三组分精馏隔板塔的操作柔性模拟与分析

牟祖霖，盖晓龙，袁希钢，罗祎青，余国琮（天津大学化工学院，化学工程联合国家重点实验室，天津 300072）

三组分精馏隔板塔的操作柔性模拟与分析

牟祖霖，盖晓龙，袁希钢，罗祎青，余国琮
（天津大学化工学院，化学工程联合国家重点实验室，天津 300072）

摘要：隔板精馏塔作为完全热耦合精馏塔由于具有较强的耦合性，其操作与控制相比传统精馏塔更为复杂，同时由于具有更多的自由度表现出更多的操作柔性。选用正戊烷、正己烷、正庚烷混合物的分离为例，采用严格模拟方法，通过对7种进料条件设计的隔板塔进行模拟，考察了不同进料条件下的操作柔性，同时考察进料组成对隔板精馏塔操作柔性的影响。

关键词：隔板塔；三组元精馏；操作柔性；严格模拟；最小气相流率

2015-10-10收到初稿，2015-12-24收到修改稿。

联系人：袁希钢。第一作者：牟祖霖（1989—），女，硕士。

Received date: 2015-10-10.

引　言

隔板精馏塔是由Petlyuk塔发展而来的[1]，是完全热耦合精馏塔（图1）的特殊形式，两者在热力学上是等价的。隔板精馏塔如图2所示，其实质就是在塔内部增设一个竖立的隔板，在一个精馏塔内同时完成传质和传热过程。与完全热耦合精馏塔相比，隔板塔将完全热耦合精馏塔的预分馏塔与主塔组合在同一个精馏塔内，节省了设备投资；同时由于热量在同一个塔内重复循环利用，因此也节省了能耗。由于在节能方面具有明显优势，近年来受到普遍关注[2-10]。Kaibel[1]将隔板精馏塔与传统精馏序列进行对比，并从分离特性和结构特点两方面进行分析总结，结果表明隔板精馏塔相比较传统精馏序列节省设备投资30%左右，节能20%～35%[11-16]。

图1　完全热耦合精馏塔Fig.1　Fully thermally coupled distillation column

图2　隔板精馏塔Fig.2　Divided-wall distillation column

与传统精馏序列相比，隔板精馏塔实际上是将两个精馏耦合起来操作，这种耦合度的提高明显增加了其控制难度，但也是隔板塔的工业化应用出现较晚的主要原因。然而隔板精馏塔与传统精馏塔相比有更多的自由度，因此存在利用多余的自由度改善控制与操作的可能性。

理论上，在操作压力不变的条件下，隔板塔有5个操作自由度，分别是回流比、侧线采出流率、塔底产品流率、气相耦合流股分割比和液相耦合流股分割比。气相耦合流股分割比由隔板放置位置决定，当隔板精馏塔设计完成后，气相分割比很难调节。因此通常隔板精馏塔操作中的可调节变量为回流比、侧线采出流量、塔底产品流量以及液相分割比。然而需要控制的变量仅为3个产品的纯度，因此隔板精馏塔有1个多出的自由度，可以用来实现操作的优化，同时增加了操作柔性。如果充分了解这种柔性，它便可以被用来显著改善隔板精馏塔的控制与操作。

以隔板精馏塔分离三组分理想混合物为例，通过数值模拟考察隔板精馏塔操作柔性，及其受进料组成影响的规律。

1　隔板精馏塔的设计

本文选取正戊烷（A）、正己烷（B）和正庚烷（C）作为研究物系，基本物性、工艺参数及产品纯度要求见表1。为了分析需要，本文针对表2所示的7种进料组成分别设计隔板精馏塔。设计中首先采用简捷计算方法[17-19]确定隔板精馏塔的回流比、各段理论塔板数以及进料位置，然后采用Aspen Plus软件严格模拟，并对上述参数进行调优。最终获得相应隔板精馏塔的最优设计。各隔板精馏塔的设计主要参数见表3，表中的进料位置从预分馏塔的塔顶开始计算，液相耦合位置从主塔的塔顶开始计算。

