带有内部热集成的多储罐间歇精馏全回流操作

赵朔，白鹏

（天津大学化工学院，天津 300072）

带有内部热集成的多储罐间歇精馏全回流操作

赵朔，白鹏

（天津大学化工学院，天津 300072）

鉴于间歇精馏热力学效率低的缺点，提出带有内部热集成的多储罐间歇精馏全回流操作（IHIMVBD）分离二元混合物的新型操作方式。在该操作中，多储罐间歇精馏塔被同轴的夹套式再沸器环绕，利用安装在再沸蒸汽管线上的压缩机使精馏塔的操作压力高于夹套式再沸器，使热量通过精馏塔壁面从高压的精馏塔传向低压的再沸器，实现热量的内部集成。为了进一步提高热力学效率和经济效益，将塔顶蒸汽再压缩技术应用于 IHIMVBD，构成强化的内部热集成多储罐间歇精馏全回流操作（Int-IHIMVBD）。该操作能额外利用被压缩的塔顶蒸汽的潜热供给塔釜料液再沸，实现塔顶蒸汽与塔釜料液的热集成。通过模拟分离乙醇-正丙醇的实例表明，相比MVBD和IHIMVBD，Int-IHIMVBD能显著提高分离过程的热力学效率和经济效益。

多储罐间歇精馏；全回流；内部热集成；蒸汽再压缩；节能；经济；二元混合物

引　言

间歇精馏具有设备简单、设备投资少和操作灵活等连续精馏无法比拟的优点，适用于小批量、多批次、高附加值化工产品的分离，因而被广泛应用于制药、轻工和精细化工等行业。但间歇精馏是高度不可逆的操作过程，其能源利用效率远低于连续精馏[1]。多储罐间歇精馏全回流操作（multivessel batch distillation with constant total reflux operation，MVBD）作为一种高效节能的新型间歇精馏操作方式，既可分离多元混合物[2-4]，又可分离二元混合物，尤其适合分离相对挥发度较小或轻组分含量较低的难分离二元混合物，可以大幅提高分离效率，缩短操作时间，从而降低分离能耗[5-8]。

为了提高精馏过程的热力学效率，各种热集成技术被研究和应用，大体可分为两类：一类是外部热集成，如热泵精馏[9]；另一类是内部热集成，如内部热集成精馏塔[10]和隔壁塔[11]。这些热集成方法在连续精馏中已有大量研究，但有关间歇精馏热集成操作的研究还处于起步阶段。Johri 等[12]提出一种外部热集成间歇精馏操作方式可大幅降低操作能耗和年度总费用；Babu等[13]将这种外部热集成方法推广到中间储罐间歇精馏操作。Maiti等[14]提出将内部热集成技术应用于间歇精馏，Jana等[15]将该技术用于分离宽沸程物系，并取得良好节能效果和经济效益，但都仅限于常规间歇精馏的内部热集成，而本文研究多储罐间歇精馏的内部能量集成。

为了提高MVBD的热力学效率和经济效益，提出带有内部热集成的多储罐间歇精馏全回流操作（internally heat integrated MVBD，IHIMVBD）及其强化形式（intensified IHIMVBD，Int-IHIMVBD），通过模拟分离乙醇-正丙醇二元混合物的具体实例，分析其热集成的可行性和可能的最大节能效果以及由此产生的经济效益。本研究将为间歇精馏的能量集成应用提供理论指导和模型支持。

