，而分隔壁精餾塔可得到較高純度的正庚烷和辛烷。

表 2 側(cè)線出料位置對(duì)分隔壁精餾塔分離效果的影響Table 2 The effects of side draw locations on separation result of the dividing wall distillation column

表 3 分隔壁精餾塔和常規(guī)側(cè)線采出精餾塔分離效果的比較Table 3 Comparison between the separation results of dividing wall distillation column and distillation column with side draw

3.5 分隔壁精餾塔和帶側(cè)線精餾塔內(nèi)液相組分濃度分布的比較

帶側(cè)線采出的常規(guī)精餾塔內(nèi)液相組成的濃度分布見圖 3。

圖 3 帶側(cè)線采出的常規(guī)精餾塔內(nèi)液相組成的濃度分布Fig. 3 Concentration distributions of the liquid compositions in the distillation column with side draw.

由圖 3 可見，在塔上部主要組分是輕組分正己烷，在塔頂餾出液中可得質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 99.00%的正己烷，自塔頂向下在第16塊塔板處，正己烷的濃度基本接近于0；在第16塊塔板至27塊塔板之間，正庚烷和辛烷在各塔板上的濃度基本維持不變，此時(shí)側(cè)線采液出中正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.00%，辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.00%；在第28塊塔板以下，進(jìn)行正庚烷和辛烷的分離，最終塔釜中正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.00%，辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 85.00%。采用帶側(cè)線采出的常規(guī)精餾塔無法同時(shí)得到滿足分離要求的3個(gè)產(chǎn)品。

分隔壁精餾塔內(nèi)液相組成的濃度分布見圖4。

圖 4 分隔壁精餾塔內(nèi)液相組成的濃度分布Fig.4 Concentration distributions of liquid compositions in the dividing wall distillation column.

由圖 4 可見，由于分隔壁精餾塔的精餾段與帶側(cè)線精餾塔一樣，所以輕組分正己烷的濃度分布基本類似，在塔頂餾出液中可得質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.00% 的正己烷，自塔頂向下在第 16 塊塔板處，正己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本接近于 0；由于分隔壁的存在，在 19 塊塔板處，從分隔壁出料側(cè)可得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 96.00% 的正庚烷，在塔釜可得質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于97.00% 的辛烷。這是由于在分隔壁精餾塔中有一塊隔板，使隔板兩側(cè)具有不同的功能。分隔壁進(jìn)料側(cè)的作用是對(duì)進(jìn)料進(jìn)行初步分離，進(jìn)料中的輕組分和部分中間組分流向塔頂，重組分和部分中間組分流向塔釜。經(jīng)過部分冷凝后有部分輕組分和中間組分流入分隔壁出料側(cè)，在分隔壁出料側(cè)的上部輕組分和中間組分再進(jìn)行分離。經(jīng)過部分汽化后有部分重組分和中間組分流入分隔壁出料側(cè)，在出料側(cè)的下部重組分和中間組分再進(jìn)行分離。因此，在分隔壁出料側(cè)和塔釜均得到滿足分離要求的產(chǎn)品。

4 結(jié)論

（1）分隔壁精餾塔可用于分離正己烷、正庚烷和辛烷三組分混合物，在塔頂、側(cè)線和塔釜分別得到正己烷、正庚烷和辛烷產(chǎn)品。

（2）由于分隔壁精餾塔結(jié)構(gòu)的特殊性，液體分配比、進(jìn)料位置和出料位置對(duì)其分離效果的影響較大。對(duì)液體分配比、進(jìn)料位置和出料位置進(jìn)行優(yōu)化選擇，分隔壁精餾塔才能達(dá)到最佳的分離效果。

（3）分隔壁精餾塔可完成三組分的分離。在液體分配比為 1、回流比為 5 的條件下，分隔壁精餾塔塔頂餾出物中的正己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)99.72%，側(cè)線采出物中正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)95.48%，塔釜液中辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá) 96.80%。

（4）在相同的操作條件下，采用分隔壁精餾塔比常規(guī)帶側(cè)線精餾塔可得到更高純度的中間產(chǎn)物和塔釜產(chǎn)物。

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Separation of Ternary Alkane Mixture Using Dividing Wall Distillation Column

Ye Qing1，2，Du Lei1，Xue Qingqing1，Zhang Chunlin2
（1. School of Petrochemical Engineering，Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164，China；2. Shanghai Soap（Group) Rugao Co.，Ltd.，Rugao Jiangsu 226521，China)

A dividing wall distillation column was used to separate the mixture ofn-hexane，n-heptane and octane. The in fl uences of liquid distribution ratio，feed location and side draw location on the separation were studied. The separation result of the dividing wall column was compared to distillation column with side draw. The results showed that under the conditions of distribution ratio of the liquids 1，feed location Ⅱ，the side draw location Ⅱ，the mass fractions ofn-hexane in the top stream，n-heptane in the side-draw stream and octane in the bottom stream reached 99.72%，95.48% and 96.80%，respectively. The dividing wall distillation column could get higher purity than the distillation column with side draw. The dividing wall distillation column was simulated by means of Aspen Plus software，and a basic agreement between the predicted and the experimental data was found.［Keywords］dividing wall distillation column；alkane mixture；distillation column with side draw；Aspen Plus software

1000-8144（2012）01-0051-05

TQ 028

A

2011 - 07 - 20；［修改稿日期］2011 - 09 - 22。

葉青 （1968—），女，上海市人，博士，副教授，電話0519- 96330355，電郵 yeqing@cczu.edu.cn。

中國(guó)石油化工股份有限公司基金項(xiàng)目（411024）。

（編輯 李治泉）