隔壁塔在分離三元及共沸混合物中應(yīng)用的研究進(jìn)展

王 旭，武海濤，劉甜甜，潘 麗，馮 翀，梅 雪，劉勇軍，黃 偉,3

（1. 太原理工大學(xué) 省部共建煤基能源清潔高效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；2. 華陽(yáng)集團(tuán)碳基合成材料研發(fā)中心，山西 太原 030032；3. 山西浙大新材料與化工研究院，山西 太原 030024）

精餾是現(xiàn)代化工重要的分離手段，也是整個(gè)化工行業(yè)中能耗最大的操作單元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，分離能耗約占整個(gè)化工生產(chǎn)總能耗的40%~70%，而其中95%的能耗來(lái)自精餾單元[1]。隨著我國(guó)“30·60”雙碳目標(biāo)的提出，開(kāi)發(fā)新的節(jié)能技術(shù)以降低精餾過(guò)程能耗成為相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者研究熱點(diǎn)，認(rèn)為節(jié)能提效是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的首要選擇。特別是在化石能源日益短缺的今天，以變革節(jié)能方式推動(dòng)能源高質(zhì)量發(fā)展將為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。

精餾過(guò)程由于需要對(duì)混合液重復(fù)進(jìn)行蒸發(fā)和冷凝，輕、重組分分別在氣相和液相富集，因此存在能耗高、效率低的問(wèn)題。20 世紀(jì)90 年代，STANKIEWICZ等[2]提出過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)，其目的是在解決高能耗、高污染問(wèn)題的同時(shí)增加化工生產(chǎn)的可操作性和安全性。而熱耦合精餾塔[3]中的氣、液物流通過(guò)主塔與副塔之間的雙向連接，實(shí)現(xiàn)了物料與熱量的直接耦合，是過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)在精餾領(lǐng)域的應(yīng)用，即精餾強(qiáng)化。精餾強(qiáng)化亦可通過(guò)采用新工藝或高效率、低耗能的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如多效精餾[4-6]以多塔代替單塔，使能位高的塔頂蒸汽為能位低的塔底再沸器加熱，蒸汽在供熱的同時(shí)給自身降溫，即充分利用冷熱介質(zhì)之間過(guò)剩的溫差，從而達(dá)到節(jié)能的目的；精餾強(qiáng)化還可以通過(guò)優(yōu)化操作條件來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如選擇適宜的回流比和操作壓力等工藝參數(shù)以及選擇合適的進(jìn)料位置和進(jìn)料狀態(tài)等[7]；此外，在精餾過(guò)程中引入能量分離劑如微波場(chǎng)、超重力場(chǎng)和超聲場(chǎng)等外場(chǎng)能量來(lái)提高過(guò)程的生產(chǎn)效率，縮短過(guò)程時(shí)間，也是精餾強(qiáng)化的一種手段[8]。近年來(lái)，隨著工程專業(yè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，精餾強(qiáng)化與節(jié)能技術(shù)在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和裝備等方面均取得了顯著的進(jìn)步。

作為新型的精餾強(qiáng)化技術(shù)，分隔壁精餾塔（隔壁塔）是熱耦合精餾塔的一種特殊類型，起初由LUSTER提出用于裂解氣的分離并申請(qǐng)了一項(xiàng)美國(guó)專利[9]，后來(lái)WRIGHT[10]提出了用途更為廣泛的一般意義上的隔壁塔概念。從1985 年世界上首套隔壁塔工業(yè)分離裝置由德國(guó) BASF 公司搭建并投入使用以來(lái)，隔壁塔工業(yè)分離裝置也已超過(guò)100 座，在分離領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但國(guó)內(nèi)關(guān)于隔壁塔的專利很少，且研究結(jié)果基本停留在基礎(chǔ)研究階段，也幾乎沒(méi)有工業(yè)應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。研究表明，與傳統(tǒng)精餾塔相比，隔壁塔在多組分分離過(guò)程中節(jié)能在30%以上，對(duì)于部分特殊物系的分離，甚至可節(jié)能50%~60%；此外，由于隔壁塔集主塔和副塔于一體，故而還可節(jié)省40%的設(shè)備占用空間以及約30%的投資費(fèi)用[11-12]。因此，隔壁塔能克服傳統(tǒng)多效精餾和熱泵精餾等精餾強(qiáng)化方面的不足。

