雙儲(chǔ)罐替代恒全回流半連續(xù)精餾操作方式的研究

李娟，呂靈娟，白鵬，郭翔海

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雙儲(chǔ)罐替代恒全回流半連續(xù)精餾操作方式的研究

李娟，呂靈娟，白鵬，郭翔海

（天津大學(xué)化工學(xué)院制藥工程系，教育部系統(tǒng)生物工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

提出雙儲(chǔ)罐替代的恒全回流半連續(xù)精餾操作方式（SCTR），該操作方式中塔頂和塔釜的雙儲(chǔ)罐分別交替使用，使精餾塔處于恒全回流狀態(tài)，并能進(jìn)行半連續(xù)地產(chǎn)品采出和原料補(bǔ)充。通過(guò)Matlab編程進(jìn)行模擬，以輕重組分回收率、單位時(shí)間總產(chǎn)量（..）等作為指標(biāo)，在不同進(jìn)料情況下對(duì)各參數(shù)的優(yōu)化，包括儲(chǔ)罐總體積、各儲(chǔ)罐體積等。模擬結(jié)果表明，SCTR操作方式與恒回流比間歇精餾操作方式相比，最多可節(jié)省操作時(shí)間32%，與塔頂單儲(chǔ)罐動(dòng)態(tài)累積循環(huán)全回流間歇精餾相比，操作時(shí)間相近，與多儲(chǔ)罐動(dòng)態(tài)累積循環(huán)全回流間歇精餾操作方式相比，耗時(shí)略高。適用于輕組分濃度低的二元組分的分離。采用乙醇/正丙醇物系驗(yàn)證了該操作方式在進(jìn)料濃度分別為0.2、0.5和0.8情況下的可行性和操作的簡(jiǎn)單靈活。

分離；設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)模擬

間歇精餾又稱分批精餾，是較早使用的分離技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于制藥、精細(xì)化工及輕工等高附加值產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)中，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活等[1]。關(guān)于間歇精餾的研究，主要有兩個(gè)方向：①新型精餾塔結(jié)構(gòu)的研究與開(kāi)發(fā)；②操作方式的優(yōu)化。

新型結(jié)構(gòu)的精餾塔根據(jù)持液儲(chǔ)罐安裝位置的不同劃分為提餾式間歇精餾塔、中間儲(chǔ)罐間歇精餾塔、塔身多儲(chǔ)罐間歇精餾塔等；按照操作方式不同可劃分為恒回流比操作方式、恒餾出液濃度操作方式、優(yōu)化變回流比操作方式以及全回流操作方式。

其中，循環(huán)全回流操作按全回流循環(huán)次數(shù)和儲(chǔ)罐個(gè)數(shù)可分為3種：①塔頂單儲(chǔ)罐多次全回流-全采出切換[2-3]；②塔頂雙儲(chǔ)罐多次全回流-全采出操 作[4-5]；③塔身多儲(chǔ)罐全回流間歇精餾[6-9]。上述3種循環(huán)全回流操作均為間歇分批操作，每批物料的開(kāi)車(chē)和停工都會(huì)有一定的延長(zhǎng)時(shí)間，且在同一時(shí)間只能通過(guò)塔頂分離輕組分，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)重組分產(chǎn)品的采出。

