分隔壁精馏塔分离三组分烷烃混合物的研究

叶 青，杜 雷，薛青青，张春林

（1. 常州大学 石油化工学院，江苏 常州 213164；2. 上海制皂（集团）如皋有限公司，江苏 如皋 226521）

分隔壁精馏塔分离三组分烷烃混合物的研究

叶 青1,2，杜 雷1，薛青青1，张春林2

（1. 常州大学 石油化工学院，江苏 常州 213164；2. 上海制皂（集团）如皋有限公司，江苏 如皋 226521）

利用自制的分隔壁精馏塔小试装置对正己烷、正庚烷和辛烷三组分混合物的分离进行了实验。考察了进入侧线采出段的液体流量与进入预分离段的液体流量之比（简称液体分配比）、进料位置和出料位置对分离效果的影响；并与带侧线采出的精馏塔进行比较。实验结果表明，在液体分配比为1、进料位置为分隔壁中间、出料位置为分隔壁中间时，塔顶馏出物中正己烷的质量分数可达 99.72%，侧线采出物中正庚烷的质量分数可达 95.48%，塔釜液中辛烷的质量分数可达 96.80%；采用分隔壁精馏塔比常规带侧线精馏塔可得到更高纯度的中间产物和塔釜产物；采用 Aspen Plus 流程软件对分隔壁精馏塔模拟的结果与实验结果基本一致。

分隔壁精馏塔；烷烃混合物；带侧线采出精馏塔；Aspen Plus 软件

分隔壁精馏塔是完全热偶精馏塔的一种特殊类型，在热力学上与完全热偶精馏塔等效[1-3]。分隔壁精馏塔通过在精馏塔内部设置一块垂直隔板，将塔分为隔板一侧的预分离段和另一侧的侧线采出段、隔板下方的公共提馏段与隔板上方的公共精馏段4个部分[4-6]。

采用传统方法分离三组分混合物时，一般需要两个常规精馏塔，而分隔壁精馏塔完成同样的分离任务只需一个塔。与常规精馏流程相比，分隔壁精馏塔可减少一个塔、一个冷凝器、一个再沸器以及相应管线等，同时节能达30%以上[7-8]，但分隔壁精馏塔对控制系统的要求较高，成为工业化应用的瓶颈。近年来，随着对节能要求的提高，控制技术水平的逐步完善，分隔壁精馏塔的研究又趋于活跃[9-13]。

传统的精馏方法在分离含有3个以上组分的混合物时必须使用多个精馏塔才能完成分离任务[14-15]。侧线采出时，出料的纯度不能得到很好的保证，所以当侧线产品的纯度要求较高时普通的精馏塔就不适合了。利用分隔壁精馏塔能很好地解决这一难题，采用分隔壁精馏塔可以同时得到满足分离要求的 3 个组分。

本工作采用分隔壁精馏塔小试装置分离正己烷、正庚烷和辛烷三组分混合物，考察了分隔壁精馏塔的进入侧线采出段的液体流量与进入预分离段的液体流量之比（简称液体分配比）、进料位置和出料位置对分离效果的影响，并与带侧线采出的精馏塔进行比较；利用Aspen Plus流程软件对过程进行了模拟，为分隔壁精馏塔的实际应用提供可行性分析。

1 实验部分

1.1 实验装置

分隔壁精馏塔小试装置见图 1。塔身为不锈钢材质，内径 40 mm，总高 3 m，塔身外侧用石棉布保温；塔内均填装直径 2 mm 不锈钢弹簧填料；塔釜为 1 L 四口烧瓶，由调温电热器加热，并由精馏控制仪控制温度。

在塔内靠近隔板的上方位置安装分配比控制器， 以控制液体分配比。塔顶设有一回流比控制器控制回流比。进料位置共有 3 个：进料Ⅱ位于进料段中间位置处，进料Ⅰ位于进料Ⅱ上方400 mm处，进料Ⅲ位于进料Ⅱ下方 400 mm处。在分隔壁采出段与进料位置相对设置 3 个出料位置。

带侧线常规精馏塔与分隔壁精馏塔小试装置基本一样，只是去掉了分隔壁精馏塔中的分隔壁及分配比控制器，在与分隔壁精馏塔相同的操作条件下进行对比实验。

1.2 实验方法

塔釜加入正己烷、正庚烷和辛烷的混合物约400 g，加热进行全回流操作。待塔的操作稳定后，开启进料泵进料（进料温度70 ℃），同时调节侧线和塔釜出料速度，调节回流比及液体分配比。塔顶、侧线及塔釜连续出料，每隔 30 min 取样分析一次。

1.3 分析方法

采用上海分析仪器厂 GC - 950 型气相色谱仪分析出料的组成。分析条件：弹性石英毛细管 30 m×0.32 mm，固定相为 SE - 54，柱温 60 ℃，气化室温度 120 ℃，FID 检测，检测室温度 250 ℃。

