分壁精餾塔分離五元體系的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)研究

華 濤，邱 潔，何桂春，伍 祥，凌 昊

（華東理工大學(xué) 化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

分壁精餾塔（DWC）是一種典型的化工過程強(qiáng)化設(shè)備，可大幅度地節(jié)省能耗和設(shè)備投資［1-2］。分離三組分混合物的DWC，國內(nèi)外均有大量的研究報(bào)道，葉青等［3-4］將DWC應(yīng)用于裂解汽油和醇體系的模擬及實(shí)驗(yàn)工作。Ling等［5-7］考察了三組分DWC的組分、溫度、溫差控制方案，結(jié)果表明，組分控制具有更好的控制效果。朱登磊等［8］將DWC應(yīng)用于乙烯裝置順序分離流程，實(shí)現(xiàn)了C1，C2，的分離。李沐榮等［9］提出了帶中間換熱器的熱泵精餾DWC。孫蘭義等［10-12］深入研究了反應(yīng)精餾型DWC的分離規(guī)律。郭艷姿［13］研究了對二甲苯吸附抽出液的DWC工藝。除此之外，DWC也可用于萃取精餾［14］。

在四組分DWC方面，Kaibel［15］提出一種單隔板結(jié)構(gòu)（Kaibel DWC，KDWC）。宋二偉等［16］對KDWC的穩(wěn)態(tài)及簡捷設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。Skogestad課題組進(jìn)行了相關(guān)的模擬及實(shí)驗(yàn)工作［17-18］。藺錫鈺等［19］對KDWC進(jìn)行了研究，結(jié)果表明組分控制可以應(yīng)對±10%的進(jìn)料流量和組成波動(dòng)。王志鋒等［20］研究了三隔板DWC，發(fā)現(xiàn)其節(jié)能潛力高于KDWC。在五元體系的研究方面，Kiss等［21］研究了兩個(gè)DWC串聯(lián)的方案，但并未實(shí)現(xiàn)單塔分離五組分的目標(biāo)。

本工作以甲醇（M）、乙醇（E）、正丙醇（P）、正丁醇（B）和正戊醇（H）五元體系為研究對象。建立了由一個(gè)常規(guī)塔和Kaibel分壁精餾塔組合（CKDWC）和強(qiáng)化的DWC（EDWC）的嚴(yán)格穩(wěn)態(tài)精餾模型，考察了組分控制結(jié)構(gòu)在應(yīng)對進(jìn)料流量和組成發(fā)生±10%波動(dòng)時(shí)的控制效果。

1 穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)

以M，E，P，B，H五元體系為研究對象，五種物質(zhì)在常壓下對應(yīng)的沸點(diǎn)為337.8，351.6，370.3，390.8，410.5 K，相對揮發(fā)度為16.31，9.16，4.38，2.05，1。五組分混合物等摩爾進(jìn)料，流量為3 600 kmol/h，進(jìn)料溫度為361 K。

穩(wěn)態(tài)模擬過程采用Aspen Plus軟件中的Rad Frac模塊，物性方法選擇WILSON模型，在Aspen軟件中采用WILSON方程調(diào)用各組分的飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)，并與文獻(xiàn)［22］中的蒸氣壓數(shù)據(jù)對比，兩者具有很好的吻合度。產(chǎn)品設(shè)計(jì)純度均為99%（x），塔頂壓力為101 kPa，塔板壓降為0.686 8 kPa。

1.1 常規(guī)分離流程穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)

常規(guī)方法分離五組分混合物時(shí)需要使用四個(gè)精餾塔且分離流程眾多。常規(guī)四塔分離序列見圖1。該序列中C1塔用于甲醇和乙醇的分離，C2塔用于丙醇和丁醇的分離，C3塔用于乙醇和丙醇的分離，C4塔用于丁醇和戊醇的分離。以最小年總投資（TAC）為目標(biāo)［23］對各精餾塔的塔板數(shù)、進(jìn)料位置、C1塔塔釜中的甲醇雜質(zhì)含量、C2塔塔頂中的丁醇雜質(zhì)含量、C2塔塔釜中的丙醇雜質(zhì)含量進(jìn)行優(yōu)化。TAC包含年度設(shè)備回收成本及能耗成本，年度設(shè)備回收成本由資金回收成本除以合適的折舊周期得到。

圖1 常規(guī)四塔分離序列Fig.1 Conventional separation sequence of four-column structure.