1　多储罐间歇精馏全回流操作

MVBD分离二元混合物的流程如图1所示[6-8]。在间歇精馏塔上通过阀门连接有3个储罐。储罐1与冷凝器连接，既是回流罐，也是产品接收罐，即所有产品都将在此被最后浓缩成为合格产品。储罐2和储罐3均匀分布在精馏塔上。根据进料浓度、进料量、产品浓度以及收率要求等确定合格产品的总量，将其分配到各储罐中，即各储罐的持液量之和为产品总量。其操作过程包括两个阶段：①全回流提浓阶段，充有原料的各储罐与精馏塔连接进行全回流操作，通过液位控制器维持各储罐内持液量不变，直至塔顶储罐中的轻组分浓度达到产品要求；②倒罐阶段，将储罐与精馏塔断开，保持塔内全回流操作不变，塔顶储罐的持液作为合格产品被采出，其他储罐的持液依次上移至上一级储罐中。通过 3次全回流提浓操作使3个储罐的持液最终在塔顶达到合格浓度被作为产品采出。另外，每次倒罐操作后与精馏塔相连的储罐数量减一。该操作方式的最大特点在于精馏塔内始终维持全回流操作，因而具有分离效率高和操作时间短的优势。

图1　多储罐间歇精馏全回流操作Fig.1　Schematic representation of MVBD

MVBD的数学模型采用平衡级模型，即MESH方程组[6]。在建模过程中，将各中间储罐看作一层理论塔板，但该塔板只有液相持液和传质平衡，没有汽相持液和传质过程。计算采用的汽液平衡方程为NRTL方程，计算过程假定塔板效率为100%，塔板压力恒定且忽略塔板压降。该模型由若干个常微分方程和代数方程组成，通过Matlab软件编程进行数值求解，求解采用4-5阶Runge-Kutta法。

2　带有内部热集成的多储罐间歇精馏全回流操作

2.1IHIMVBD的流程与原理

IHIMVBD分离二元混合物的流程如图 2所示。相比多储罐间歇精馏塔结构，其主要差别在于塔釜再沸器的设计，即精馏塔被与之同轴的夹套式再沸器环绕。为了完成精馏塔与再沸器之间的内部热传递，精馏塔的温度应高于塔釜，即精馏塔的操作压力要高于塔釜。为此，夹套式再沸器产生的蒸汽需要通过压缩机压缩后再进入精馏塔进行传质分离，而高压操作的精馏塔内的液流需要通过节流阀降低压力至再沸器压力再回到夹套式再沸器。这导致精馏塔内的热蒸汽和再沸器内的液体通过精馏塔壁面间接接触传热，因此精馏塔内蒸汽连续冷凝，而再沸器内液体不断汽化，即精馏塔内汽相流率越往塔顶走越小，而液相流率越往塔釜走越大。

图2　带有内部热集成的多储罐间歇精馏全回流操作Fig.2　Schematic representation of IHIMVBD

IHIMVBD既可减少再沸器热负荷，又可减少冷凝器的换热面积和冷凝水的使用，从而降低冷凝器的设备投资费和操作费。然而，由于该操作中压缩机的使用，将增加压缩机的设备费，并且压缩机做功会消耗电能。

2.2IHIMVBD的数学模型

为了简化计算，IHIMVBD模拟采用如下假设。

（1）通过精馏塔壁面传递的热量QIW由UAΔT计算。其中，U是总传热系数，W·K-1·m-2；A是传热面积，m2；ΔT是精馏塔板与夹套式再沸器之间的传热温差，K。

