分壁塔響應(yīng)面法優(yōu)化分離芳烴混合物研究

高景山 張英 薄德臣

摘 要：以Hysys軟件對分壁塔分離芳烴混合物進(jìn)行研究，采用Box-Behnken方法對影響分離效果的因素進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的研究，建立了以組分分離純度為目標(biāo)值，各工藝參數(shù)為因素的二次多項式模型。結(jié)果表明：進(jìn)料溫度和液體分配比對整體分離效果的影響顯著，氣體分配比對苯的分離影響顯著，進(jìn)料溫度和液體分配比對甲苯和二甲苯分離交互作用影響顯著。分壁塔分離的最優(yōu)工藝條件為：進(jìn)料溫度122 ℃、回流比7、液體分配比0.62、氣體分配比0.45。

關(guān) 鍵 詞：分壁塔；Box-Behnken設(shè)計；數(shù)學(xué)模型

中圖分類號：TE 241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1457-04

Optimization of the Separation Process of Aromatic Hydrocarbons With Dividing Wall Column by Using Response Surface Mehtodology

GAO Jing-shan， ZHANG Ying ， BO De-chen

（Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Liaoning Fushun 113001， China）

Abstract： Hysys software was used to simulate the separation process of aromatic hydrocarbons with dividing wall column. Based on the results of single-factor design， Box-Behnken design method was used to optimize the factors to affect the separation effect. A mathematical model was also established to predict the experiment results. The results show that feed temperature and reflux ratio have significant effect on the separation result； distribution ratio of vapor has significant effect on the separation of benzene； feed temperature and distribution ratio of liquid have significant effect on the separation of toluene and exylene.The optimum conditions are as follows： the feed temperature 122 ℃，the reflux ratio 7，the distribution ratio of liquid 0.65， the distribution ratio of vapor 0.45.

Key words： Dividing wall column； Box-Behnken design； Mathematical model

化工過程強化與過程集成技術(shù)是未來化工發(fā)展的一個方向，因為它能大幅度減少設(shè)備的體積，簡化流程，降低能耗，提高效益[1，2]。在化工分離工業(yè)中，精餾是一種使用最廣的分離方法，但能耗高。在能源日趨緊張的今天，研究精餾過程的節(jié)能技術(shù)極其重要。Wright（1949）第一次提出了新型的精餾裝置—分壁塔或稱為DWC塔（Divided Wall Column）。基于Petlyuk的理論研究，這種裝置也被稱為Petlyuk塔，或者完全熱耦合塔[3，4]。這種DWC塔內(nèi)部的精餾同常規(guī)精餾沒有多大差別，不同處只在于由于這種塔結(jié)構(gòu)的差異， 能夠使得多股物流同時在塔內(nèi)進(jìn)行傳質(zhì)、換熱，從而能在一個塔殼里完成多個常規(guī)塔序所能完成的分離任務(wù)。

本文以芳烴混合物為研究對象[5]通過使用HYSYS軟件模擬，在單因素實驗的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken[6，7]影響分析效果的關(guān)鍵因素進(jìn)料溫度、液體分配比和氣體分配比進(jìn)行初步研究，得出其協(xié)同作用規(guī)律，建立并驗證相關(guān)工藝數(shù)學(xué)模型，從而達(dá)到優(yōu)化分壁塔的操作參數(shù)的目的。

1 分壁塔的模擬

芳烴混合物（苯、甲苯、二甲苯）的進(jìn)料量為10 t/h，苯、甲苯、二甲苯之間的質(zhì)量比例為：0.2：0.5：0.3，分壁塔的模擬分離流程如圖1所示，物性方法選用Peng-Rob。

圖1 分壁塔分離工藝

Fig.1 Separation process of dividing wall column

1.1 單因素分離模擬

考察進(jìn)料溫度、回流比、液體分配比和氣體分配對三組分分離效果的影響，以三組分的分離純度為考察指標(biāo)，在考察某一因素對分離效果的影響時，只改變被考察因素的取值，其它因素值固定不變。

1.2 Box-Behnken實驗

基于單因素的的考察結(jié)果，采用Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計法對影響分離效果的因素進(jìn)行研究和探索，以獲得最優(yōu)的工藝條件參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素分離模擬及影響