基于此背景，本文提出雙儲(chǔ)罐替代的恒全回流半連續(xù)精餾操作方式（SCTR）。通過(guò)塔頂和塔釜雙儲(chǔ)罐的交替使用實(shí)現(xiàn)恒全回流狀態(tài)的半連續(xù)精餾過(guò)程，其操作步驟為：①精餾塔塔頂和塔釜各有兩個(gè)充滿原料的儲(chǔ)罐通過(guò)三通閥與精餾塔連接；②旋轉(zhuǎn)閥門(mén)使塔頂和塔釜各一個(gè)儲(chǔ)罐與精餾塔接通，進(jìn)行全回流操作；③塔頂儲(chǔ)罐濃度達(dá)標(biāo)時(shí)，以裝入待分離原料的塔頂儲(chǔ)罐代替已達(dá)標(biāo)的儲(chǔ)罐，繼續(xù)全回流操作；④塔釜儲(chǔ)罐濃度達(dá)標(biāo)時(shí)，以裝入待分離原料的塔釜儲(chǔ)罐代替已達(dá)標(biāo)的儲(chǔ)罐，繼續(xù)全回流操作；根據(jù)塔頂儲(chǔ)罐和塔釜儲(chǔ)罐的產(chǎn)品濃度，選擇步驟③或④，直至結(jié)束操作。這樣可以同時(shí)在塔頂和塔釜分別采出輕組分和重組分，以原料代替塔頂回流的冷凝液，相當(dāng)于給精餾體系加入原料，因此稱為半連續(xù)操作。

1 模擬流程與結(jié)果

將塔頂和塔釜的雙儲(chǔ)罐視為單儲(chǔ)罐，采出產(chǎn)品時(shí)兩儲(chǔ)罐間的切換可視為單儲(chǔ)罐內(nèi)持液濃度發(fā)生變化，即儲(chǔ)罐內(nèi)持液的濃度瞬間由合格產(chǎn)品的濃度變?yōu)榇蛛x原料的濃度。同時(shí)，將塔頂儲(chǔ)罐持液視為塔頂冷凝器持液，但不視為一塊理論板；塔釜儲(chǔ)罐視為塔釜持液的一部分，且視為一塊理論板。本文采用平衡級(jí)動(dòng)態(tài)精餾模型，并進(jìn)行以下假設(shè)。

（1）理論板假設(shè) 各塔板均視為理論板，符合全混級(jí)假設(shè)（氣液相完全混合）和平衡級(jí)假設(shè)（氣液相處于相平衡）。

（2）恒摩爾流假設(shè)。

（3）塔頂儲(chǔ)罐、塔釜儲(chǔ)罐、塔板的靜持液量恒定。

（4）塔釜視為一個(gè)平衡級(jí)。

（5）恒定的相對(duì)揮發(fā)度。

采用4～5階Runge-Kutta法（ODE45），模擬計(jì)算是從全回流開(kāi)始，不包括開(kāi)車(chē)階段，因此精餾操作初始時(shí)，假設(shè)全塔濃度均等于進(jìn)料濃度F。

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

塔頂和塔釜產(chǎn)品輕組分濃度要求分別為0.99和0.01，分離效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)有：操作時(shí)間（），輕組分收率（L），重組分收率（H）和單位時(shí)間總產(chǎn)量（）。

1.2 模擬結(jié)果與討論

模擬過(guò)程主要參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 模擬計(jì)算設(shè)定參數(shù)

1.2.1 儲(chǔ)罐總體積對(duì)分離效果的影響

儲(chǔ)罐總體積對(duì)分離效果的影響主要是通過(guò)影響塔釜再沸器的持液量來(lái)實(shí)現(xiàn)。任意時(shí)刻，精餾塔內(nèi)總物料量一定，各塔板持液量固定，從而塔頂和塔釜儲(chǔ)罐總體積的大小決定了再沸器中剩余持液量，而再沸器中剩余持液量的大小，決定了每次塔釜儲(chǔ)罐采出與補(bǔ)料后，塔釜再沸器與塔釜儲(chǔ)罐內(nèi)的平均濃度是否接近分離原料濃度。儲(chǔ)罐總體積對(duì)分離效果的影響如表2。

表2 儲(chǔ)罐總體積對(duì)分離效果的影響

注：進(jìn)料濃度F=0.5。

從回收率看，儲(chǔ)罐總體積為20mol、40mol、60mol時(shí)輕組分回收率L和重組分回收率H均較高，且儲(chǔ)罐總體積為60mol時(shí)精餾操作時(shí)間最短，因此在之后的模擬計(jì)算中，均采用60mol作為儲(chǔ)罐總體積。