表1　进料状况和产品要求Table 1　Feed condition and product request

表2　7种进料组成Table 2　Feed composition of seven divided-wall columns

2　隔板精馏塔操作柔性的模拟

本文所说的操作柔性是指能够维持隔板精馏塔正常操作的进料组成变化范围。这里，正常操作是指精馏塔不发生液泛。为了比较上的方便，不直接采用精馏的泛点条件，而是采用泛点率（即精馏塔的气、液相负荷达到泛点条件的百分比）是否达到允许的上限值作为评判精馏塔是否正常操作的标准。

表3　7种隔板精馏塔的严格模拟结果Table 3　Rigorous simulation results of seven divided-wall columns

分别考察表3所示7种隔板精馏塔的操作柔性，并通过它们之间的区别考察设计进料组成对操作柔性的影响。对其中任何一个隔板精馏塔，从表2所示相应的进料组成出发，不断变化进料组成，对隔板精馏塔的操作参数进行模拟并调优，直到产品达到表1所列的要求，考察精馏塔在该进料条件下的泛点率，如泛点率不超过允许的上限值，则认为操作可行，进而继续改变进料组成，直到计算出的泛点率达到或超过允许的上限值。

由于隔板塔的气相分割比由隔板的位置所决定，所以与塔板数一样是设计变量，因此在模拟中不作为操作中的可调节变量。模拟中采用的调节变量为回流比、液相分割比以及侧线采出流量。除以最大液泛因子小于80%为标准外，可行的操作还必须满足产品达到分离要求，不出现干板。

模拟中利用三角图描述进料组成变化，分别针对7种隔板塔，以设计点为中心改变进料组成，直到出现产品不满足可操作条件，即纯度达不到要求、最大液泛因子大于80%或出现干板的情况。

3　模拟结果与讨论

3.1进料组成对隔板塔操作柔性的影响

以80%作为泛点率上限值，不同隔板塔的操作柔性区间如图3所示，从图中可以看出，当进料组成发生变化时，针对不同进料组成设计的隔板塔的操作柔性不同，图中黑色线代表隔板塔最大液泛因子小于80%的范围，实心圆点代表隔板精馏塔的设计点的进料组成。

由图3(a)可知，以等组分进料组成为设计参数的隔板精馏塔，当进料组成发生变化时，隔板精馏塔的操作柔性区间主要集中在接近设计点进料组成的区域和中间组分或重组分含量较少的区域。

由图3(a)、(b)、(e)可以看出以轻组分含量较高的进料组成为设计点的隔板精馏塔，操作柔性区间会随着轻组分含量的增加而减小，隔板塔的操作柔性区间主要集中在接近设计点进料组成的区域以及中间组分含量较少或重组分及轻组分含量均较大的区域。

如图3(c)、(f)所示，以中间组分含量较多的进料为设计点的隔板精馏塔，相比其他几种隔板塔有着较大的操作柔性区间。其操作柔性区间主要集中在接近设计点进料组成的区域、中间组分含量较少的区域和重组分含量较少并且轻组分含量与设计点接近的区域。

图3(g)表明，以高重组分含量进料作为设计点设计的隔板塔，随着重组分含量的增加，其操作柔性区间会随着重组分含量的增加而变小，其操作柔性相比较其他隔板塔较差，即如果隔板精馏塔进料组成变化较大，则隔板塔无法操作。

在设计点附近，轻组分含量变小，较容易引起液泛或产品纯度不达标，说明在设计点附近，隔板塔的操作性对于轻组分含量的降低比较敏感。这是由于进料组成中A组分减少，精馏塔达到一定分离纯度的分离难度就会增加；如果进料组成中B、C的浓度增加，在隔板塔的出料侧，气液流量会显著增大，从而加重精馏塔负荷，所以表现为隔板塔的操作对于轻组分含量减少比较敏感。