（2）塔釜料液占夹套式再沸器容积的70%，而剩余的30%再沸器容积供蒸汽逸出。

（3）在夹套式再沸器中，汽相存在于液相之上，并且汽相的总传热系数比液相小得多。因此，忽略再沸器中汽相与精馏塔之间的传热。

精馏过程中采用全回流操作，各储罐和夹套式再沸器的持液量按设定值保持恒定。因此，精馏塔与夹套式再沸器之间的传热面积保持不变。

IHIMVBD的数学模型不仅包括MVBD的数学模型的所有方程，还包括如下热集成方程。

第n块塔板传递给夹套式再沸器的热量Qn计算式为

压缩机功率QComp的计算式为

式中，多变指数μ通过式（3）计算

式中，yj为组分 j在蒸汽相中的摩尔分数；μj为组分j的多变指数，μj=cp,j/cv,j。

被压缩的蒸汽将通过再沸蒸汽管线进入精馏塔进行传质分离，其温度TC为

式中，pR/pB是压缩比（compressed ratio，CR）。

2.3热力学效能分析

假定塔釜料液再沸所需的热量 QB在操作全过程保持不变。塔釜料液获得热量 QB有两个途径：通过精馏塔壁面传递的热量QIW和再沸器的加热量QR。若QIW

IHIMVBD的总热负荷QIHIMVBD通过式(6)计算

式中，系数k=3，表示产生1 kW电能需要消耗3 kW热能[16]。

IHIMVBD相比MVBD的节能百分比为

2.4年度总费用的计算

作为经济评价指标，年度总费用（total annual cost，TAC）为操作成本与设备折旧成本之和，即

假定设备设计使用年限是3年[14]。设备投资成本包括1个精馏塔身、2个换热器（1个冷凝器和1个再沸器）、3个储罐和1个压缩机，其估算关联式和相关参数见表 1。操作成本包括加热蒸汽、冷却水和电力的费用，其单价分别为17 USD·t-1、0.06 USD·t-1和0.084 USD·kW-1·h-1[19]。为了简化计算，假定每年有930个批次的分离操作。

表1　设备投资成本的估算关联式及相关参数[17-18]Table 1　Cost estimating formula and parameter value[17-18]

3　强化的内部热集成多储罐间歇精馏全回流操作

无论连续精馏还是间歇精馏，塔顶温度低于塔釜再沸器。当塔顶和塔釜的温差较大时，采用蒸汽再压缩式热泵系统来降低分离操作的能耗是不经济的。但对于 IHIMVBD，由于再沸器产生的蒸汽在进入精馏塔之前被再压缩，所以塔顶蒸汽的温度有可能高于再沸器。这表明IHIMVBD能更加经济地利用塔顶蒸汽与塔釜料液之间的热集成，强化其节能优势。主要有两种方法：一种是直接将塔顶蒸汽作为再沸器热源；另一种是将塔顶蒸汽经压缩机压缩升温后再与塔釜料液热集成。第2种方法能进一步提高塔顶蒸汽温度，增大其与塔釜料液之间的温差，从而更有效地利用压缩蒸汽的潜热供给塔釜料液再沸。因此，本研究将塔顶蒸汽再压缩技术应用于IHIMVBD，构成Int-IHIMVBD，如图3所示。Int-IHIMVBD不仅利用精馏塔壁面传递给夹套式再沸器的热量QIW，还利用被压缩的塔顶蒸汽发生相变所释放的潜热QCV供给塔釜料液再沸，这将进一步减少再沸器加热量QR。此外，由于大量塔顶蒸汽在再沸器处发生冷凝，将进一步降低塔顶冷凝器的设备费和操作费。但这种强化的热集成操作是通过压缩机C2做功使塔顶蒸汽再压缩实现的。

图3　强化的内部热集成多储罐间歇精馏全回流操作Fig.3　Schematic representation of Int-IHIMVBD

4　模拟计算实例

为了准确评估热集成操作在提高热力学效率和经济效益方面的表现，本文通过模拟分离乙醇-正丙醇二元混合物的具体实例进行说明。

4.1多储罐间歇精馏全回流操作

MVBD模拟过程的参数设定见表2，各储罐持液量的分配采用序贯二次规划（SQP）算法计算得到的优化持液分配策略[6]，而且各储罐、各理论板和塔釜的初始浓度均为进料浓度。精馏过程的总操作时间不包括进料和出料的时间，同时忽略预热精馏塔的时间和将进料加热至泡点的时间。基于上述模拟条件，MVBD单位批次操作时间为262.02 min，操作能耗为13.36 GJ，各储罐浓度随时间的变化如图4所示。

