分隔壁精餾塔分離三組分烷烴混合物的研究

葉 青，杜 雷，薛青青，張春林

（1. 常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164；2. 上海制皂（集團）如皋有限公司，江蘇 如皋 226521）

分隔壁精餾塔分離三組分烷烴混合物的研究

葉 青1,2，杜 雷1，薛青青1，張春林2

（1. 常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164；2. 上海制皂（集團）如皋有限公司，江蘇 如皋 226521）

利用自制的分隔壁精餾塔小試裝置對正己烷、正庚烷和辛烷三組分混合物的分離進行了實驗。考察了進入側線采出段的液體流量與進入預分離段的液體流量之比（簡稱液體分配比）、進料位置和出料位置對分離效果的影響；并與帶側線采出的精餾塔進行比較。實驗結果表明，在液體分配比為1、進料位置為分隔壁中間、出料位置為分隔壁中間時，塔頂餾出物中正己烷的質量分數可達 99.72%，側線采出物中正庚烷的質量分數可達 95.48%，塔釜液中辛烷的質量分數可達 96.80%；采用分隔壁精餾塔比常規帶側線精餾塔可得到更高純度的中間產物和塔釜產物；采用 Aspen Plus 流程軟件對分隔壁精餾塔模擬的結果與實驗結果基本一致。

分隔壁精餾塔；烷烴混合物；帶側線采出精餾塔；Aspen Plus 軟件

分隔壁精餾塔是完全熱偶精餾塔的一種特殊類型，在熱力學上與完全熱偶精餾塔等效[1-3]。分隔壁精餾塔通過在精餾塔內部設置一塊垂直隔板，將塔分為隔板一側的預分離段和另一側的側線采出段、隔板下方的公共提餾段與隔板上方的公共精餾段4個部分[4-6]。

采用傳統方法分離三組分混合物時，一般需要兩個常規精餾塔，而分隔壁精餾塔完成同樣的分離任務只需一個塔。與常規精餾流程相比，分隔壁精餾塔可減少一個塔、一個冷凝器、一個再沸器以及相應管線等，同時節能達30%以上[7-8]，但分隔壁精餾塔對控制系統的要求較高，成為工業化應用的瓶頸。近年來，隨著對節能要求的提高，控制技術水平的逐步完善，分隔壁精餾塔的研究又趨于活躍[9-13]。

傳統的精餾方法在分離含有3個以上組分的混合物時必須使用多個精餾塔才能完成分離任務[14-15]。側線采出時，出料的純度不能得到很好的保證，所以當側線產品的純度要求較高時普通的精餾塔就不適合了。利用分隔壁精餾塔能很好地解決這一難題，采用分隔壁精餾塔可以同時得到滿足分離要求的 3 個組分。

本工作采用分隔壁精餾塔小試裝置分離正己烷、正庚烷和辛烷三組分混合物，考察了分隔壁精餾塔的進入側線采出段的液體流量與進入預分離段的液體流量之比（簡稱液體分配比）、進料位置和出料位置對分離效果的影響，并與帶側線采出的精餾塔進行比較；利用Aspen Plus流程軟件對過程進行了模擬，為分隔壁精餾塔的實際應用提供可行性分析。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

分隔壁精餾塔小試裝置見圖 1。塔身為不銹鋼材質，內徑 40 mm，總高 3 m，塔身外側用石棉布保溫；塔內均填裝直徑 2 mm 不銹鋼彈簧填料；塔釜為 1 L 四口燒瓶，由調溫電熱器加熱，并由精餾控制儀控制溫度。

在塔內靠近隔板的上方位置安裝分配比控制器， 以控制液體分配比。塔頂設有一回流比控制器控制回流比。進料位置共有 3 個：進料Ⅱ位于進料段中間位置處，進料Ⅰ位于進料Ⅱ上方400 mm處，進料Ⅲ位于進料Ⅱ下方 400 mm處。在分隔壁采出段與進料位置相對設置 3 個出料位置。