在多数情况下，如果降低进料中中间组分含量，隔板塔均可在正常操作。这是因为预分馏塔的主要作用是实现A与C的清晰分离，由于进料中B组分浓度较少，预分馏塔容易实现分离，因此操作负荷则不容易超出塔的允许值。

图3　以80%作为泛点率上限值的7种隔板塔的操作柔性区间Fig.3　Operation flexibility of seven divided-wall columns with flooding rate of 80%

3.2评价标准对隔板塔操作柔性的影响

在图3中操作柔性区间是以80%作为泛点率上限值的结果。如果将上限值提高为85%，因允许的气、液相负荷变化范围的增加，其操作柔性区间会发生变化。下面以设计点进料组成为等组分进料组成为例，研究允许的泛点率上限值变化对操作柔性区间的影响。变化前后的操作柔性区间如图4所示。图中虚线代表隔板塔泛点率上限值为80%，实线代表隔板塔泛点率上限值为85%，实心圆点代表隔板精馏塔的进料设计组成。

图4　隔板塔的评价标准变化前后的操作柔性区间Fig.4　Operation flexibility of changing criteria of divided-wall column

由图中可以看出，隔板塔允许的泛点率上限由80%变为85%时，由于允许的塔内气、液相负荷增加，其操作柔性区间会变大，从增加的区域看，泛点率上限的提高主要是增加了对轻组分含量变化的柔性。

3.3隔板精馏塔的操作柔性与传统序列精馏塔的比较

如引言中所述，相比较传统精馏塔序列，如图5所示的直接序列，隔板精馏塔具有更多的操作自由度。操作中当进料组成发生变化时，隔板塔可以通过调节回流比，侧线采出流量和塔底产品流量使产品纯度达到要求，同时还可以通过调节液相分割比优化精馏塔的负荷以增加操作柔性。而传统精馏塔则缺少液相分割比这个自由度。下面以等组成进料为设计点，即表2组成1为例，考察传统精馏塔的操作柔性，将其与隔板精馏塔进行比，两种精馏塔流程均以80%泛点率作为负荷上限，结果如图6所示。图中虚线为隔板塔的操作柔性区间，实线为传统精馏序列的操作柔性区间。

图5　传统精馏塔的直接序列Fig.5　Direct sequence of traditional column

图6　隔板塔与传统精馏塔的操作柔性区间Fig.6　Operation flexibility of divided-wall column and conventional distillation column

由图中可以看出，对于相同的进料组成设计点以及相同的设计点液泛因子，传统精馏塔序列的操作柔性区间明显小于隔板塔，后者包含前者，且当C组分减少（即A和B增加）时，隔板塔表现出较好的适应性。其原因除了隔板精馏塔具有较多的调节自由度之外，还在于两者在流程结构上的差别。由模拟结果可知，随进料中C浓度减小和A、B组元分率的增加，传统精馏序列的第一个塔的负荷会随之显著增加，泛点率较快达到允许的上限值，这是由于该塔主要实现A与B的分离。而比较图1和图5可知，在隔板塔中，经过预分馏，组元B的一部分进入主塔的下半部，因而当组元A和B的含量增加时，实现A、B之间分离的主塔上半部分的负荷增加程度会远小于传统精馏塔的第1个塔，因而其泛点率比较不容易超出规定的上限值。因此相比传统精馏塔序列，隔板塔在C浓度较少时表现出较大的操作柔性。

3.4隔板精馏塔操作柔性分析

3.1节大部分模拟结果表明，减小进料中轻组分（即组分A）的含量，比增加该组分含量更容易导致超出隔板精馏塔的柔性范围，如图3(a)所示，方向①为A组分分率下降的方向。这一规律也可通过Underwood方程分析加以验证。Underwood方程由下面两个方程给出[20]。