表2　相关参数设定及操作条件Table 2　Operating conditions and column specifications

图4　MVBD中各储罐浓度随时间的变化Fig. 4　Concentration profile in vessels of MVBD

4.2内部热集成的多储罐间歇精馏全回流操作

为了合理比较IHIMVBD和MVBD，需要保证两种操作方式在模拟过程中的输入条件（如进料量、进料组成和塔釜料液再沸所需的热量等）和输出产品规格（如产品量和产品纯度等）一致。由于操作压力升高会降低被分离物系的相对挥发度，使精馏分离难度增大。因此，对于IHIMVBD过程，进行汽液传质分离的精馏塔保持常压操作，而再沸器进行减压操作。由于模型假设塔釜料液占再沸器容积的70%，因此，再沸器内的料液高度可以达到第13块塔板的位置，即精馏塔内第13～33块塔板将与夹套式再沸器热集成。

4.2.1热力学可行性分析图5显示了IHIMVBD操作开始30 min后，各塔板温度Tn与塔釜温度TB的模拟结果。此模拟中，精馏塔的操作压力是塔釜的1.5倍（即CR=1.5），且暂不考虑精馏塔内塔板和夹套式再沸器之间的热集成。由图5可知，精馏塔内各塔板的温度均高于塔釜再沸器温度，存在内部热交换条件，即热力学可行；精馏塔内第13～33块塔板的温度分布平缓，说明参与内部换热的各级塔板的温差变化不大，总传热系数U可视为常数[10]。在此模拟算例中U=1420 W·K-1·m-2[15]。

4.2.2压缩比对节能的影响压缩比的改变对IHIMVBD的过程特征和能量消耗是有影响的，见表3。当CR≤1.2时，精馏过程中会出现参与内部热集成的精馏塔板与夹套式再沸器之间温差为负数的现象，即ΔTmin<0，说明在精馏操作的某些时段夹套式再沸器的温度高于某些参与内部热集成的精馏塔板，导致传热驱动力为负。因此，后续研究不再考虑CR≤1.2的情况。

图5　塔板温度Tn与塔釜温度TB的比较Fig. 5　Comparative temperature profile between Tnand TB

表3　压缩比对IHIMVBD操作能耗的影响Table 3　Operating performance at different CR in IHIMVBD in terms of energy consumption

当CR=1.5时，IHIMVBD的节能效果最好，其单位批次操作消耗的总热量为 11.45 GJ，相比MVBD节省14.30%。由图6可知，当CR=1.5时IHIMVBD中储罐3的轻组分浓度呈先增大后减小的趋势，并且精馏操作的前43.83 min储罐3的轻组分浓度高于储罐 2。这是由于参与内部热集成的精馏塔下段会产生额外的回流，使进出储罐3的液相流率大于储罐2，即储罐3的液相传质速度大于储罐2，从而导致在精馏操作的初始阶段储罐3的提浓速度高于储罐 2；但随精馏过程进行，塔内浓度梯度逐渐形成，储罐3的轻组分浓度逐渐下降。

由表3还可知，为了获得相同的产品浓度和收率，IHIMVBD的总操作时间比MVBD长；并且随着压缩比的增大，IHIMVBD的总操作时间也随之增长。这是由于内部热集成会使参与再沸器换热的精馏塔下段产生额外的回流，使塔内汽相流率越往塔顶走越小，而液相流率越往塔釜走越大，造成精馏塔内汽液接触不佳，精馏分离效率下降。而且压缩比增大会导致夹套式再沸器与精馏塔体之间温差增大，使更多的塔内热量通过精馏塔壁面传递给夹套式再沸器，导致更多的塔内蒸汽被冷凝，即塔内蒸汽流率随压缩比增大而减小，这一现象由图7得到证实。由图7可知，精馏塔上段第2～11块塔板的汽相流率随塔板位置变化不明显，这是由于模型假设忽略再沸器中汽相与精馏塔板之间传热。

图6　IHIMVBD中各储罐浓度随时间的变化（CR=1.5）Fig. 6　Concentration profiles in vessels of IHIMVBD (CR=1.5)