本文闡述隔壁塔的分離原理；重點(diǎn)綜述目前3 種不同類型（分隔壁在中部、頂部和底部）隔壁塔——隔壁精餾塔、萃取精餾隔壁塔和共沸精餾隔壁塔在分離三元及共沸混合物中應(yīng)用的研究進(jìn)展，以及反應(yīng)精餾與隔壁塔技術(shù)相結(jié)合的反應(yīng)精餾隔壁塔在反應(yīng)精餾一體化中應(yīng)用的研究進(jìn)展；通過(guò)典型物系，對(duì)比分析隔壁塔技術(shù)和傳統(tǒng)精餾技術(shù)在節(jié)能降耗、減少操作費(fèi)用和降低年度總費(fèi)用方面的優(yōu)勢(shì)；最后指出目前隔壁塔發(fā)展中存在的問(wèn)題以及未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)。

1 隔壁塔分離原理

隔壁塔是在普通精餾塔的內(nèi)部垂直放置一塊隔板，隔板將精餾塔內(nèi)部分隔成公共精餾段和公共提餾段、預(yù)分餾段和側(cè)線精餾段。隔壁塔示意如圖1所示[13]。

圖1 隔壁塔示意[13]Fig. 1 Schematic diagram of dividing wall column[13]

精餾塔中隔板的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了雙塔的分離功能，使三元混合物的分離可以在單塔內(nèi)進(jìn)行，三元混合物從預(yù)分離塔中間進(jìn)料，在預(yù)分餾段，輕組分A和部分中間沸點(diǎn)組分B上移至公共精餾段，剩余部分B和重組分C下移至公共提餾段；隨后，A和B在公共精餾段進(jìn)行二次分離，而B和C也同時(shí)在公共提餾段進(jìn)行二次分離，最終輕組分A在塔頂采出，中間沸點(diǎn)組分B在側(cè)線采出，重組分C則在塔釜采出?？梢钥闯觯舯谒恍枰? 個(gè)精餾塔、1 個(gè)再沸器和1 個(gè)冷凝器就可以實(shí)現(xiàn)三元混合物的分離，其較常規(guī)流程具有能耗低、設(shè)備投資少以及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。此外，從隔壁塔側(cè)線位置及時(shí)采出高含量的中間沸點(diǎn)組分，避免了中間沸點(diǎn)組分的返混和能效的損失，減少設(shè)備投資的同時(shí)降低了能耗[14]。隔壁塔已廣泛應(yīng)用于各類混合物的分離，其作為精餾過(guò)程強(qiáng)化的有效手段，也應(yīng)用于一些特殊精餾過(guò)程，如反應(yīng)精餾隔壁塔、共沸精餾隔壁塔以及萃取精餾隔壁塔[15]。

2 隔壁塔應(yīng)用的研究進(jìn)展

隔壁塔根據(jù)隔板在塔身的軸向位置，將隔板在中間、頂部和底部的隔壁塔分別稱為隔壁精餾塔、隔壁側(cè)線精餾塔（萃取精餾隔壁塔）以及隔壁側(cè)線提餾塔（共沸精餾隔壁塔）；將反應(yīng)精餾與隔壁塔兩種過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)相結(jié)合，則為反應(yīng)精餾隔壁塔[16]。本節(jié)主要介紹隔壁塔技術(shù)在三元混合物、二元共沸物混合物以及醇-水混合物分離中應(yīng)用的研究進(jìn)展。

