減少氣相耦合流股隔板塔的嚴(yán)格模擬研究

袁　野，袁希鋼，羅祎青，余國(guó)琮

(天津大學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

精餾是化工生產(chǎn)中最常用的分離技術(shù)，但是也最為耗能，精餾的節(jié)能一直是專家學(xué)者研究的重點(diǎn)，熱集成和熱耦合形式是常見的精餾節(jié)能形式。用于分離三組元混合物的全熱耦合塔如圖1a)所示，自從Petlyuk[1]于1965年提出之后一直廣受關(guān)注，它被認(rèn)為是熱力學(xué)理想的結(jié)構(gòu)，由于消除了傳統(tǒng)精餾序列存在的組分返混現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能30%以上[2-4]。隔板塔(DWC)如圖1b)所示是全熱耦合塔的等價(jià)形式，這種形式將雙塔變?yōu)閱嗡闹虚g設(shè)置隔板，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可行性強(qiáng)，展現(xiàn)出廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景[5]。

圖1　全熱耦合塔及隔板塔Fig.1　Thermally coupled distillation column and dividing wall column (DWC)

然而，由于隔板精餾塔具有更多的自由度，操作和控制較為困難，因而限制了其在工業(yè)上的普遍應(yīng)用。如圖1b)所示，在隔板塔中由塔段1向下流動(dòng)的液體需要分成2股，分別進(jìn)入下面的塔段2和4。同樣從塔段6上升的氣相被分割后分別進(jìn)入塔段3和5。這一液體分割比和氣體分割比是新增加的新參數(shù)，對(duì)隔板塔的經(jīng)濟(jì)性能有重要影響[6-7]。通常隔板塔的液相分割比比較容易控制，但是氣相分割比取決于隔板的位置，經(jīng)設(shè)計(jì)確定后操作中無法控制。而氣相分割比對(duì)于隔板塔的能耗影響很大[6, 8]。雖然有很多關(guān)于隔板塔的操作和控制問題的研究[9-10]，但是這一問題并沒有得到根本解決。

Agrawal等[11]提出了一種不需要?dú)庀喾指畹娜珶狁詈纤慕Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)通過在圖1a)所示原預(yù)分餾塔下面添加1個(gè)新的塔段1d以及與之相連的再沸器，同時(shí)去掉了從塔段2d至塔段1c(即圖1b中從塔段6至3)的氣相流股。與其等價(jià)的隔板塔如圖4b)所示。

圖2　Agrawal等提出的熱耦合精餾流程機(jī)構(gòu)TC-L形式Fig.2　Configuration TC-L proposed by Agrawal et al

由圖2可以看出，這一結(jié)構(gòu)不存在氣相分割比問題。在此基礎(chǔ)上Ramapriya等[12]又提出了如圖3所示的2種新的形式，分別命名為L(zhǎng)-TC和L-L。同時(shí)命名圖2所示結(jié)構(gòu)為TC-L。

圖3　Ramapriya等提出的L-TC和L-L結(jié)構(gòu)形式Fig.3　Configurations L-TC and L-L proposed by Ramapriya et al

與圖1所示原流程相比，L-TC添加了塔段1a和冷凝器，L-L則同時(shí)增加了1a段和1d段以及相應(yīng)的冷凝器和再沸器。與上述3種新流程結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的隔板塔如圖4所示。其中，TC-L和L-L形式不存在氣相分割，而L-TC結(jié)構(gòu)雖然仍有氣相的分割，但通過控制2個(gè)冷凝器的負(fù)荷，可對(duì)進(jìn)入隔板兩側(cè)的氣體流量比例進(jìn)行有效的控制。因此3種流程結(jié)構(gòu)均避免了傳統(tǒng)隔板精餾塔的氣相分割比不可控問題。