4.2.3经济效益评价由表4可知，IHIMVBD的操作费和设备投资费均低于 MVBD。虽然IHIMVBD中增加了压缩机，但由其增加的设备投资费用和电力消耗远低于其带来的再沸器和冷凝器的设备投资费和操作费的降低。

图7　压缩比对IHIMVBD操作过程中汽相流率的影响Fig. 7　Effect of CR on internal vapor rate in IHIMVBD after 30 min of startup operation

表4　压缩比对IHIMVBD操作的投资成本和操作成本的影响Table 4　Capital investment and operating cost at different CR in IHIMVBD

随压缩比的增大，IHIMVBD的年度总费用逐渐减小。这主要是由于再沸器和冷凝器的换热面积随压缩比增大而减小，导致加热蒸汽和冷凝水的使用也随之降低，即再沸器和冷凝器的设备投资费和操作费均随之降低。

当CR=1.5时，IHIMVBD的节能效果最好，其单位批次能耗比MVBD降低14.30%；而其年度总费用比 MVBD降低 13.06%。当 CR=2.0时，IHIMVBD的年度总费用最低，比 MVBD降低19.54%；其单位批次能耗比MVBD降低9.21%。由此可知，CR=1.5和CR=2.0分别在降低操作能耗和提高经济效益方面表现最佳。由于 IHIMVBD （CR=1.5）的总操作时间比IHIMVBD（CR=2.0）短，因而选择CR=1.5进行后续的节能强化研究。

4.3强化的内部热集成多储罐间歇精馏全回流操作

由图8可知，当CR=1.5时IHIMVBD中塔顶蒸汽和塔釜夹套式再沸器之间温差ΔTD（=T2-TB）在精馏操作终点(第331.8 min)达到最小，此时ΔTD仅为-7.87 K；并且精馏操作开始的前70.70 min温差ΔTD均为正数。这表明将塔顶蒸汽再压缩技术引入IHIMVBD可进一步强化节能。

图8　IHIMVBD中ΔTD随时间的变化（CR=1.5）Fig. 8　ΔTDprofile in IHIMVBD (CR=1.5)

4.3.1压缩机 C2的压缩比选择为了有效利用塔顶蒸汽的热量，塔顶蒸汽需要被压缩到更高的温度T2C，使其与再沸器温度 TB之间存在合理温差 ΔTC（=T2C-TB）。假定当ΔTC≥20 K，被压缩的塔顶蒸汽在再沸器处发生完全冷凝[20]。对于Int-IHIMVBD，压缩机C2的压缩比CR2为

式中，p2和p2C分别是压缩机C2的入口压力和出口压力，kPa。由式（9）计算可知，在Int-IHIMVBD过程中，CR2=1.96才能确保精馏操作全过程的ΔTC≥20 K，如图9所示。

图9　Int-IHIMVBD中ΔTC随时间的变化Fig. 9　ΔTCprofile in Int-IHIMVBD

4.3.2过程的操控当CR2=1.96时，塔顶蒸汽V2全部被压缩后发生完全冷凝所释放的潜热QCV大于IHIMVBD的再沸器加热量（QB-QIW），如图 10所示。这表明Int-IHIMVBD不需要再沸器加热，即QR=0。为了保持塔釜料液获得的热量QB恒定，需要根据精馏过程的动态变化实时合理地分流塔顶蒸汽，使进入压缩机C2被压缩的蒸汽V2C释放的潜热可以恰好等于QB-QIW；而剩余的部分塔顶蒸汽V2i将直接进入塔顶冷凝器。V2C和V2i的计算式分别为

图10　Int-IHIMVBD中QCV和QB-QIW的比较Fig. 10　Comparison between QCVand QB-QIWin Int-IHIMVBD