2.1 隔壁精餾塔在分離三元混合物中應(yīng)用的研究

三元混合物如混合烯烴、醇、芳烴以及胺類等一般采用隔板位于中間位置的隔壁精餾塔進(jìn)行分離。

葉青等[17]采用Aspen Plus軟件模擬了隔壁精餾塔分離乙醇-正丁醇-正己醇的三元混合物并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合；相比常規(guī)雙塔流程，達(dá)到相同的分離效果，采用隔壁精餾塔更節(jié)能；當(dāng)乙醇、正丁醇及正己醇進(jìn)料的物質(zhì)的量之比為1:3:1 時(shí)，可節(jié)能25.9%，且中間沸點(diǎn)組分占比越高，節(jié)能效果越好。周由之等[18]為完善CO加氫制混合醇工藝，采用隔壁塔技術(shù)和雙效精餾相結(jié)合的方式分離中試級(jí)別產(chǎn)量的混合醇。模擬結(jié)果顯示，采用低壓-常壓逆流雙效精餾方式能耗最低，僅為多塔序列能耗的51.4%；動(dòng)態(tài)控制顯示溫度-組成的串級(jí)控制策略DB/LSQR在面對(duì)流量干擾時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間最短和最大質(zhì)量偏差最小[19]。

錢春健等[20]設(shè)計(jì)并搭建了小試隔壁精餾塔用于分離苯、甲苯和二甲苯三元分混合物，同時(shí)考察了回流比、進(jìn)料速率、組成及回流液在預(yù)分餾段與側(cè)線精餾段的分配比等因素對(duì)分離效果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)總進(jìn)料速率為1.1 mL/min、V(苯):V(甲苯):V(二甲苯) = 1:3:1、回流比為6:1 以及回流液在預(yù)分餾段與側(cè)線精餾段的分配比為1:2 時(shí)具有最佳的分離效果，此時(shí)塔釜中只有二甲苯，塔頂采出的苯和側(cè)線采出的甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)94.9%和96.4%。李軍等[21]采用隔壁精餾塔分離二甲苯時(shí)，以再沸器負(fù)荷和年操作費(fèi)用為目標(biāo)，獲得了最優(yōu)的工藝操作參數(shù)，相比常規(guī)工藝，隔壁精餾塔節(jié)能29.5%，年操作費(fèi)用減少28.7%；此外，該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了動(dòng)態(tài)控制方面的模擬，結(jié)果顯示，溫度-組成串級(jí)控制的效果最優(yōu)，調(diào)節(jié)時(shí)間最短至2.97 h，最大摩爾偏差最低僅至0.0015[22]。

在烯烴和烷烴分離方面，葉青等[23]在自制的隔壁精餾塔小試裝置上進(jìn)行了正己烷-正庚烷-辛烷三元混合物的分離實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)料位置和出料位置均在隔壁精餾塔中間且回流比為5、液體分配比為1 時(shí)，塔頂采出的正己烷、側(cè)線采出的正庚烷和塔釜采出的辛烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別可達(dá)99.72%、95.48%和96.80%，與常規(guī)精餾塔相比，側(cè)線和塔釜采出物純度更高，這和Aspen Plus軟件模擬結(jié)果相一致。此外，有研究者將隔壁精餾塔用于甲醇制烯烴產(chǎn)品的分離，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%的聚合級(jí)乙烯和99.80%的聚合級(jí)丙烯，表明隔壁精餾塔用于烯烴的分離也是可行的，這為工業(yè)應(yīng)用提供了有力證據(jù)[24]。

此外，隔壁精餾塔用于醇-水[25]、胺類[26]、裂解汽油[27]以及氯烷烴[28]等體系的分離研究結(jié)果顯示，采用隔壁精餾塔工藝分離三元混合物比傳統(tǒng)的雙塔工藝在節(jié)約能耗、減小操作費(fèi)用和降低年度總費(fèi)用方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，分離體系不同，隔壁精餾塔所用的控制結(jié)構(gòu)也不同，目前尚缺乏統(tǒng)一的且被廣泛接受的控制方案。另外，隔壁精餾塔氣流的分配和穩(wěn)定控制是個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，有待解決。