表1為優(yōu)化后的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。由表1可知，流程總塔板數(shù)為240塊，總負(fù)荷為117.68 MW。

表1 常規(guī)分離序列設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design of conventional separation sequence

1.2 CKDWC穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)

CKDWC由一個(gè)常規(guī)塔和KDWC組合而成，在穩(wěn)態(tài)模擬中KDWC可由一個(gè)汽提塔（僅有一個(gè)再沸器）、一個(gè)精餾塔（僅有一個(gè)冷凝器）和兩個(gè)并列的吸收塔組成［20］。仍以TAC為目標(biāo)對精餾塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，常規(guī)塔的優(yōu)化方法與前文相同，Kaibel塔需要優(yōu)化的參數(shù)為塔板數(shù)、進(jìn)料位置、兩條側(cè)線的采出位置、分氣比（βV）和分液比（βL）。然而，在實(shí)際操作中DWC的加工難度要高于常規(guī)塔，因此在設(shè)備核算時(shí)要將相應(yīng)的費(fèi)用乘上一個(gè)系數(shù)（1.2）［23-24］。

圖2為優(yōu)化后的塔體結(jié)構(gòu)。由圖2可知，常規(guī)塔有65塊塔板，KDWC共有88塊塔板，其中第13～70塊板間對應(yīng)的隔板進(jìn)料側(cè)區(qū)域?yàn)轭A(yù)分餾段（pre），其他區(qū)域?yàn)橹魉危╩ai）。KDWC的βL為自第13塊塔板處液相流入預(yù)分餾段所占的比值0.388，βV為自第70塊塔板處氣相進(jìn)入預(yù)分餾段所占的比值0.630。5個(gè)產(chǎn)品的純度均達(dá)到99%（x）的設(shè)計(jì)要求。

表2為CKDWC的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。由表2可知，常規(guī)塔塔釜再沸器負(fù)荷（QR）為36.19 MW，KDWC的QR為55.08 MW，流程總負(fù)荷為91.27 MW。對比表1和表2可知，CKDWC較常規(guī)分離序列QR可節(jié)省22.4%，TAC節(jié)省22.7%；KDWC較對應(yīng)的常規(guī)分離序列QR可節(jié)省32.1%。

圖2 CKDWC穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)Fig.2 Steady state design of CKDWC.

表2 CKDWC設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 CKDWC optimum design

圖3為CKDWC的液相組成。由圖3（a）可知，CC塔完成了甲醇和乙醇的分離，但乙醇在進(jìn)料位置及塔釜附近出現(xiàn)了返混。由圖3（b）可知，KDWC預(yù)分餾段中丙醇和丁醇也出現(xiàn)了一定程度的返混。同時(shí)，對于KDWC而言，必須選擇合適的βL來控制預(yù)分餾段頂部的丁醇含量，因?yàn)檫^量的丁醇組分越過隔板會(huì)以液態(tài)的形式自側(cè)線采出，從而導(dǎo)致側(cè)線產(chǎn)品無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖3 CKDWC液相組成Fig.3 Composition profiles in CKDWC.

1.3 EDWC穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)

KDWC只能對三組分或四組分體系進(jìn)行高純度分離，單個(gè)DWC分離五元體系時(shí)塔內(nèi)應(yīng)至少含有兩塊隔板，本工作使用EDWC對五元體系進(jìn)行分離。穩(wěn)態(tài)模擬流程如圖4所示，EDWC可由一個(gè)汽提塔（無冷凝器）、五個(gè)吸收塔、及一個(gè)精餾塔 （無再沸器） 組合而成，圖中虛線為氣相流股，實(shí)線為液相流股。EDWC內(nèi)部安裝兩塊隔板將塔體分為三個(gè)區(qū)域（C11為預(yù)分餾段，C21、C22為中間段，C31、C32、C33和C34為主塔段），其中預(yù)分餾段進(jìn)行丙醇和丁醇的清晰分割，該段應(yīng)避免丁醇從頂部越過隔板，同時(shí)也應(yīng)避免過量的丙醇自底部越過隔板；中間段要實(shí)現(xiàn)甲醇和丙醇的清晰分割，該段要避免丙醇越過隔板頂部，也應(yīng)避免甲醇越過隔板底部；主塔段塔頂采出甲醇，塔釜采出戊醇，乙醇、丙醇、丁醇依次自側(cè)線采出。

圖4 EDWC穩(wěn)態(tài)模擬流程Fig.4 Simulation flow sheet of EDWC.