图11显示了当CR2=1.96时V2C和V2i随时间的变化。

由表5可知，Int-IHIMVBD的单位批次操作能耗为 3.31 GJ，相比 MVBD降低 75.22%，而IHIMVBD（CR=1.5）的操作能耗比MVBD仅降低14.30%；Int-IHIMVBD的年度总费用为 276577.24 USD·a-1，相比MVBD降低41.11%，而IHIMVBD （CR=1.5）的年度总费用比MVBD仅降低13.06%。所以，Int-IHIMVBD相比IHIMVBD和MVBD在降低操作能耗和提高经济效益方面具有显著优势。

图11　Int-IHIMVBD中V2C和V2i随时间的变化Fig. 11　V2Cand V2iprofiles in Int-IHIMVBD

5　结　论

（1）IHIMVBD利用压缩机做功使精馏塔的操作压力高于与之同轴的夹套式再沸器，导致高压的精馏塔与低压的再沸器之间进行热传递，从而实现精馏塔的内部热集成。IHIMVBD的操作能耗和年度总费用相比MVBD分别降低14.30%和13.06%。

（2）Int-IHIMVBD能额外利用被压缩的塔顶蒸汽的潜热供给塔釜料液再沸，实现塔顶蒸汽与塔釜料液的热集成，从而进一步提高分离操作的热力学效率及经济效益。Int-IHIMVBD的操作能耗和年度总费用相比MVBD分别降低75.22%和41.11%。

（3）本文提出的内部热集成操作将为 MVBD的节能设计提供理论指导和模型支持，同时也为其他间歇精馏操作的能量集成利用提供方法借鉴。

符号说明

cp,j——组分j的比定压热容，J·mol-1·K-1

cv,j——组分j的比定容热容，J·mol-1·K-1

ΔvapH——蒸发焓，J·mol-1

NC——组分数

pB, pR——分别为再沸器和精馏塔的压力，kPa

Qcons——单位批次操作的总能耗，GJ

TB, Tn——分别为再沸器和塔板的温度，K

tcons——单位批次操作的总时间，min

xV1, xV2, xV3, xBot——分别为储罐1、储罐2、储罐3和塔釜的持液浓度

References

[1] Demicoli D，Stichlmair J. Separation of ternary mixtures in a batch distillation column with side withdrawal [J]. Comput. Chem. Eng., 2004, 28(5): 643-650.

[2] Skogestad S, Wittgens B, Litto R, Sørensen E. Multivessel batch distillation [J]. AIChE Journal, 1997, 43(4): 971-978.

[3] Skouras S, Skogestad S. Time (energy) requirements in closed batch distillation arrangements [J]. Comput. Chem. Eng., 2004, 28(5): 829-837.

[4] Hegely L, Lang P. Comparison of closed and open operation modes of batch distillation [J]. Chem. Eng. Trans., 2011, 25: 695-700.

[5] Jiang Zhankun (姜占坤), Bai Peng (白鹏). Separation of dynamic total reflux in multi-vessel batch distillation [J]. Chemical Engineering (China)(化学工程), 2011, 39(8): 79-81.

[6] Zhao Shuo, Bai Peng, Tang Ke, Li Guangzhong. Optimal operation policy of multivessel batch distillation with constant total reflux operation for separation of a binary mixture [J]. Asia-Pac. J. Chem. Eng., 2013, 9: 239-247.

[7] Tang Ke, Bai Peng, Li Guangzhong. Total reflux operation of multivessel batch distillation for separation of binary mixtures [J]. Chin. J. Chem. Eng., 2014, 22(6): 622-627.

[8] Zhao Shuo, Bai Peng, Guo Xianghai, Tang Ke, Li Guangzhong. Time requirements in closed and open batch distillation arrangements for separation of a binary mixture [J]. Pol. J. Chem. Tech., 2014, 16(4): 66-74.

[9] Jana A K, Mane A. Heat pump assisted reactive distillation: wide boiling mixture [J]. AIChE Journal, 2011, 57(11): 3233-3237.