2.2 萃取精餾隔壁塔在分離二元共沸混合物中應(yīng)用的研究

萃取精餾隔壁塔內(nèi)部被分為萃取精餾段、精餾回收段以及公共提餾段3 個(gè)區(qū)域，如圖2[29]所示。輕組分A和組分B組成的共沸混合物和萃取劑C分別從萃取精餾段的中部和上部進(jìn)料，在萃取精餾段的頂部得到輕組分A，精餾回收段頂部得到組分B，萃取劑C則從塔底得到并回收循環(huán)利用。萃取精餾隔壁塔將溶劑回收和萃取精餾過(guò)程集中在一個(gè)塔中，利用單塔達(dá)到傳統(tǒng)萃取精餾雙塔的分離效果，且含量較高的組分可進(jìn)入側(cè)線精餾段進(jìn)一步提純，不需經(jīng)歷返混后再分離，理論上該工藝可節(jié)省1 個(gè)再沸器，因而可在有效降低能耗的同時(shí)減少設(shè)備投資。

圖2 萃取精餾隔壁塔示意[29]Fig. 2 Schematic diagram of extractive dividing wall column[29]

LUYBEN[30]將萃取精餾與隔壁塔技術(shù)相耦合設(shè)計(jì)出萃取精餾隔壁塔，與傳統(tǒng)萃取精餾工藝進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)比較并驗(yàn)證了其可行性。KISS團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了將萃取精餾隔壁塔和共沸精餾隔壁塔用于生物乙醇脫水分離的新工藝，并證明了其在技術(shù)上是可行的，分離得到的乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)99.8%，利用萃取精餾隔壁塔對(duì)乙醇進(jìn)行一步脫水，與傳統(tǒng)的萃取精餾和共沸精餾相比，萃取精餾隔壁塔新工藝可節(jié)省10%~20%的能耗[31-32]。葉青等[33]利用萃取精餾隔壁塔對(duì)醋酸水溶液進(jìn)行分離，模擬結(jié)果也驗(yàn)證了新工藝的可行性，相比于常規(guī)的雙塔萃取精餾，萃取精餾隔壁塔在節(jié)省設(shè)備投資的情況下節(jié)能23.9%。金彪等[34]以乙二醇為萃取劑分別對(duì)甲醇-碳酸二甲酯的共沸物進(jìn)行單塔、雙塔以及隔壁塔萃取，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雙塔萃取能夠在順利完成分離的同時(shí)回收得到損失的萃取劑用量，而單塔模式不能達(dá)到共沸物分離的目的，萃取精餾隔壁塔在獲得更高純度的甲醇和碳酸二甲酯的同時(shí)，乙二醇回收率接近100%。秦繼偉等[35]為防止萃取劑受熱分解，在利用萃取精餾隔壁塔對(duì)苯-環(huán)己烷進(jìn)行分離時(shí)，往萃取劑環(huán)丁砜中加入助溶劑鄰二甲苯，在最佳的工藝條件下，得到的環(huán)己烷和苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為97.15%和96.23%，獲得的萃取精餾隔壁塔的相關(guān)參數(shù)為進(jìn)一步裝置改進(jìn)提供了依據(jù)。

此外，萃取精餾隔壁塔相比于變壓精餾也具優(yōu)勢(shì)。李喬等[36]以鄰二甲苯為萃取劑分離三甲氧基硅烷和甲醇的共沸物。結(jié)果表明，萃取精餾隔壁塔較變壓精餾年度總費(fèi)用降幅高達(dá)50%以上，?效率顯著提升的同時(shí)CO2減排達(dá)43%。

萃取精餾隔壁塔在Aspen Plus軟件中的模擬主要基于如圖3(a)所示的雙塔模型來(lái)進(jìn)行，優(yōu)點(diǎn)是容易控制。為了開(kāi)展動(dòng)態(tài)控制方面的研究，研究者一般采用如圖3(b)所示的三塔模型來(lái)完成。

圖3 萃取精餾隔壁塔雙塔(a)和三塔(b)等效模型[37]Fig. 3 Equivalent models of two-column (a) and three-column (b) of extractive dividing wall column[37]