EDWC中的進(jìn)料狀態(tài)、產(chǎn)品要求、物性方法均與CKDWC的相同。仍以TAC 為目標(biāo)對流程進(jìn)行優(yōu)化，需優(yōu)化的參數(shù)包括各段塔板數(shù)，兩組分氣βL及進(jìn)出料位置，由于EDWC 在結(jié)構(gòu)上更加復(fù)雜，因此在設(shè)備核算時(shí)需將相應(yīng)的費(fèi)用乘上系數(shù)1.3［23-24］。圖5為優(yōu)化后的塔體結(jié)構(gòu)。由圖5可知，全塔共有116塊塔板，第一分液比（βL1）為0.621，第二分液比（βL2）為0.480；第一分氣比（βV1）為0.623，第二分氣比（βV2）為0.398。

圖5 EDWC穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)Fig.5 Steady state design of EDWC.

表3為EDWC設(shè)計(jì)參數(shù)。由表3可知，EDWC的QR為72.21 MW，塔徑為7.97 m，EDWC的TAC為1.432×107$/a，和常規(guī)分離序列相比，EDWC可節(jié)能38.6%，TAC節(jié)省36.2%，和CKDWC相比QR可節(jié)省20.9 %。

表3 EDWC設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 EDWC optimum design

圖6為EDWC的液相組成圖。由圖6可知，5個(gè)產(chǎn)品純度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。EDWC有兩組分氣的βL，由于液體自上而下流動(dòng)，而βL1的位置高于βL2，因此一般來說βL1的變化對全塔溫度分布的影響要高于βL2；同樣，氣體自下而上流動(dòng)，βV1的位置低于βV2，對全塔溫度分布的影響也比βV2要大。由圖6（b）可知，丙醇組分摩爾百分?jǐn)?shù)在預(yù)分餾段下部出現(xiàn)一個(gè)極大值、丁醇組分在預(yù)分餾段上部也出現(xiàn)一個(gè)極大值，這說明預(yù)分餾段中丙醇和丁醇組分均存在一定程度的返混現(xiàn)象，對于精餾過程而言，返混造成的熱力學(xué)損失會(huì)導(dǎo)致分離過程的能耗升高；從中間段的液相組成中可以看出，乙醇組分在第32～46塊板間也出現(xiàn)了輕微的返混，從本質(zhì)上來說，這是由于EDWC內(nèi)部熱量耦合造成的，第36～46塊板間主塔段中乙醇含量自上而下迅速降低，并在第47塊板處與來自中間段的液相相互混合，混合后的液相則被上升的氣相重新“攜帶”至中間段和相應(yīng)的主塔段中，這樣主塔段中（第46塊板附近）含量較低的乙醇組分就越過隔板底部進(jìn)入中間段，也就造成了中間段下部乙醇組分的返混現(xiàn)象。

圖6 EDWC液相組成Fig.6 Composition profiles in EDWC.

2 EDWC動(dòng)態(tài)控制

2.1 組分控制結(jié)構(gòu)

EDWC在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，主要包含QR、塔頂回流量（RW）、三條側(cè)線采出量（S1，S2，S3）、兩組分氣分液比（βL1，βL2，βV1，βV2）等 9組操作變量，本工作采用傳統(tǒng)的PID控制建立相應(yīng)的組分控制結(jié)構(gòu)。EDWC組分控制結(jié)構(gòu)需建立相應(yīng)的流量、液位、壓力及組分控制回路，其中6個(gè)組分控制回路的配對方案為：1）塔釜控制回路采用QR控制預(yù)分餾段底部的丙醇含量；2）塔頂控制回路采用RW控制塔頂產(chǎn)品乙醇的雜質(zhì)含量；3）上側(cè)線控制回路以S1控制上側(cè)線產(chǎn)品丙醇的雜質(zhì)含量；4）中間側(cè)線控制回路以S2控制中間側(cè)線產(chǎn)品丁醇的雜質(zhì)含量；5）下側(cè)線控制回路以S3控制塔釜產(chǎn)品丁醇的雜質(zhì)含量；6）βL控制回路采用βL1控制中間段頂部的丙醇含量。