1.2.2 儲(chǔ)罐容積及進(jìn)料濃度對(duì)分離效果的影響

進(jìn)料濃度較低時(shí)，塔頂儲(chǔ)罐過(guò)大，可能導(dǎo)致只能采出一次塔頂輕組分，精餾操作結(jié)束時(shí)，塔頂儲(chǔ)罐內(nèi)物料達(dá)不到合格標(biāo)準(zhǔn)而成為過(guò)渡餾分。若塔頂儲(chǔ)罐較小，可以少量多次采出，從而盡可能地得到更多的合格產(chǎn)品。具體情況如表3所示。

表3 儲(chǔ)罐容積及進(jìn)料濃度對(duì)分離效果的影響

由表3可知：①進(jìn)料濃度較低時(shí)，如0.2、0.3，選用較小的塔頂儲(chǔ)罐（10mol）可以得到較高的回收率（L和H）和單位時(shí)間總產(chǎn)量（..），對(duì)間歇精餾操作有利；②中等進(jìn)料濃度（F=0.5）時(shí)，塔頂儲(chǔ)罐體積為35mol，塔釜儲(chǔ)罐體積為25mol，塔釜總持液量為36mol，即中等進(jìn)料濃度時(shí)，塔頂儲(chǔ)罐與塔釜總持液量接近時(shí)對(duì)間歇精餾操作有利；③進(jìn)料濃度較高時(shí)，應(yīng)該采用較大的塔頂儲(chǔ)罐，每次盡可能多地從塔頂采出合格產(chǎn)品。進(jìn)料濃度低時(shí)，采用較小的塔頂儲(chǔ)罐體積可以減少對(duì)塔內(nèi)全回流后平衡狀態(tài)的影響。因此，進(jìn)料濃度偏低時(shí)，應(yīng)采用較小的塔頂儲(chǔ)罐以提高回收率，縮短操作時(shí)間。

1.2.3 多次循環(huán)的穩(wěn)定性

針對(duì)不同進(jìn)料濃度，分別在1.2.2節(jié)中得到的較優(yōu)操作條件下操作60個(gè)循環(huán)。進(jìn)料濃度為0.2時(shí)的循環(huán)結(jié)果如圖1所示,儲(chǔ)罐產(chǎn)品采出時(shí)間的變化見(jiàn)圖2。進(jìn)料濃度為0.5和0.8時(shí)具有相似的變化趨勢(shì)。

由圖1、圖2可知，SCTR操作方式在多次循環(huán)時(shí)仍然穩(wěn)定，且塔頂塔釜儲(chǔ)罐的采出時(shí)間與循環(huán)次數(shù)存在一定的正比關(guān)系，可通過(guò)循環(huán)次數(shù)分別預(yù)估塔頂和塔釜儲(chǔ)罐的采出時(shí)間。

圖1 60次循環(huán)的濃度變化圖

（F=0.2，=2.0）

圖2 采出時(shí)間與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

（F=0.2）

1.2.4 處理能力

模擬了低進(jìn)料濃度（F=0.2）和高進(jìn)料濃度（F=0.8）時(shí)總進(jìn)料量從300mol遞增時(shí)新操作方式的分離效果，模擬結(jié)果如圖3所示。

進(jìn)料濃度為0.2時(shí)，重組分收率隨處理量增加而增加，而輕組分收率呈較大波動(dòng)性。這是由于進(jìn)料濃度較低時(shí)，塔內(nèi)重組分較多，輕組分較少，對(duì)于一定的處理量，最后一次進(jìn)料之后，塔頂儲(chǔ)罐內(nèi)輕組分濃度能否達(dá)標(biāo)采出，對(duì)輕組分收率有很大影響。重組分位于塔釜，最后一批物料時(shí)，即使塔頂儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)，塔釜內(nèi)產(chǎn)品大多數(shù)時(shí)候能夠達(dá)到采出標(biāo)準(zhǔn)，因此重組分收率較高。同理，當(dāng)進(jìn)料濃度較高時(shí)，則表現(xiàn)為塔釜儲(chǔ)罐內(nèi)重組分濃度能否達(dá)標(biāo)采出對(duì)重組分收率的影響較大。