圖4　從圖3衍生出的隔板塔的形式Fig.4　DWC configurations derived from Fig.3

然而，Agrawal等[11]以及Ramapriya等[12]的研究、分析和證明是基于簡(jiǎn)捷方法進(jìn)行的，要深入分析上述流程在設(shè)計(jì)上的的可行性，嚴(yán)格模擬是有必要的。本研究采用Aspen Plus流程模擬軟件通過嚴(yán)格模擬對(duì)上述新流程分析，并與傳統(tǒng)全熱耦合精餾塔(即傳統(tǒng)隔板塔)相比較研究這種流程結(jié)構(gòu)的性能。同時(shí)通過塔徑的計(jì)算討論其設(shè)計(jì)的可行性，進(jìn)而為改進(jìn)隔板塔的設(shè)計(jì)和操作提供參考。

1　案例分析

本研究的模擬采用了3種物系，如表1所示。其中分離指數(shù)(Ease of separation index ESI)，是由Tedder和Rudd[13]于1978年提出的，ESI的定義如下：

ESI=αAB/αBC(1)

A、B、C分別代表輕組分、中間組分和重組分。αAB代表輕組分和中間組分的相對(duì)揮發(fā)度，αBC中間組分和重組分的相對(duì)揮發(fā)度。ESI=1代表A、B的分離和B、C的分離難度相同，ESI>1(ESI<1)代表A、B的分離易于(難于)B、C的分離。

模擬規(guī)定進(jìn)料組成為0.33、0.34、0.33，進(jìn)料流率為300 kmol/h。3種產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求分別為0.989、0.96、0.989。采用商業(yè)模擬軟件Aspen Plus進(jìn)行嚴(yán)格模擬。

表 1　用于嚴(yán)格模擬的物系

隔板塔的嚴(yán)格模擬之前，首先通過Fenske-Underwood-Gilliland簡(jiǎn)捷計(jì)算得到主塔和預(yù)分餾塔的塔板數(shù)、進(jìn)料位置、耦合流股位置、側(cè)線采出位置，以此作為嚴(yán)格模擬的初值。嚴(yán)格模擬時(shí)采用軟件中的Multifrac模塊，目標(biāo)函數(shù)為塔底再沸器的熱負(fù)荷，約束條件為3種組分的純度，優(yōu)化變量有氣、液相耦合流股的流量、回流比、側(cè)線采出流量和塔頂餾出物流量。然后通過序貫優(yōu)化法，即首先優(yōu)化兩塔塔板數(shù)，其次優(yōu)化側(cè)線采出位置、優(yōu)化氣液相耦合流股位置、優(yōu)化進(jìn)料位置得到結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后通過改變氣液相流股的流量?jī)?yōu)化再沸器的熱負(fù)荷。

在對(duì)圖2和圖3所示3種形式進(jìn)行嚴(yán)格模擬時(shí)，需要用Aspen中的radfrac模塊構(gòu)建模型。對(duì)于L-TC形式，塔段1a塔板數(shù)和主塔中2a段塔板數(shù)取相同值，同理，對(duì)于TC-L形式，塔段1d塔板數(shù)和主塔中2d段塔板數(shù)取相同值，對(duì)于L-L形式，塔段1a和1d段塔板數(shù)分別和主塔中2a段和2d段塔板數(shù)相等。

2　結(jié)果與討論

對(duì)3種物系的傳統(tǒng)形式的隔板塔嚴(yán)格模擬優(yōu)化結(jié)果如表2所示。其中N1a到N2d的下腳標(biāo)序號(hào)分別與圖2和圖3所示的各塔段序號(hào)相對(duì)應(yīng)。Qc和Qb分別為冷凝器負(fù)荷之和和再沸器的熱負(fù)荷之和。

對(duì)于圖2和3所示的3種形式，塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全參照以上所得到的嚴(yán)格模擬的結(jié)果，3種物系模擬所得冷凝器和再沸器結(jié)果如表3所示，其中所表示的負(fù)荷均為2個(gè)塔加和得到。最后1列TC-TC是圖1b)所示傳統(tǒng)形式的隔板塔的模擬結(jié)果。