彭家瑤等[37]在動(dòng)態(tài)控制中針對(duì)萃取精餾隔壁塔靈敏板選擇困難等問(wèn)題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)有氣相分配比的控制器可以縮短達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，而采用無(wú)氣相分配比的控制結(jié)構(gòu)時(shí)通過(guò)選擇合適的靈敏板，同樣能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，鑒于工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)萃取精餾隔壁塔氣相分配比的控制較為困難，無(wú)氣相分配比的控制結(jié)構(gòu)更適合工業(yè)應(yīng)用，這可為萃取精餾隔壁塔的工業(yè)推廣提供一定的理論指導(dǎo)。王曉紅等[38]針對(duì)乙酸乙酯-乙腈共沸體系提出采用萃取精餾隔壁塔三塔模型進(jìn)行分離研究，比較萃取劑的無(wú)限稀釋活度系數(shù)值后選用二甲基亞砜為萃取劑。模擬結(jié)果顯示，萃取精餾隔壁塔工藝在年操作費(fèi)用、設(shè)備投資和年總費(fèi)用分別可節(jié)省8.3%、22.1%和13.1%，表明通過(guò)將萃取劑和原料進(jìn)行換熱，可進(jìn)一步減少能耗。WANG等[39]在研究中指出，萃取精餾隔壁塔采用一個(gè)溫度控制點(diǎn)可以補(bǔ)償進(jìn)料干擾，但不能很好地控制產(chǎn)品純度。而溫度+成分控制策略可保持產(chǎn)品的高純度。如WANG等[40]在研究中提出溫度+成分串聯(lián)控制來(lái)穩(wěn)定溫度波動(dòng)的策略，該策略能處理干擾，可以很好地保持產(chǎn)品純度；其同時(shí)指出，部分熱集成變壓精餾對(duì)大范圍的干擾有較好的響應(yīng)，對(duì)動(dòng)態(tài)控制研究參考意義較大。

總之，萃取精餾隔壁塔能充分發(fā)揮隔壁塔的優(yōu)勢(shì)，相比萃取精餾塔，其在設(shè)備投資、年總費(fèi)用及CO2減排中更具優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)階段氣相分配比難以達(dá)到精準(zhǔn)控制。此外，萃取精餾隔壁塔要求全部精餾過(guò)程都必需在同一壓力下進(jìn)行，而萃取劑一般都是高沸點(diǎn)的，若在常壓下萃取劑再生可能引起被分離物質(zhì)或溶劑本身的質(zhì)變，且不能用蒸汽加熱，需要用導(dǎo)熱油或熔鹽做加熱介質(zhì)，熱量成本大大提高，這也使萃取精餾隔壁塔的推廣受到一定限制。

2.3 共沸精餾隔壁塔在分離二元醇-水混合物中應(yīng)用的研究

共沸精餾與萃取精餾原理基本相同，均屬添加劑精餾，區(qū)別在于添加劑在精餾過(guò)程中所起的作用不同。共沸精餾的添加劑為共沸劑，與待分離混合物中的一種組分形成新共沸物，通過(guò)精餾進(jìn)行分離。共沸精餾的共沸劑需要與待分離組分形成共沸物，因此共沸劑相比萃取劑選擇范圍更小。

傳統(tǒng)共沸精餾塔與共沸精餾隔壁塔示意如圖4 所示[41]。共沸精餾隔壁塔采用共沸精餾與隔壁塔技術(shù)相結(jié)合，其特點(diǎn)是隔板延伸至精餾塔底部（圖4(b)）。相比于傳統(tǒng)共沸精餾塔（圖4(a)），共沸精餾隔壁塔塔頂只需要一個(gè)冷凝器，但塔釜需要兩個(gè)再沸器。其中，區(qū)域1 是公共精餾段，為隔壁塔的分離提供液相回流；區(qū)域2 原料組分與共沸劑形成沸點(diǎn)更低的新共沸物，分離出的目標(biāo)產(chǎn)物從塔底得到；區(qū)域3 即側(cè)線精餾段，在底部得到含有少量共沸劑的產(chǎn)品。由于共沸精餾隔壁塔將共沸精餾與隔壁塔技術(shù)相結(jié)合，減輕了分離過(guò)程中的返混現(xiàn)象，在減少設(shè)備投資的同時(shí)節(jié)省了能耗，其主要應(yīng)用于醇類脫水分離。