2.1.1 進(jìn)料溫度對分離效果的影響

進(jìn)料熱狀態(tài)是影響分壁塔分離效果的一個重要因素，它不僅影響到分壁塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計，還影響分壁塔的其它操作條件的設(shè)定，并且對分離效果有直接的影響。在回流比為6，液體分配為0.6，氣體分配比為0.4的條件下進(jìn)行分離模擬，結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，隨著進(jìn)料溫度的上升，分離效果逐漸變差，當(dāng)溫度超過130 ℃時，分離效果急劇惡化，所以溫度選擇在120～135 ℃之間比較合適。

圖2 進(jìn)料溫度對分離效果的影響

Fig.2 Effect of feed temperature on the separation process

2.1.2 回流比對分離效果的影響

在精餾過程中，回流比是一個重要的可控變量，回流比太小，則達(dá)不到預(yù)定的分離效果，回流比過大，雖然能達(dá)到較好的分離效果，但同時造成能耗的增加，因此應(yīng)該選取一個合適的回流比來完成分離操作。設(shè)定進(jìn)料溫度為120 ℃，其它操作條件不變，僅改變回流比，分離結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著回流比的增加，分離效果顯著改善，但當(dāng)回流比超過6以后，繼續(xù)增加回流比，對分離效果的影響很小，所以回流比選擇在6～8之間比較合適。

2.1.3 氣、液分配比對分離效果的影響

此處所指的氣、液分配比均為側(cè)線采出側(cè)的氣、液相流量與進(jìn)料側(cè)的氣、液相流量之比。氣、液分配比是分壁塔操作過程中一組重要的調(diào)節(jié)控制變量，不僅對分壁塔的穩(wěn)定操作有著重要的影響，而且對分離結(jié)果有直接的影響。

圖3 不同回流比對分離效果的影響

Fig.3 Effect of different reflux ratio on separation process

在其它條件不變的情況下，改變氣、液分配比，其分離效果見圖4、圖5。

圖4 氣體分配比對分離效果的影響

Fig.4 Effect of distribution ratio of vapor on separation process

圖5 液體分配比對分離效果的影響

Fig.5 Effect of distribution ratio of liquid on separation process

由圖4、圖5可以看出氣、液分配比存在一個最優(yōu)的區(qū)間，氣體分配比選擇在0.35～0.45之間，液體分配比選擇在0.5～0.8之間比較合適。

2.2 Box-Behnken實驗及數(shù)學(xué)模型的建立

選用Box-Behnken實驗設(shè)計方案，采用四因

素三水平的方法，用X1、X2、X3、X4來表示影響因素，+1、0、-1代表變量的水平，按方程xi=（Xi-X0）/ΔX對自變量編碼，其中xi為編碼值，Xi為真實值，X0為試驗中心點的真實值，ΔX為步長，分離純度Y為響應(yīng)值，實驗設(shè)計見表1。

2.2.1 模型的建立及其顯著性檢驗

利用Design Expert軟件，按照表1的實驗設(shè)計方案進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果見表2。