圖3 輕重組分的收率

（=2.0）

1.2.5 與其他操作方式的比較

不同操作方式間的比較如表4所示，以SCTR的操作時(shí)間為基準(zhǔn)，高于SCTR操作時(shí)間的為正值，反之，取負(fù)值。

表4 不同操作方式的比較

注：操作時(shí)間為獲得30mol輕組分所需時(shí)間。

在低進(jìn)料濃度低相對(duì)揮發(fā)度時(shí)，恒全回流半連續(xù)精餾操作方式相較恒回流比操作方式最多可縮短約33%，與塔頂單儲(chǔ)罐多次全回流-全采出操作（CTR）、塔身多儲(chǔ)罐恒全回流間歇精餾（MVBD）相比，則沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。在進(jìn)料濃度和相對(duì)揮發(fā)度其中一個(gè)相對(duì)較高時(shí)，恒全回流半連續(xù)精餾操作方式所用操作時(shí)間與塔頂單儲(chǔ)罐多次全回流-全采出操作相近。但考慮到CTR和MVBD為分批操作，每批物料的開(kāi)車(chē)和停工期較長(zhǎng)，而恒全回流半連續(xù)精餾（SCTR）可實(shí)現(xiàn)半連續(xù)地產(chǎn)品采出與物料的補(bǔ)充，進(jìn)行多個(gè)采出周期時(shí)可節(jié)省更多時(shí)間。由表4可知，恒全回流半連續(xù)精餾（SCTR）操作方式更適用于相對(duì)揮發(fā)度較低的低濃度二元組分的分離。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與設(shè)計(jì)參數(shù)

塔釜為500mL三口燒瓶，采用可調(diào)電壓的電加熱套用于給塔釜再沸器加熱，塔節(jié)為內(nèi)徑30mm的玻璃管，長(zhǎng)80cm，塔節(jié)內(nèi)裝有3×3的不銹鋼θ網(wǎng)環(huán)填料，填料層高度70cm（理論板數(shù)為7），如圖4。儲(chǔ)罐通過(guò)軟管與精餾塔相連，通過(guò)夾子實(shí)現(xiàn)連接切斷。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1—塔頂儲(chǔ)罐 1a/1b；2—塔釜儲(chǔ)罐 2a/2b；3—再沸器；4—電加熱套； 5、8—溫度計(jì)；6—壓差計(jì)；7—填料塔節(jié)；9—冷凝器；10、11—液體分布器

實(shí)驗(yàn)物系為乙醇/正丙醇。參考模擬過(guò)程中，當(dāng)F為0.2時(shí)，進(jìn)料輕組分含量為塔頂儲(chǔ)罐最佳容積的2倍，當(dāng)F為0.8時(shí)，進(jìn)料輕組分含量為塔頂儲(chǔ)罐最佳容積的1.6倍，當(dāng)F為0.5時(shí)，保證塔頂儲(chǔ)罐容積與塔釜總持液相近，且塔釜再沸器能夠提供足夠的上升蒸汽。針對(duì)進(jìn)料濃度設(shè)計(jì)3組實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表5。原料全部從塔頂儲(chǔ)罐加入，由儲(chǔ)罐溢流進(jìn)入精餾塔，從塔節(jié)流入塔釜儲(chǔ)罐，再溢流進(jìn)入塔釜。塔頂塔釜儲(chǔ)罐的乙醇產(chǎn)品濃度要求分別為0.95和0.05，每20min從儲(chǔ)罐取樣進(jìn)行氣相色譜檢測(cè)。