帶側線常規精餾塔與分隔壁精餾塔小試裝置基本一樣，只是去掉了分隔壁精餾塔中的分隔壁及分配比控制器，在與分隔壁精餾塔相同的操作條件下進行對比實驗。

1.2 實驗方法

塔釜加入正己烷、正庚烷和辛烷的混合物約400 g，加熱進行全回流操作。待塔的操作穩定后，開啟進料泵進料（進料溫度70 ℃），同時調節側線和塔釜出料速度，調節回流比及液體分配比。塔頂、側線及塔釜連續出料，每隔 30 min 取樣分析一次。

1.3 分析方法

采用上海分析儀器廠 GC - 950 型氣相色譜儀分析出料的組成。分析條件：彈性石英毛細管 30 m×0.32 mm，固定相為 SE - 54，柱溫 60 ℃，氣化室溫度 120 ℃，FID 檢測，檢測室溫度 250 ℃。

2 工藝過程的模擬

采用 Aspen Plus 軟件對正己烷、正庚烷和辛烷混合物的分離過程進行模擬。物性計算方法選用 PR 模型。采用 Aspen Plus 軟件的單元操作模塊模擬分隔壁精餾塔的物料和熱量平衡，在模擬計算時應引入兩個新的變量，即汽體分配比和液體分配比，由于分隔壁是固定在填料塔中的，分隔壁精餾塔的汽體分配比無法調節，設為 1。

3 結果與討論

3.1 液體分配比對分離效果的影響

液體分配比對分隔壁精餾塔出料組成的影響見圖 2。由圖 2 可見，隨液體分配比的增大，塔頂餾出液中正己烷的含量先增加后降低，模擬結果與實驗結果有差別，但趨勢基本一致；塔釜出料中辛烷的含量先降低后增加，模擬結果與實驗值基本一致；側線采出液中正庚烷的含量先降低后增加，模擬結果是當液體分配比大于 0.67 后，正庚烷的質量分數基本不變。這是由于分隔壁精餾塔的進料段和中間采出段是兩個相互獨立的分離單元，進料段同時也起著預分餾的作用，因此，當由塔上部下來的回流液量一定時，進入隔壁兩邊的液體量的多少對分離結果就會產生影響，且對3個組成的影響不同。在實驗過程中，由于隔板不完全絕熱，可能對中間組分的分離有影響。對于本實驗物系及分隔壁精餾塔的條件，綜合考慮各影響因素，適宜的液體分配比為 1。

3.2 進料位置對分離效果的影響

進料位置對分隔壁精餾塔分離效果的影響見表1。由表1可見，實驗結果與模擬結果誤差不大，并且其趨勢一致；當進料位置在進料Ⅱ時，分離效果最好，此時塔頂餾出液中正己烷的質量分數達到 99.72%，側線采出液中正庚烷的質量分數為95.48%，在塔釜辛烷的質量分數達到了 96.80%； 當進料位置上移或下移后，分離效果均沒有進料Ⅱ的效果好，這主要是因為分隔壁的進料側有一定的預分餾作用，不同的進料位置必然影響最終的分離效果。故最佳進料位置為進料Ⅱ，即在分隔壁的中部進料分離效果最好。

3.3 側線出料位置對分離效果的影響

側線出料位置對分隔壁精餾塔分離效果的影響見表 2，由表 2 可見，實驗結果與模擬結果誤差不大，并且其趨勢一致；當側線出料位置在出料Ⅱ時，分離效果最好，此時，塔頂餾出液中正己烷的質量分數達到 99.72%，側線采出液中正庚烷的質量分數為 95.48%，在塔釜辛烷的質量分數達到了96.80%；側線出料位置在出料Ⅰ時，塔頂餾出液中正己烷的質量分數只有 83.67%，側線采出液中正庚烷的質量分數為 86.35%，釜中辛烷的質量分數達到98.73%；側線出料位置在出料Ⅲ時，塔頂餾出液中正已烷的質量分數達到 99.21%，但塔釜液中辛烷的質量分數僅達到 83.30%。