2 工艺过程的模拟

采用 Aspen Plus 软件对正己烷、正庚烷和辛烷混合物的分离过程进行模拟。物性计算方法选用 PR 模型。采用 Aspen Plus 软件的单元操作模块模拟分隔壁精馏塔的物料和热量平衡，在模拟计算时应引入两个新的变量，即汽体分配比和液体分配比，由于分隔壁是固定在填料塔中的，分隔壁精馏塔的汽体分配比无法调节，设为 1。

3 结果与讨论

3.1 液体分配比对分离效果的影响

液体分配比对分隔壁精馏塔出料组成的影响见图 2。由图 2 可见，随液体分配比的增大，塔顶馏出液中正己烷的含量先增加后降低，模拟结果与实验结果有差别，但趋势基本一致；塔釜出料中辛烷的含量先降低后增加，模拟结果与实验值基本一致；侧线采出液中正庚烷的含量先降低后增加，模拟结果是当液体分配比大于 0.67 后，正庚烷的质量分数基本不变。这是由于分隔壁精馏塔的进料段和中间采出段是两个相互独立的分离单元，进料段同时也起着预分馏的作用，因此，当由塔上部下来的回流液量一定时，进入隔壁两边的液体量的多少对分离结果就会产生影响，且对3个组成的影响不同。在实验过程中，由于隔板不完全绝热，可能对中间组分的分离有影响。对于本实验物系及分隔壁精馏塔的条件，综合考虑各影响因素，适宜的液体分配比为 1。

3.2 进料位置对分离效果的影响

进料位置对分隔壁精馏塔分离效果的影响见表1。由表1可见，实验结果与模拟结果误差不大，并且其趋势一致；当进料位置在进料Ⅱ时，分离效果最好，此时塔顶馏出液中正己烷的质量分数达到 99.72%，侧线采出液中正庚烷的质量分数为95.48%，在塔釜辛烷的质量分数达到了 96.80%； 当进料位置上移或下移后，分离效果均没有进料Ⅱ的效果好，这主要是因为分隔壁的进料侧有一定的预分馏作用，不同的进料位置必然影响最终的分离效果。故最佳进料位置为进料Ⅱ，即在分隔壁的中部进料分离效果最好。

3.3 侧线出料位置对分离效果的影响

侧线出料位置对分隔壁精馏塔分离效果的影响见表 2，由表 2 可见，实验结果与模拟结果误差不大，并且其趋势一致；当侧线出料位置在出料Ⅱ时，分离效果最好，此时，塔顶馏出液中正己烷的质量分数达到 99.72%，侧线采出液中正庚烷的质量分数为 95.48%，在塔釜辛烷的质量分数达到了96.80%；侧线出料位置在出料Ⅰ时，塔顶馏出液中正己烷的质量分数只有 83.67%，侧线采出液中正庚烷的质量分数为 86.35%，釜中辛烷的质量分数达到98.73%；侧线出料位置在出料Ⅲ时，塔顶馏出液中正已烷的质量分数达到 99.21%，但塔釜液中辛烷的质量分数仅达到 83.30%。

当侧线出料位置变化时，对分离效果影响很大，这是因为从公共精馏段下来的冷凝液中的主要是轻组分正己烷和部分中间组分正庚烷，在分隔壁出料侧需要有一精馏段，而从公共提馏段进入出料侧的汽相中的主要是重组分辛烷和部分中间组分正庚烷，在分隔壁出料侧需要有一提馏段。因此，侧线出料位置在分隔壁出料侧的中间最佳。

表 1 进料位置对分隔壁精馏塔分离效果的影响Table 1 The effects of feed location on separation result of the dividing wall distillation column

3.4 分隔壁精馏塔和带侧线精馏塔分离效果的比较

分隔壁精馏塔和带侧线精馏塔分离效果的比较见表 3。由表 3可见，实验结果与模拟结果误差不大，且其趋势一致；分隔壁精馏塔分离效果最好，塔顶馏出液中正己烷的质量分数达到 99.72%，侧线采出液中正庚烷的质量分数为 95.48%，在塔釜液中辛烷的质量分数为96.80%；带侧线采出精馏塔塔顶馏出液中正己烷的质量分数达到 99.04%，侧线采出液中正庚烷的质量分数为 84.71%，在塔釜液中辛烷的质量分数达到82.72%。由于两个塔的回流比一样，故对于轻组分正己烷，分离效果基本相同，而分隔壁精馏塔可得到较高纯度的正庚烷和辛烷。

表 2 侧线出料位置对分隔壁精馏塔分离效果的影响Table 2 The effects of side draw locations on separation result of the dividing wall distillation column

表 3 分隔壁精馏塔和常规侧线采出精馏塔分离效果的比较Table 3 Comparison between the separation results of dividing wall distillation column and distillation column with side draw

3.5 分隔壁精馏塔和带侧线精馏塔内液相组分浓度分布的比较

带侧线采出的常规精馏塔内液相组成的浓度分布见图 3。

图 3 带侧线采出的常规精馏塔内液相组成的浓度分布Fig. 3 Concentration distributions of the liquid compositions in the distillation column with side draw.