式中，αi为组分i的相对挥发度；xF,i为进料组成；ϕ为Underwood方程的根；D和xD,i分别代表塔顶产品流率和其组成；q为进料的液相分率；Vmin为完成分离任务的最小气相流率。

因实际气相流率与Vmin之比为常数，所以Vmin决定着隔板精馏塔的泛点率。图7为进料组成为等组分进料，即表2进料条件1在每两个相邻组分完全分离的情况下Vmin沿产品流量的变化。应该指出，实际过程中相邻组分不会实现完全分离，但通常非完全分离对应的Vmin与图7的值呈比例关系，所以基于图7的Vmin值可用来进行比较。图7中左面和右面两个峰值分别为主塔上部和下部的Vmin。因右面的峰值最高，其值为347.4 kmol·h−1，它决定了隔板精馏塔的泛点条件。当进料中组分A摩尔分数下降30%，该峰值则增加到358.1 kmol·h−1，约上升3.1%。相反，如果A组分上升约30%，该值则下降至340.9，约1.9%。这一结果与图3(a)观察到的一致。

实际上，当A的分率下降时B和C的分率会增加。当考察主塔下半部时，需要将Underwood方程两个实根中介于αB和αC之间的一个代入式(2)求解Vmin，此时不难看出，式(2)中等号左侧第2项，即为正值，因而xD,B的增加会导致Vmin的显著增加。采用同样的分析方法可知，如果随A组分减少，B组分不增加，而C组分增加的话，即图3(a)中方向②，因式(2)等号左侧第3项，即为负值，因而会导致Vmin的增加不明显或减少，因而不容易超出柔性范围。这一结果仍与图3(a)观察是一致的。

图7　隔板塔的最小气相流量Fig.7　Vmindiagram for DWC

4　结　论

隔板精馏塔与传统精馏塔序列相比，因为有更多的操作自由度，所以操作柔性会有显著变化。本文通过过程模拟，考察了进料组成对用于三组元分离的隔板塔操作柔性的影响，可得出如下结论。

（1）相比较传统序列精馏塔，隔板塔的操作柔性区间较大，并且包含传统精馏塔的操作柔性区间。

（2）针对不同进料组成设计的隔板塔,其操作柔性显著不同，随着设计点进料中中间组元（B组元）含量增加，柔性区间增加，而随着设计点进料中重组元（C组元）含量增加，柔性区间减小。

（3）本文所涉及的7种隔板塔操作柔性区间所具有的共性是，均不允许进料中轻组元（即A组元）含量的单独减少，而对进料组成的其他方向的变化均有较好的适应性。

（4）如将泛点率上限值从80%提高到85%，操作柔性区间会变大，并主要表现在对进料中轻组分含量变化的允许区间上。

应该指出，待分离混合物的相对挥发度等物性对隔板精馏塔的性能有显著影响。本文考察的进料组成对操作柔性的影响仅针对了一种混合物，当物性发生变化时，操作柔性的变化会有所不同。

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DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151531

中图分类号：TQ 028

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）02—0573—07

基金项目：国家科技支撑计划项目（2013BAA03B01）。

Corresponding author:Prof. YUAN Xigang, yuanxg@tju.edu.cn supported by the National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China (2013BAA03B01).

Simulation and analysis of operation flexibility of divided wall column for ternary distillation

MU Zulin, GE Xiaolong, YUAN Xigang, LUO Yiqing, Kuo-Tsong Yu
(State Key Laboratory of Chemical Engineering, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract:The operation and control of a dividing-wall column, a fully thermally coupled distillation column configuration, is more complex than the traditional column because of its coupling nature. However it exhibits more flexibility due to the more degree of freedom. In the present paper the operation flexibilities of dividing-wall columns for separating the mixture of n-pentane, n-hexane and n-heptane with different compositions are investigated by using rigorous simulation. And the effect of the feed composition on the operation flexibilities are also investigated.

Key words:divided-wall column; ternary distillation; operation flexibility; rigorous simulation; minimum vapor flux