當側線出料位置變化時，對分離效果影響很大，這是因為從公共精餾段下來的冷凝液中的主要是輕組分正己烷和部分中間組分正庚烷，在分隔壁出料側需要有一精餾段，而從公共提餾段進入出料側的汽相中的主要是重組分辛烷和部分中間組分正庚烷，在分隔壁出料側需要有一提餾段。因此，側線出料位置在分隔壁出料側的中間最佳。

表 1 進料位置對分隔壁精餾塔分離效果的影響Table 1 The effects of feed location on separation result of the dividing wall distillation column

3.4 分隔壁精餾塔和帶側線精餾塔分離效果的比較

分隔壁精餾塔和帶側線精餾塔分離效果的比較見表 3。由表 3可見，實驗結果與模擬結果誤差不大，且其趨勢一致；分隔壁精餾塔分離效果最好，塔頂餾出液中正己烷的質量分數達到 99.72%，側線采出液中正庚烷的質量分數為 95.48%，在塔釜液中辛烷的質量分數為96.80%；帶側線采出精餾塔塔頂餾出液中正己烷的質量分數達到 99.04%，側線采出液中正庚烷的質量分數為 84.71%，在塔釜液中辛烷的質量分數達到82.72%。由于兩個塔的回流比一樣，故對于輕組分正己烷，分離效果基本相同，而分隔壁精餾塔可得到較高純度的正庚烷和辛烷。

表 2 側線出料位置對分隔壁精餾塔分離效果的影響Table 2 The effects of side draw locations on separation result of the dividing wall distillation column

表 3 分隔壁精餾塔和常規側線采出精餾塔分離效果的比較Table 3 Comparison between the separation results of dividing wall distillation column and distillation column with side draw

3.5 分隔壁精餾塔和帶側線精餾塔內液相組分濃度分布的比較

帶側線采出的常規精餾塔內液相組成的濃度分布見圖 3。

圖 3 帶側線采出的常規精餾塔內液相組成的濃度分布Fig. 3 Concentration distributions of the liquid compositions in the distillation column with side draw.

由圖 3 可見，在塔上部主要組分是輕組分正己烷，在塔頂餾出液中可得質量分數大于 99.00%的正己烷，自塔頂向下在第16塊塔板處，正己烷的濃度基本接近于0；在第16塊塔板至27塊塔板之間，正庚烷和辛烷在各塔板上的濃度基本維持不變，此時側線采液出中正庚烷的質量分數為88.00%，辛烷的質量分數為12.00%；在第28塊塔板以下，進行正庚烷和辛烷的分離，最終塔釜中正庚烷的質量分數為15.00%，辛烷的質量分數為 85.00%。采用帶側線采出的常規精餾塔無法同時得到滿足分離要求的3個產品。

分隔壁精餾塔內液相組成的濃度分布見圖4。

圖 4 分隔壁精餾塔內液相組成的濃度分布Fig.4 Concentration distributions of liquid compositions in the dividing wall distillation column.

由圖 4 可見，由于分隔壁精餾塔的精餾段與帶側線精餾塔一樣，所以輕組分正己烷的濃度分布基本類似，在塔頂餾出液中可得質量分數大于99.00% 的正己烷，自塔頂向下在第 16 塊塔板處，正己烷的質量分數基本接近于 0；由于分隔壁的存在，在 19 塊塔板處，從分隔壁出料側可得到質量分數大于 96.00% 的正庚烷，在塔釜可得質量分數大于97.00% 的辛烷。這是由于在分隔壁精餾塔中有一塊隔板，使隔板兩側具有不同的功能。分隔壁進料側的作用是對進料進行初步分離，進料中的輕組分和部分中間組分流向塔頂，重組分和部分中間組分流向塔釜。經過部分冷凝后有部分輕組分和中間組分流入分隔壁出料側，在分隔壁出料側的上部輕組分和中間組分再進行分離。經過部分汽化后有部分重組分和中間組分流入分隔壁出料側，在出料側的下部重組分和中間組分再進行分離。因此，在分隔壁出料側和塔釜均得到滿足分離要求的產品。