由图 3 可见，在塔上部主要组分是轻组分正己烷，在塔顶馏出液中可得质量分数大于 99.00%的正己烷，自塔顶向下在第16块塔板处，正己烷的浓度基本接近于0；在第16块塔板至27块塔板之间，正庚烷和辛烷在各塔板上的浓度基本维持不变，此时侧线采液出中正庚烷的质量分数为88.00%，辛烷的质量分数为12.00%；在第28块塔板以下，进行正庚烷和辛烷的分离，最终塔釜中正庚烷的质量分数为15.00%，辛烷的质量分数为 85.00%。采用带侧线采出的常规精馏塔无法同时得到满足分离要求的3个产品。

分隔壁精馏塔内液相组成的浓度分布见图4。

图 4 分隔壁精馏塔内液相组成的浓度分布Fig.4 Concentration distributions of liquid compositions in the dividing wall distillation column.

由图 4 可见，由于分隔壁精馏塔的精馏段与带侧线精馏塔一样，所以轻组分正己烷的浓度分布基本类似，在塔顶馏出液中可得质量分数大于99.00% 的正己烷，自塔顶向下在第 16 块塔板处，正己烷的质量分数基本接近于 0；由于分隔壁的存在，在 19 块塔板处，从分隔壁出料侧可得到质量分数大于 96.00% 的正庚烷，在塔釜可得质量分数大于97.00% 的辛烷。这是由于在分隔壁精馏塔中有一块隔板，使隔板两侧具有不同的功能。分隔壁进料侧的作用是对进料进行初步分离，进料中的轻组分和部分中间组分流向塔顶，重组分和部分中间组分流向塔釜。经过部分冷凝后有部分轻组分和中间组分流入分隔壁出料侧，在分隔壁出料侧的上部轻组分和中间组分再进行分离。经过部分汽化后有部分重组分和中间组分流入分隔壁出料侧，在出料侧的下部重组分和中间组分再进行分离。因此，在分隔壁出料侧和塔釜均得到满足分离要求的产品。

4 结论

（1）分隔壁精馏塔可用于分离正己烷、正庚烷和辛烷三组分混合物，在塔顶、侧线和塔釜分别得到正己烷、正庚烷和辛烷产品。

（2）由于分隔壁精馏塔结构的特殊性，液体分配比、进料位置和出料位置对其分离效果的影响较大。对液体分配比、进料位置和出料位置进行优化选择，分隔壁精馏塔才能达到最佳的分离效果。

（3）分隔壁精馏塔可完成三组分的分离。在液体分配比为 1、回流比为 5 的条件下，分隔壁精馏塔塔顶馏出物中的正己烷的质量分数可达99.72%，侧线采出物中正庚烷的质量分数可达95.48%，塔釜液中辛烷的质量分数可达 96.80%。

（4）在相同的操作条件下，采用分隔壁精馏塔比常规带侧线精馏塔可得到更高纯度的中间产物和塔釜产物。

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Separation of Ternary Alkane Mixture Using Dividing Wall Distillation Column

Ye Qing1，2，Du Lei1，Xue Qingqing1，Zhang Chunlin2
（1. School of Petrochemical Engineering，Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164，China；2. Shanghai Soap（Group) Rugao Co.，Ltd.，Rugao Jiangsu 226521，China)

A dividing wall distillation column was used to separate the mixture ofn-hexane，n-heptane and octane. The in fl uences of liquid distribution ratio，feed location and side draw location on the separation were studied. The separation result of the dividing wall column was compared to distillation column with side draw. The results showed that under the conditions of distribution ratio of the liquids 1，feed location Ⅱ，the side draw location Ⅱ，the mass fractions ofn-hexane in the top stream，n-heptane in the side-draw stream and octane in the bottom stream reached 99.72%，95.48% and 96.80%，respectively. The dividing wall distillation column could get higher purity than the distillation column with side draw. The dividing wall distillation column was simulated by means of Aspen Plus software，and a basic agreement between the predicted and the experimental data was found.［Keywords］dividing wall distillation column；alkane mixture；distillation column with side draw；Aspen Plus software

1000-8144（2012）01-0051-05

TQ 028

A

2011 - 07 - 20；［修改稿日期］2011 - 09 - 22。

叶青 （1968—），女，上海市人，博士，副教授，电话0519- 96330355，电邮 yeqing@cczu.edu.cn。

中国石油化工股份有限公司基金项目（411024）。

（编辑 李治泉）