表2　3種物系的傳統(tǒng)隔板塔形式嚴(yán)格模擬優(yōu)化結(jié)果

從表3可以看出，這3種新流程結(jié)構(gòu)的隔板塔和傳統(tǒng)形式在能耗上基本相同，且和所用物系并沒有關(guān)系。但是這3種形式的隔板塔消除了氣相分割比的影響，從而使其操作性能較原形式大為增強(qiáng)。

表3　3種物系的3種形式嚴(yán)格模擬優(yōu)化結(jié)果及其與傳統(tǒng)形式的熱負(fù)荷比較

圖5為嚴(yán)格模擬后得到的主塔內(nèi)液相分布圖，其中橫坐標(biāo)為塔板數(shù)，縱坐標(biāo)為組分的液相摩爾分?jǐn)?shù)?？梢钥闯?，3種形式和原形式的分布趨勢(shì)基本相同。以上嚴(yán)格模擬的結(jié)果驗(yàn)證了圖2和3所示流程結(jié)構(gòu)的隔板精餾塔與傳統(tǒng)隔板精餾塔具有相同的性能，但前者的可操作性顯著提高。

圖5　正戊烷、正己烷、正庚烷物系4種形式的主塔內(nèi)液相分布圖Fig.5　The liquid profile of four configurations for n-pentane, n-hexane and n-heptane

塔徑在隔板塔的實(shí)際設(shè)計(jì)中十分重要，決定著流程結(jié)構(gòu)的可行性。表4是正戊烷、正己烷、正庚烷物系的塔徑嚴(yán)格模擬計(jì)算結(jié)果。其中，D1為隔板左側(cè)所對(duì)應(yīng)的塔徑，即圖2和圖3中左邊塔的塔徑；D2為隔板右側(cè)所對(duì)應(yīng)的塔徑，即圖2中右邊塔中塔段2a、2b和2c的塔徑，圖3中L-TC結(jié)構(gòu)右邊塔的塔段a、b和c的塔徑，以及L-L結(jié)構(gòu)中右邊塔的塔徑；D3則為公共塔段，即圖2種塔段2a和圖3 L-TC的塔段2d的塔徑。從隔板精餾塔設(shè)計(jì)要求，3者應(yīng)滿足如下關(guān)系，

(2)

表4　正戊烷、正己烷和正庚烷物系的4種隔板塔形式的塔徑

從表4可以看出，3種形式的隔板塔的塔徑和原形式相差較小，而嚴(yán)格模擬計(jì)算所得塔徑圓整后均為1.8 m，基本滿足上述所需塔徑關(guān)系。同時(shí)可以看出，隔板兩側(cè)的塔徑相差不大，這說明將其設(shè)計(jì)成為隔板塔是可行的。尤其是TC-L和L-L形式消除了氣相分割比，更增加了這兩種形式的操作性。而L-L形式的預(yù)分餾塔和主塔可以當(dāng)做2個(gè)獨(dú)立的塔，這增加了操作的靈活性。

3　結(jié)論

隔板塔因?yàn)槠錆撛诘木薮蠊?jié)能優(yōu)勢(shì)而廣受關(guān)注。然而，由于其操作的復(fù)雜性尤其是塔底氣相分割比的控制問題限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。Agrawal等以及Ramapriya等[12]提出的3種新流程結(jié)構(gòu)的隔板塔，有效消除了因氣相分割比不可控導(dǎo)致的問題。經(jīng)過嚴(yán)格模擬，對(duì)3種新流程結(jié)構(gòu)的隔板精餾塔的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。模擬結(jié)果表明了這3種形式和原形式的能耗基本相同，且這一規(guī)律和所分離的物系無關(guān)。另外本研究還對(duì)這3種形式的塔徑進(jìn)行了評(píng)估，指出了其在隔板塔實(shí)際建造中的可行性。這幾種形式的隔板塔將會(huì)因?yàn)槠鋬?yōu)良的操作性能而具有非常良好的應(yīng)用前景。

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