4 結論

（1）分隔壁精餾塔可用于分離正己烷、正庚烷和辛烷三組分混合物，在塔頂、側線和塔釜分別得到正己烷、正庚烷和辛烷產品。

（2）由于分隔壁精餾塔結構的特殊性，液體分配比、進料位置和出料位置對其分離效果的影響較大。對液體分配比、進料位置和出料位置進行優化選擇，分隔壁精餾塔才能達到最佳的分離效果。

（3）分隔壁精餾塔可完成三組分的分離。在液體分配比為 1、回流比為 5 的條件下，分隔壁精餾塔塔頂餾出物中的正己烷的質量分數可達99.72%，側線采出物中正庚烷的質量分數可達95.48%，塔釜液中辛烷的質量分數可達 96.80%。

（4）在相同的操作條件下，采用分隔壁精餾塔比常規帶側線精餾塔可得到更高純度的中間產物和塔釜產物。

［1］Lestak F，Collins C.Advanced Distillation Saves Energy and Capital ［J］.Chem Eng，1997，104（7）：72 - 76.

［2］Triantafyllou C，Smith R.The Design and Optimization of Fully Thermally Coupled Distillation Columns ［J］.AIChEJ，1992，70（5）：118 - 132.

［3］Wang San-Jang，Wong D S H.Controllability and Energy Ef fi ciency of a High-Purity Divided Wall Column ［J］.Chem Eng Sci，2007，62（4）：1010 - 1025.

［4］Dejanovic I，Matijasevic L，Olujic Z.Dividing Wall Column —A Breakthrough Towards Sustainable Distilling ［J］.Chem Eng Process，2010，49（6）：559 - 580.

［5］Ennenbach F，Kolbe B，Ranke U.Divided Wall Columns —A Novel Distillation Concept［J］.Petrol Tech Q，2000，5（3）：97 - 103.

［6］Rong Benguang.Synthesis of Dividing-Wall Columns（DWC)for Multicomponent Distillations—A System Approach ［J］.Chem Eng Res Des，2011，89（8）：1281 - 1294.

［7］BASF Aktiengesellschaft.Dividing-Wall Column with Feed in Whole or in Part in the Vaporous State and/or Side Stream Take off in Whole or in Part in the Vaporous State：US，7264696［P］.2007 - 09 - 04.

［8］Suphanita B，Bischertb A，Narataruksa P.Exergy Loss Analysis of Heat Transfer Across the Wall of the Dividing-Wall Distillation Column［J］.Energy，2007，32（11）：2121 - 2134.

［9］Kiss A A，Bildea C S.A Control Perspective on Process Intensi fi cation in Dividing-Wall Columns ［J］.Chem Eng Process，2011，50（3）：281 - 292.

［10］Hao Ling，Luyben W L. Temperature Control of the BTX Divided-Wall Column ［J］.Ind Eng Chem Res，2010，49（1）：189 - 203.

［11］葉青，錢春健，裘兆蓉.分隔壁精餾塔分離醇類混合物的模擬 ［J］.化學工程，2008，36（2）：1 - 4.

［12］葉青，李浪濤，裘兆蓉.分隔壁精餾塔分離裂解汽油的研究［J］.石油學報：石油加工，2010，26（4）：87 - 90.

［13］葉青，錢春健，裘兆蓉. 隔壁精餾塔分離芳烴混合物的模擬研究 ［J］.石油化工，2007，36（11）：1134 - 1138.

［14］張軍亮，王峰，彭偉才，等.分離碳酸二甲酯和甲醇的常壓-加壓精餾工藝流程的模擬 ［J］.石油化工，2010，39（6）：646 - 650.

［15］李春利，劉艷穩，方靜，等.丙酮-丁醇精餾工藝中丁醇塔的優化模擬 ［J］.石油化工，2009，38（2）：154 - 157.

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。

葉青 （1968—），女，上海市人，博士，副教授，電話0519- 96330355，電郵 yeqing@cczu.edu.cn。

中國石油化工股份有限公司基金項目（411024）。

（編輯 李治泉）