分離丙酮-乙醇-水物系的隔壁塔設計與優化

王洪海，邊娟娟，梁建成，李春利

（河北工業大學 化工學院，天津 300130）

分離丙酮-乙醇-水物系的隔壁塔設計與優化

王洪海，邊娟娟，梁建成，李春利

（河北工業大學 化工學院，天津 300130）

利用Aspen Plus模擬軟件，建立了分離丙酮-乙醇-水物系的隔壁塔工藝流程。在保證丙酮產品純度不低于99.2%的前提下，使用響應面法分析了隔壁塔的結構參數對能耗的影響，擬合出塔結構參數與再沸器熱負荷的二次方程，對隔壁塔的結構參數進行了優化。優化結果為：預分離段、公共精餾段、公共提餾段和側線采出段的理論塔板數分別為22，20，19，18；預分離段的進料位置為第16塔板，公共提餾段的再沸器熱負荷為405.63 kW。驗證結果顯示，優化結果與模擬結果的相對誤差為0.65%，說明流程模擬與響應面法相結合用于隔壁塔結構參數的優化可行。與傳統工藝相比，隔壁塔分離工藝的設備費用降低26.86%、年度總費用降低41.10%。

隔壁塔；Aspen Plus軟件；丙酮-乙醇-水物系；響應面法

1933年，因為裂解氣的分離，Standard Oil Dev公司提出了隔壁塔（DWC）的概念［1］。1980年初，由BASF公司的Kaibel［2］首次提出了單塔結構的DWC設計方案。截至到2016年3月全球投入使用的DWC已超過250座。在熱力學上，DWC等同于Petlyuk塔［3-4］，區別是DWC中液相分配和汽相循環在同一塊塔板上發生［5］，消除了返混現象，從而降低了能耗、減少了碳排放［6］。DWC將多個分離目標在單塔中實現，有效減少了設備投資［7-8］。然而，DWC較常規精餾塔有更多的自由度，且各因素之間具有很強的非線性關系，因此DWC的設計優化較復雜，制約了它的廣泛應用。

目前，應用數學方法或計算機編程方法與模擬軟件相結合對復雜精餾系統進行優化［9-15］不僅降低了操作難度，也使得優化結果與模擬結果越來越吻合。

本工作采用Aspen Plus軟件模擬分離來自發酵醪液的丙酮-乙醇-水混合物的DWC工藝，利用響應面法對DWC的結構參數進行優化，以年度總費用為目標比較了DWC工藝與傳統工藝。

1 分離丙酮-乙醇-水物系的DWC模擬

傳統工業常采用兩塔序列分離來自發酵醪液的丙酮-乙醇-水混合物（如圖1所示）。混合物在塔C1中初步分離，塔頂得到純度不低于99.2%（w）的丙酮，塔底的乙醇和水混合物作為塔C2的進料；在C2塔頂得到乙醇與水的共沸物，塔底得到水。

圖1 傳統工藝流程Fig.1 Flowsheet of traditional process for the separation of the acetone-ethanol-water system. B：bottom product；C：column；D：distillation product.

DWC的結構見圖2。采用如圖2所示的DWC分離丙酮-乙醇-水混合物，原料在預分餾段（1）中進行非清晰分割，部分乙醇與水隨輕組分丙酮進入公共精餾段（2），部分乙醇隨重組分水進入公共提餾段（3），在公共精餾段（2）中乙醇和水進入側線采出段（4），丙酮從塔頂采出；在公共提餾段（3）中乙醇與部分水進入側線采出段（4），剩余的水從塔底采出，來自公共精餾段（2）和公共提餾段（3）的乙醇和水以共沸物形式從側線采出段（4）采出，從而實現混合物的分離。

圖2 DWC的結構Fig.2 Structure of dividing wall column(DWC). 1 Prefractionation；2 Public rectifying section；3 Public stripping section；4 Side draw section

在Aspen Plus軟件中用Radfrac模塊將DWC設計為如圖3所示的四塔模型［16］。

圖3 DWC的工藝流程Fig.3 Flowsheet of the DWC process. L：liquid；SS：side draw product；T：tower；V：vapor.

該模型由預分離段T1、公共精餾段T2、公共提餾段T3和側線采出段T4與一個汽相分配器以及一個液相分配器進行物料與能量耦合集成。T2只有冷凝器，T3只有再沸器，T1和T4既沒有冷凝器也沒有再沸器。

原料為含丙酮75%（w）、乙醇21.8%（w）、水3.2%（w）的混合物，進料量500 kg/h，泡點進料，熱力學模型選用NRTL，模型參數取自Aspen Plus軟件。塔的基本參數包括4個塔段的塔板數和進料位置，根據DWC的啟發式規則［17］計算出T1的理論塔板數為20、T2的理論塔板數為22、T3的理論塔板數為20、T4的理論塔板數為19，預分餾段在第16塊塔板進料，液相分配比和汽相分配比的初值均為0.5。