圖 4 傳統(tǒng)共沸精餾塔(a)及共沸精餾隔壁塔(b)示意[41]Fig. 4 Schematic diagram of azeotropic distillation column (a) and azeotropic dividing wall column (b)[41]

早在 2001 年，MIDORI等[42]就提出將共沸精餾隔壁塔用于分離乙醇和水的混合物，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，以環(huán)己烷為共沸劑，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的乙醇-水混合物脫水可節(jié)省7%的能耗。SUN等[43]也以環(huán)己烷為共沸劑，采用共沸精餾隔壁塔工藝模擬乙醇脫水，由于消除了乙醇的返混，熱效率有所提升，年總費(fèi)用減少35%，節(jié)能達(dá)到42%。KISS等[32]也驗(yàn)證了以環(huán)己烷為共沸劑對(duì)乙醇進(jìn)行脫水是可行的，但用正戊烷為共沸劑分離效果更好，同時(shí)共沸精餾隔壁塔相比傳統(tǒng)的共沸精餾塔可節(jié)能20%。

王曉紅等[44]用乙酸乙酯代替毒性較強(qiáng)的苯為共沸劑進(jìn)行正丙醇脫水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，由于共沸精餾隔壁塔所需設(shè)備和熱公用工程較少，其相比傳統(tǒng)的共沸精餾塔在節(jié)能降耗方面的優(yōu)勢(shì)十分顯著。模擬顯示，共沸精餾隔壁塔新工藝在分離正丙醇-水共沸物時(shí)較傳統(tǒng)共沸精餾的設(shè)備費(fèi)用、年總費(fèi)用和年操作費(fèi)用分別可降低52%、65%和70%。作者進(jìn)一步對(duì)比了正丙醇脫水共沸精餾和萃取精餾隔壁塔工藝的經(jīng)濟(jì)性[45]，結(jié)果顯示，兩種隔壁塔工藝均可達(dá)到正丙醇脫水的目的，共沸精餾隔壁塔設(shè)計(jì)費(fèi)用相對(duì)萃取精餾隔壁塔高出6%，但前者的年總費(fèi)用和年操作費(fèi)用可分別減少17%和28%，為相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程提供了重要參考。此外，作者還針對(duì)正丙醇脫水過(guò)程能耗大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了減壓共沸精餾和共沸精餾隔壁塔工藝[46]，前者在面對(duì)進(jìn)料變化時(shí)響應(yīng)更快，對(duì)進(jìn)料±20%擾動(dòng)可以進(jìn)行有效控制，而后者在節(jié)能方面則更具優(yōu)勢(shì)。

BRIONES-RAMíREZ等[47]選用異丙醇-水-丙酮體系進(jìn)行了共沸精餾隔壁塔的可行性研究，提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，并通過(guò)Aspen Plus采用多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，得到降低50%的節(jié)能效果。

李靜等[48]以苯為共沸劑進(jìn)行共沸精餾隔壁塔工藝用于烯丙醇脫水研究，并對(duì)熱泵精餾工藝和共沸精餾隔壁塔工藝年總費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)共沸精餾隔壁塔工藝年總費(fèi)用節(jié)省約17%；而熱泵精餾工藝前期投資大，年總費(fèi)用節(jié)省不明顯，但會(huì)隨回收期延長(zhǎng)而增加，在第9 年時(shí)年總費(fèi)用節(jié)省額度超過(guò)共沸精餾隔壁塔工藝。因此，共沸精餾隔壁塔工藝在回收期較短時(shí)更經(jīng)濟(jì)，研究結(jié)果為工業(yè)應(yīng)用提供了參考。LIU等[49]將熱泵精餾工藝應(yīng)用于反應(yīng)精餾隔壁塔和共沸精餾隔壁塔，結(jié)果也證實(shí)了該工藝操作費(fèi)用低、投資費(fèi)用高，更適合于長(zhǎng)遠(yuǎn)投資。