表5 恒全回流半連續(xù)精餾實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表6及圖5。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)濃度達(dá)到要求時(shí)，裝有原料的儲(chǔ)罐立刻替代產(chǎn)品已達(dá)標(biāo)的儲(chǔ)罐與精餾塔連接，因此在圖上表現(xiàn)為儲(chǔ)罐內(nèi)濃度瞬間變?yōu)樵蠞舛取?組實(shí)驗(yàn)均可實(shí)現(xiàn)塔頂和塔釜的多次采出，唯一不同的是塔頂和塔釜產(chǎn)品采出的順序和時(shí)間。

表6 恒全回流半連續(xù)精餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 儲(chǔ)罐內(nèi)乙醇濃度變化

儲(chǔ)罐內(nèi)濃度變化曲線與模擬得到的濃度變化曲線具有相似的規(guī)律與趨勢(shì)，且可以同時(shí)在塔頂和塔釜分別采出輕組分產(chǎn)品和重組分產(chǎn)品，說(shuō)明恒全回流半連續(xù)精餾操作方式具有可操作性，本文所建立的數(shù)學(xué)模型能夠較好地描述精餾塔內(nèi)濃度變化 情況。

3 結(jié)論

基于現(xiàn)有循環(huán)全回流操作均為間歇操作，且無(wú)法同時(shí)獲得輕組分和重組分產(chǎn)品，本文提出塔頂塔釜雙儲(chǔ)罐交替使用的循環(huán)全回流半連續(xù)精餾操作，在操作過(guò)程中，以原料代替塔頂回流的冷凝液，相當(dāng)于給精餾體系加入原料，從而實(shí)現(xiàn)半連續(xù)操作。采用Matlab軟件建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行優(yōu)化研究,與恒回流比操作方式相比，可節(jié)省操作時(shí)間達(dá)32%。綜合考慮，SCTR更適用于相對(duì)揮發(fā)度較低的低濃度二元組分的分離，采用合適的塔頂塔釜儲(chǔ)罐容積，可同時(shí)在塔頂塔釜分別得到輕組分產(chǎn)品和重組分 產(chǎn)品。

本文作者所選取的進(jìn)料濃度并未全面覆蓋，且每批次儲(chǔ)罐的替換會(huì)帶來(lái)返混，對(duì)整個(gè)精餾塔內(nèi)濃度梯度與穩(wěn)定性的影響較大，需要進(jìn)一步考察并建立更加嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型。

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Study on operation mode of vessels-alternated semi-continuous distillation with constant total reflux

LI Juan，LV Lingjuan，BAIPeng，GUO Xianghai

（Key Laboratory of Systems Bioengineering，Ministry of Education，Department of Pharmaceutical Engineering，School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300350，China）

The present work proposed a new operation mode named the vessels-alternated semi-continuous distillation with constant total reflux（SCTR）. In the new mode, the column was under total reflux all the time with two reflux drums working in turn at both the top and the bottom, respectively. A simulation was conducted by Matlab to study the discharging policy and optimize the operating parameters including the total holdup and distribution of vessels. The optimization was done according to the product yield both of light and heavy components, as well as the amount of total product per unit time（P.I.）. Compared with operation mode of constant reflux（CR），SCTR can save the operation time by more than 32%. It took almost the same time to operate compared with CTR with one vessel, but more time than the MVBD with three vessels. The results showed that the SCTR operation was more suitable for separation of binary mixtures with low concentration of light component. But it was advantageous in realizing semicontinuous operation by discharging product and replenishing feed periodically. Experiments with ethanol-propanol system in different feed concentrations（0.2、0.5 and 0.8）were presented, which confirmed the operation feasibility and simplicity of the new operation mode.

separation；design；computer simulation

TQ028.1+3

A

1000–6613（2017）10–3619–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016-2079

2016-11-14；

2016-12-03。

天津大學(xué)自主創(chuàng)新基金（2016XZC-0071）及天津市自然科學(xué)基金（16JCYBJC20300）項(xiàng)目。

李娟（1991—），女，碩士研究生。

郭翔海，副教授。E-mail：guoxh@tju.edu.cn。