在圖5所示的穩(wěn)態(tài)條件下，模擬流程處于最優(yōu)點(diǎn)，但操作條件較為嚴(yán)苛，可考慮犧牲部分能耗來改善控制效果，將βV1由0.623減小至0.611，得到QR= 74.16 MW，與最優(yōu)點(diǎn)相比能耗升高了2.7%。此時(shí)，可將相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)文件按Luyben［23］提出的方法導(dǎo)入動(dòng)態(tài)中，并對再沸器及冷凝器的尺寸進(jìn)行計(jì)算，本工作再沸器的直徑為4.55 m，高度為9.11 m。

動(dòng)態(tài)模擬在Aspen Dynamic中完成，圖7為EDWC控制結(jié)構(gòu)。

圖7 EDWC控制結(jié)構(gòu)Fig.7 Control structure of EDWC.

由圖7可知，流程中液位控制器的比例增益為2，積分時(shí)間為9 999 min；壓力控制器的比例增益為20，積分時(shí)間為12 min；流量控制器的比例增益為0.5，積分時(shí)間為0.3 min。組分控制回路遲滯均為5 min，控制回路采用Tyreus-Luyben方法進(jìn)行調(diào)諧以獲得增益值和積分時(shí)間。具體調(diào)諧方法為：首先對塔釜控制回路進(jìn)行調(diào)諧，將塔釜控制回路調(diào)至自動(dòng)，同時(shí)保持其他控制回路為手動(dòng)進(jìn)行中繼-反饋測試；而后依照相同的方法依次對塔頂、三條側(cè)線及βL1控制回路進(jìn)行調(diào)諧，相應(yīng)的調(diào)諧參數(shù)見表4。

表4 控制器調(diào)諧參數(shù)Table 4 Tuning parameters of composition control structure

2.2 組分控制結(jié)果

本工作以穩(wěn)定后的產(chǎn)品純度（x）在98.5%～99.5%范圍為合格產(chǎn)品。以原料中甲醇組分波動(dòng)為例，圖中甲醇組分含量增加10%表示甲醇摩爾百分?jǐn)?shù)從0.20增至0.22，其他組分之間的摩爾比不變。

圖8為進(jìn)料流量及各組分含量波動(dòng)±10%時(shí)的控制效果。由圖8（a）可知，組分控制結(jié)構(gòu)可以很好地應(yīng)對進(jìn)料流量±10%（x）的波動(dòng)；由圖8（b）可知，甲醇含量波動(dòng)時(shí)，五個(gè)產(chǎn)品均得到了很好的控制；由圖8（c）可知，進(jìn)料中乙醇含量波動(dòng)時(shí)，五個(gè)產(chǎn)品純度得到了良好的控制，但乙醇產(chǎn)品純度略有偏差，原料中乙醇組分增加10%（x）時(shí)穩(wěn)定后的乙醇產(chǎn)品純度為98.88%（x），減少10%（x）時(shí)乙醇產(chǎn)品純度為99.11%（x）；由圖8（d）可知，穩(wěn)定后的乙醇和丁醇產(chǎn)品約有0.1%的偏差；由圖8（e）可知，原料中丁醇組分增加10%（x）后，穩(wěn)定后的丁醇產(chǎn)品純度約為98.88%（x）；由圖8（f）可知，戊醇含量波動(dòng)時(shí)，各產(chǎn)品純度偏差在0.06%以內(nèi)；穩(wěn)定后的丁醇產(chǎn)品純度略有偏差，約為98.94%（x）。

圖8 波動(dòng)±10%的控制結(jié)果Fig.8 Control results of ±10% disturbances in EDWC.

3 結(jié)論

1）DWC在應(yīng)用于五元混合物的分離過程中具有節(jié)能優(yōu)勢，EDWC可在一個(gè)塔內(nèi)對五組分體系進(jìn)行高純度分離，與常規(guī)分離序列相比可節(jié)省QR38.6%，與CKDWC相比可節(jié)省QR20.9 %。

2）EDWC在預(yù)分餾段需實(shí)現(xiàn)丙醇和丁醇的清晰分割，該段丙醇和丁醇出現(xiàn)了一定程度的返混；在中間段需實(shí)現(xiàn)甲醇和丙醇的清晰分割，該段乙醇組分也出現(xiàn)了輕微的返混。

3）動(dòng)態(tài)模擬的結(jié)果表明，組分控制策略在應(yīng)對進(jìn)料流量及組成發(fā)生±10%的波動(dòng)時(shí)具有良好的控制效果。