[10] An Weizhong (安维中), Lin Zixin (林子昕), Jiang Yue (江月), Chen Fei (陈菲), Zhou Liming (周立明), Zhu Jianmin (朱建民). Design and optimization of an internally heat integrated reactive distillation column for ethylene glycol production [J]. CIESC Journal (化工学报), 2013, 64(12): 4634-4640.

[11] Lin Xiyu (蔺锡钰), Wu Hao (吴昊), Shen Benxian (沈本贤), LingHao (凌昊). Steady-state behavior and control of Kaibel divided-wall column for aromatics separation [J]. CIESC Journal (化工学报), 2015, 66(4): 1353-1362.

[12] Johri K, Babu G U B, Jana A K. Performance investigation of a variable speed vapor recompression reactive batch rectifier [J]. AIChE Journal, 2011, 57(11): 3238-3242.

[13] Babu G U B, Aditya R, Jana A K. Economic feasibility of a novel energy efficient middle vessel batch distillation to reduce energy use [J]. Energy, 2012, 45: 626-633.

[14] Maiti D, Jana A K, Samanta A N. A novel heat integrated batch distillation scheme [J]. Appl. Energy, 2011, 88(12): 5221-5225.

[15] Jana A K, Khan M N, Maiti D. Improving energy efficiency and cost-effectiveness of batch distillation for separating wide boiling constituents (Ⅱ): Internal versus external heat integration [J]. Chem. Eng. Process., 2013, 72: 122-129.

[16] Iwakabe K, Nakaiwa M, Huang Kejin, Nakanishi T, Røsjorde A, Ohmori T, Endo A, Yamamoto T. Energy saving in multicomponent separation using an internally heat integrated distillation column (HIDiC) [J]. Appl. Therm. Eng., 2006, 26(13): 1362-1368.

[17] Douglas J M. Conceptual Design of Chemical Processes [M]. New York: McGraw-Hill, 1988: 568-577.

[18] Lin S W, Yu C C. Design and control for recycle plants with heat-integrated separators [J]. Chem. Eng. Sci., 2004, 59(1): 53-70.

[19] Huang Kejin, Shan Lan, Zhu Qunxiong, Qian Jixin. Adding rectifying/stripping section type heat integration to a pressure-swing distillation (PSD) process [J]. Appl. Therm. Eng., 2008, 28(8): 923-932.

[20] Jana A K, Maiti D. Assessment of the implementation of vapor recompression technique in batch distillation [J]. Sep. Purif. Technol., 2013, 107: 1-10.

Internal heat integrated multivessel batch distillation with constant total reflux operation

ZHAO Shuo, BAI Peng
(School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Batch distillation is a highly energy inefficient process. To reduce its energy consumption, an internal heat integrated multivessel batch distillation with constant total reflux operation (IHIMVBD) is proposed for separation of binary mixtures. The rectifier surrounded by a jacketed reboiler concentrically is operated at a higher pressure compared to that in the jacketed reboiler, so the heat transfers from the high pressure rectification tower to the low pressure still through the internal wall. For this purpose, an isentropic compression system is installed in the reboiled vapor line. In order to improve the thermodynamic and economic performance, an intensified IHIMVBD (Int-IHIMVBD) scheme is developed by introducing overhead vapor recompression mechanism in the IHIMVBD structure. This scheme is to additionally utilize the latent heat of compressed overhead vapor for vaporizing the reboiler liquid. The features of the IHIMVBD system and its intensified form are illustrated by separating a binary mixture of ethanol and n-propanol. The Int-IHIMVBD configuration shows promising energy saving and economic potential over the IHIMVBD and MVBD.

multivessel batch distillation; total reflux; internal heat integration; vapor recompression; energy saving; economics; binary mixture

date: 2015-04-10.

Prof. BAI Peng, Chemeng114_tju@126.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20150447

TQ 028.3

A

0438—1157（2015）11—4476—09

2015-04-10收到初稿，2015-06-28收到修改稿。

联系人：白鹏。第一作者：赵朔（1985—），女，博士研究生。