綜上，共沸精餾隔壁塔在節(jié)能方面相比共沸精餾具有優(yōu)勢(shì)，其中的液相分配比較氣相分配比更易于控制。對(duì)于共沸精餾隔壁塔工藝的限制主要是共沸劑的選擇，不同的共沸劑對(duì)分離系統(tǒng)的影響差異較大。

2.4 反應(yīng)精餾隔壁塔在反應(yīng)精餾一體化中應(yīng)用的研究

反應(yīng)精餾隔壁塔概念于2004 年由MUELLER等[50]提出，其核心是將反應(yīng)過(guò)程與精餾過(guò)程相結(jié)合（圖5），在反應(yīng)過(guò)程中及時(shí)通過(guò)精餾將生成物分離出去，使平衡反應(yīng)能夠向正反應(yīng)方向持續(xù)進(jìn)行，因此能夠提高轉(zhuǎn)化率。此外反應(yīng)精餾隔壁塔結(jié)合了隔壁精餾塔和反應(yīng)精餾兩者的優(yōu)點(diǎn)，大幅簡(jiǎn)化了工藝流程和減少了設(shè)備投資；同時(shí)，由于在反應(yīng)中可以將產(chǎn)物及時(shí)分離出去，避免了共沸物的形成，提高了分離效果，近幾年該精餾強(qiáng)化技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。

圖5 反應(yīng)精餾塔(a)與反應(yīng)精餾隔壁塔(b)示意[51]Fig. 5 Schematic diagram of reactive distillation column (a)and reactive dividing wall column (b)[51]

KISS等[52]將反應(yīng)精餾隔壁塔用于二甲醚合成，其有效地將反應(yīng)精餾裝置與隔壁塔技術(shù)集成在一個(gè)塔內(nèi)，集成系統(tǒng)生成的二甲醚純度高達(dá)99.99%；相比于傳統(tǒng)的反應(yīng)精餾工藝，該工藝節(jié)省能耗12.58%，降低60%的CO2排放，減少30%的設(shè)備投資，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。SANDER等[53]首次將反應(yīng)精餾隔壁塔技術(shù)應(yīng)用于乙酸甲酯水解并證明了其可行性，新工藝除了減少設(shè)備投資外，還可最大限度地減少甲醇和乙酸生成乙酸甲酯的副反應(yīng)，并有望將其拓展到反應(yīng)精餾產(chǎn)物為中間沸點(diǎn)組分的其它所有過(guò)程。王紅星等[54]提出用反應(yīng)精餾隔壁塔合成碳酸甲乙酯，通過(guò)建立動(dòng)力學(xué)模型，確保了該工藝流程模擬的準(zhǔn)確性；同時(shí)，作者還進(jìn)行了小試實(shí)驗(yàn)，確定了主要的最佳工藝參數(shù)。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)流程，新工藝?yán)淠骱驮俜衅髫?fù)荷分別降低了40.8%和59.6%。陳夢(mèng)琪等[55]以反應(yīng)精餾隔壁塔合成乙酸正丁酯工藝為例，以年總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了工藝參數(shù)優(yōu)化，同時(shí)對(duì)控制策略進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，將反應(yīng)物按比例進(jìn)料，可有效維持系統(tǒng)穩(wěn)定；無(wú)再沸器熱負(fù)荷與進(jìn)料量比值的控制結(jié)構(gòu)的反應(yīng)精餾隔壁塔，在降低控制超調(diào)量方面效果更顯著。

此外，研究表明，將反應(yīng)精餾隔壁塔技術(shù)用于甲醛-甲醇縮合制甲縮醛[56]、乙酸甲酯酯交換[38]等反應(yīng)也具有明顯降低能耗、減小設(shè)備投資的優(yōu)勢(shì)。然而，由于反應(yīng)精餾隔壁塔的高度集成性，控制結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜，導(dǎo)致其實(shí)驗(yàn)研究較少，工業(yè)應(yīng)用也受限，這也是制約反應(yīng)精餾隔壁塔技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。因此開(kāi)展反應(yīng)精餾隔壁塔控制結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)于實(shí)現(xiàn)廣泛的工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。