表1 Box-Behnken設(shè)計實驗及因素水平編碼表

Table 1 Leves and codes of variables chosen for Box-Behnken design

因素 編碼水平

-1 0 1

進(jìn)料溫度/℃ 120 127 134

回流比 6 7 8

液體分配比 0.5 0.65 0.8

氣體分配比 0.35 0.4 0.45

表2 Box-Behnken實驗設(shè)計及結(jié)果

Table 2 Box-Behnken test design and result

序號 進(jìn)料溫

度/℃X1 回流

比X2 液體分

配比X3 氣體分

配比X4 組分純度

苯 甲苯 二甲苯

1 127 7 0.65 0.4 0.95 0.923 0.905

2 120 7 0.65 0.45 0.988 0.992 0.994

3 127 7 0.65 0.4 0.95 0.923 0.905

4 127 7 0.5 0.35 0.969 0.983 0.992

5 127 7 0.65 0.4 0.95 0.923 0.905

6 134 7 0.8 0.4 0.827 0.677 0.577

7 127 6 0.5 0.4 0.973 0.957 0.946

8 127 8 0.5 0.4 0.985 0.992 0.997

9 127 8 0.65 0.45 0.972 0.954 0.941

10 127 7 0.8 0.45 0.935 0.849 0.792

11 127 8 0.65 0.35 0.933 0.907 0.89

12 134 8 0.65 0.4 0.886 0.78 0.71

13 134 6 0.65 0.4 0.835 0.722 0.648

14 134 7 0.5 0.4 0.911 0.89 0.877

15 120 6 0.65 0.4 0.988 0.989 0.991

16 127 7 0.8 0.35 0.878 0.806 0.758

17 134 7 0.65 0.35 0.846 0.739 0.667

18 127 7 0.65 0.4 0.95 0.923 0.905

19 127 6 0.65 0.45 0.958 0.931 0.913

20 127 7 0.65 0.4 0.95 0.923 0.905

+4.667X4-4.704X1X2+0.128X1X3-0.038X1X4

+0.043X2X3-0.027X2X4-2.23X3X4+2.497X12

+0.01X22+1.717X32+1.769X42

由表5回歸方程分析表明，該模型較顯著（p<0.000 1），模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.988 5， R2adj=0.977 1，表明模型的擬合度較好，可以用來預(yù)測二甲苯的分離效果。同時通過顯著性分析可知，進(jìn)料溫度、液體分配比以及進(jìn)料溫度與液體分配比之間的交互作用對模型影響顯著。

表5 二甲苯分離回歸方程分析

Table 5 Analysis of quadratic polynomial model for maximizing purity of xylene

因素 平方和 自由度 F值 P值

Model 0.996 8 14 86.18 < 0.000 1

X1 0.555 0 1 671.76 < 0.000 1

X2 0.006 5 1 7.91 0.013 8

X3 0.248 8 1 301.21 < 0.000 1

X4 0.004 5 1 5.54 0.033 7

X1X2 0.004 3 1 5.25 0.038 0

X1X3 0.072 5 1 87.86 < 0.000 1

X1X4 0.000 7 1 0.86 0.369 8

X2X3 0.000 2 1 0.20 0.662 2

X2X4 7.39E-06 1 0.01 0.926 0

X3X4 0.001 1 1 1.35 0.264 0

X12 0.005 0 1 6.26 0.189 6

X22 0.000 7 1 0.84 0.375 6

X32 0.009 6 1 11.71 0.004 1

X42 0.000 1 1 0.15 0.701 1

2.2.2 分壁塔分離的響應(yīng)面分析

圖6-圖8顯示了液體分配比0.65，氣體分配比0.4時，進(jìn)料溫度和回流比對苯分離效果的影響，

由圖可以看出，在一定的回流比下，隨著進(jìn)料溫度的增加，三組分的純度降低，并且在一定的溫度下，回流比的改變對分離效果影響并不明顯。

圖6 苯分離的響應(yīng)面圖

Fig.6 Response surface of the separation of benzene

2.2.3 操作條件優(yōu)化

根據(jù)三組分分離的回歸方程，確定各自最優(yōu)的操作條件區(qū)間，然后以三組分分離效果最優(yōu)為目標(biāo)確定最佳的工藝操作條件，操作條件區(qū)間見表6。根據(jù)三組分分離的優(yōu)化操作區(qū)間，最終選擇兩組試驗條件，并將該條件分別代入分壁塔模型和回歸模

歸方程模型，其分離結(jié)果見表7。

圖7 甲苯分離的響應(yīng)面圖

Fig.7 Response surfase of the separation of toluene

圖8 二甲苯分離的響應(yīng)面圖

Fig.8 Response surface of the separation of xylene

表6 操作條件區(qū)間

Table 6 The range of operation condition

項目 苯 甲苯 二甲苯

進(jìn)料溫度/℃ 120～122 120～122 120～122

回流比 6.5～8 6～8 6～8

液體分配比 0.5～0.65 0.55～0.70 0.60～0.65

氣體分配比 0.4～0.45 0.4～0.5 0.4～0.45

表7 模型結(jié)果檢驗

Table 7 Test result of the model

組別 1 2

進(jìn)料溫度/℃ 120 122

回流比 6.5 7

液體分配比 0.6 0.65

氣體分配比 0.4 0.45

模擬分離值 苯 0.991 0.993

甲苯 0.991 0.994

二甲苯 0.992 0.995

預(yù)測值 苯 0.99 0.996

甲苯 0.992 0.995

二甲苯 0.991 0.992

由表7可以看出，回歸方程模型預(yù)測值與模擬值有較高的吻合度，回歸方程模型可以較好預(yù)測分離結(jié)果。

3 結(jié) 論

（1）基于試驗設(shè)計軟件Design-Expert，通過二次回歸設(shè)計得到了芳烴混合物分離的回歸模型，該模型能夠較好地預(yù)測各組分的分離結(jié)果。

（2）利用響應(yīng)面分析，對影響分離的關(guān)鍵因素進(jìn)行探討，得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為進(jìn)料溫度122 ℃，回流比7，液體分配比0.65，氣體分配比0.45。

（下轉(zhuǎn)第1464頁）