2 響應面法優化四塔模型

DWC較常規塔有更多的自由度，同樣，DWC的四塔模型中有多個操縱變量，且變量間相互關聯，每調節一個變量都會使該模型的能耗發生變化，所以采用純粹的單因素分析很難得到更優的操作參數。響應面法是借用響應性能對設計變量的靈敏程度，將實驗數據或模擬數據擬合成目標與設計變量有關的函數近似表達式，對設計變量進行優化。考慮到DWC的四塔模型中只有一個再沸器和一個冷凝器，同時，冷凝器所用的冷量隨再沸器熱量消耗的減少而減少，所以可用T3塔釜再沸器的熱負荷（QT3）作為整個優化過程的目標函數，并使其最小化。

2.1 單因素分析汽液分配比

對液相分配比和汽相分配比進行單因素分析，分別考察了液相分配比和汽相分配比對再沸器熱負荷的影響，結果見圖4。由圖4可看出，液相分配比和汽相分配比分別為0.5和0.6時，再沸器熱負荷最低，由此確定液相分配比和汽相分配比分別為0.5和0.6。

圖4 液相分配比和汽相分配比的分析Fig.4 Analysis of liquid split ratio(SPL) and vapor split ratio(SPV). QT3：heat duty of reboiler.

2.2 塔結構參數優化

為研究四塔模型中4個塔的塔板數和T1的進料位置等5個因素對目標函數的影響，采用Design Expert軟件中的中心組合設計對5個變量進行5因素3水平的實驗設計。中心組合設計的編碼值、因素和水平如表1所示。確定各因素的各水平后，以5因素3水平設計了50組實驗，使用Aspen Plus模擬得到各組實驗的QT3，并利用響應面法得到任意兩因素對QT3影響的三維視圖。

NT4與FT1對QT3的三維響應視圖見圖5。三維視圖中等高線的形狀可以解釋兩個因素對QT3的影響程度，三維視圖為凸面說明兩個因素對QT3的影響明顯。

表1 中心組合設計的編碼值、因素和水平Table1 Coded values，factors and levels for central composite design

擬合得到NT1，NT2，NT3，NT4，FT1對QT3的回歸方程：

圖5 NT4與FT1對QT3的三維響應視圖Fig.5 3D response surface graph of NT4versus FT1for QT3.

擬合結果表明，NT1= 22，NT2= 20，NT3= 19，NT4= 18，FT1= 16時，QT3最小，為405.63 kW。使用Aspen Plus模擬計算優化參數下的QT3為408.28 kW，與擬合結果的相對誤差為0.65%，說明該優化方法能有效優化DWC工藝。

3 DWC工藝與傳統工藝的對比

引入年度總費用，回報期為3 a，對DWC工藝和傳統工藝進行了比較。設備費用指數選用2011年末的數值1 536.5，冷凝水和熱蒸汽的價格選用2016年6月價格的平均值。兩種工藝的設備費用與操作費用的對比見表2。由表2可見，在保證產品產量及純度的前提下，DWC工藝比傳統工藝的設備費用降低了26.86%，熱公用工程減少52.21%，冷公用工程減少40.29%，年度總費用減少41.10%。

表2 DWC工藝和傳統工藝優化結果的對比Table 2 Comparison of the optimization results of DWC and traditional process

4 結論

1）使用DWC工藝代替傳統的兩塔序列工藝分離來自發酵醪液的丙酮-乙醇-水混合物，利用Aspen Plus軟件建立了DWC的四塔模型。

2）維持丙酮產品純度不低于99.2%的前提下，利用響應面法建立了QT3的最優化數學模型，優化結果為NT1= 22，NT2= 20，NT3= 19，NT4= 18，FT1= 16，QT3= 405.63 kW。驗證結果顯示，優化結果與模擬結果的相對誤差為0.65%，說明流程模擬與響應面法相結合用于DWC結構參數的綜合優化是可行的。

3）對比DWC工藝與傳統工藝，DWC工藝的設備費用減少26.86%、熱公用工程減少52.21%、冷公用工程減少40.29%、年度總費用減少41.10%。

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（編輯 王 萍）

Design and optimization of dividing-wall column for separation of acetone-ethanol-water system

Wang Honghai，Bian Juanjuan，Liang Jiancheng，Li Chunli
（School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

A dividing-wall column(DWC) process for the separation of the acetone-ethanol-water system was established by means of the Aspen Plus software. Based on the premise of the mass fraction of acetone in the products not less than 99.2%，the influences of the structural parameters of DWC on the reboiler heat duty were analyzed using the response surface method and a quadratic equation was obtained. It was showed that，the theoretical plate numbers of the prefractionation section，public rectifying section，public stripping section and side draw section were 22，20，19 and 18 respectively，the feeding position of the prefractionation section was at the 16thplate，and the reboiler heat duty of the public stripping section was 405.63 kW. The relative error between the optimized result and the simulation result was 0.65%. Compared to traditional process，the capital cost and total annual cost of DWC were reduced by 26.86% and 41.10%，respectively.

dividing wall column；Aspen Plus software；acetone-ethanol-water system；response surface method

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.02.012

1000-8144（2017）02-0217-05

TQ 021.8

A

2016-08-16；［修改稿日期］2016-11-10。

王洪海（1974—），男，河北省文安縣人，博士，教授，電話 13902122829，電郵 ctstwhh@163.com。聯系人：李春利，電話 13902063302，電郵 ctstlcl@163.com。

河北省科技計劃項目（15964505D，16214505D）。