3 結(jié)語(yǔ)

在精餾分離領(lǐng)域，盡管傳統(tǒng)多塔精餾能耗高、占地面積大，但經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已趨于成熟，且設(shè)計(jì)和控制較隔壁塔更加簡(jiǎn)單，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛使用。然而隨著能源危機(jī)加劇以及我國(guó)“30·60”雙碳目標(biāo)的提出，高能耗、高污染的傳統(tǒng)化工與社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)已然格格不入，化工企業(yè)急需轉(zhuǎn)型，節(jié)能提效是轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵。隔壁塔技術(shù)作為一種新型的分離強(qiáng)化手段應(yīng)用于精餾過(guò)程具有顯著的節(jié)能降耗優(yōu)點(diǎn)。本文重點(diǎn)闡述了目前3 種不同類型隔壁塔——隔壁精餾塔、萃取精餾隔壁塔和共沸精餾隔壁塔在分離三元及共沸混合物應(yīng)用的研究進(jìn)展以及反應(yīng)精餾隔壁塔在反應(yīng)精餾一體化中應(yīng)用的研究進(jìn)展；通過(guò)典型物系對(duì)比分析了隔壁塔精餾技術(shù)和傳統(tǒng)精餾技術(shù)在節(jié)能降耗、減少操作費(fèi)用和降低年度總費(fèi)用方面的優(yōu)勢(shì)。隔壁塔有望發(fā)展成為替代傳統(tǒng)精餾技術(shù)分離多元共沸混合物的新工藝。

由于隔壁塔自由度較多，各自由度參數(shù)之間又相互交錯(cuò)，使得其控制方案比傳統(tǒng)精餾過(guò)程更復(fù)雜，且由于缺乏對(duì)氣液相分配比的精準(zhǔn)控制，產(chǎn)品質(zhì)量受到明顯影響；此外，軟件模擬結(jié)果和實(shí)際過(guò)程之間差異較大，無(wú)法反映真實(shí)情況。這些都成為制約隔壁塔發(fā)展的重要因素。限制隔壁塔工業(yè)應(yīng)用的另一項(xiàng)因素是隔壁塔的設(shè)計(jì)。在對(duì)隔壁塔進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)和搭建時(shí)，隔板的安裝位置、形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及材質(zhì)選擇均是需要考慮的因素；此外，隔壁塔內(nèi)部的各項(xiàng)元件參數(shù)也沒(méi)有現(xiàn)成的規(guī)范可循，且要考慮塔內(nèi)氣、液相分布以及流體力學(xué)對(duì)精餾過(guò)程的影響，導(dǎo)致設(shè)計(jì)工作量和難度大大增加，因此研究者們要推廣隔壁塔的應(yīng)用必須在流體力學(xué)、設(shè)備細(xì)節(jié)上做大量工作。同時(shí)需要指出的是，當(dāng)前對(duì)各類隔壁塔的模擬研究均采用熱力學(xué)等效模型，該模型忽略了隔壁塔隔板間的傳熱影響，因此需要開(kāi)發(fā)能夠涉及隔板間傳質(zhì)和傳熱的模型，并對(duì)隔壁塔內(nèi)部的熱能分布規(guī)律進(jìn)行分析，進(jìn)而為參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

盡管近年來(lái)我國(guó)在隔壁塔技術(shù)理論和應(yīng)用研究方面已取得長(zhǎng)足進(jìn)展，但大多還處于實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究階段，工業(yè)應(yīng)用被世界上少數(shù)幾個(gè)寡頭公司壟斷，很容易被“卡脖子”。因此未來(lái)我國(guó)隔壁塔技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用需要依靠交叉學(xué)科的發(fā)展，利用人工智能技術(shù)進(jìn)行過(guò)程強(qiáng)化，開(kāi)發(fā)自有模擬軟件和專用控制方案，搭建實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展動(dòng)態(tài)控制研究，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，助力我國(guó)順利完成“雙碳”目標(biāo)。