分壁精餾塔分離五元體系的穩態及動態研究

華 濤，邱 潔，何桂春，伍 祥，凌 昊

（華東理工大學 化學工程聯合國家重點實驗室，上海 200237）

分壁精餾塔（DWC）是一種典型的化工過程強化設備，可大幅度地節省能耗和設備投資［1-2］。分離三組分混合物的DWC，國內外均有大量的研究報道，葉青等［3-4］將DWC應用于裂解汽油和醇體系的模擬及實驗工作。Ling等［5-7］考察了三組分DWC的組分、溫度、溫差控制方案，結果表明，組分控制具有更好的控制效果。朱登磊等［8］將DWC應用于乙烯裝置順序分離流程，實現了C1，C2，的分離。李沐榮等［9］提出了帶中間換熱器的熱泵精餾DWC。孫蘭義等［10-12］深入研究了反應精餾型DWC的分離規律。郭艷姿［13］研究了對二甲苯吸附抽出液的DWC工藝。除此之外，DWC也可用于萃取精餾［14］。

在四組分DWC方面，Kaibel［15］提出一種單隔板結構（Kaibel DWC，KDWC）。宋二偉等［16］對KDWC的穩態及簡捷設計進行了研究。Skogestad課題組進行了相關的模擬及實驗工作［17-18］。藺錫鈺等［19］對KDWC進行了研究，結果表明組分控制可以應對±10%的進料流量和組成波動。王志鋒等［20］研究了三隔板DWC，發現其節能潛力高于KDWC。在五元體系的研究方面，Kiss等［21］研究了兩個DWC串聯的方案，但并未實現單塔分離五組分的目標。

本工作以甲醇（M）、乙醇（E）、正丙醇（P）、正丁醇（B）和正戊醇（H）五元體系為研究對象。建立了由一個常規塔和Kaibel分壁精餾塔組合（CKDWC）和強化的DWC（EDWC）的嚴格穩態精餾模型，考察了組分控制結構在應對進料流量和組成發生±10%波動時的控制效果。

1 穩態設計

以M，E，P，B，H五元體系為研究對象，五種物質在常壓下對應的沸點為337.8，351.6，370.3，390.8，410.5 K，相對揮發度為16.31，9.16，4.38，2.05，1。五組分混合物等摩爾進料，流量為3 600 kmol/h，進料溫度為361 K。

穩態模擬過程采用Aspen Plus軟件中的Rad Frac模塊，物性方法選擇WILSON模型，在Aspen軟件中采用WILSON方程調用各組分的飽和蒸氣壓數據，并與文獻［22］中的蒸氣壓數據對比，兩者具有很好的吻合度。產品設計純度均為99%（x），塔頂壓力為101 kPa，塔板壓降為0.686 8 kPa。

1.1 常規分離流程穩態設計

常規方法分離五組分混合物時需要使用四個精餾塔且分離流程眾多。常規四塔分離序列見圖1。該序列中C1塔用于甲醇和乙醇的分離，C2塔用于丙醇和丁醇的分離，C3塔用于乙醇和丙醇的分離，C4塔用于丁醇和戊醇的分離。以最小年總投資（TAC）為目標［23］對各精餾塔的塔板數、進料位置、C1塔塔釜中的甲醇雜質含量、C2塔塔頂中的丁醇雜質含量、C2塔塔釜中的丙醇雜質含量進行優化。TAC包含年度設備回收成本及能耗成本，年度設備回收成本由資金回收成本除以合適的折舊周期得到。

圖1 常規四塔分離序列Fig.1 Conventional separation sequence of four-column structure.

表1為優化后的相關設計參數。由表1可知，流程總塔板數為240塊，總負荷為117.68 MW。

表1 常規分離序列設計參數Table 1 Design of conventional separation sequence

1.2 CKDWC穩態設計

CKDWC由一個常規塔和KDWC組合而成，在穩態模擬中KDWC可由一個汽提塔（僅有一個再沸器）、一個精餾塔（僅有一個冷凝器）和兩個并列的吸收塔組成［20］。仍以TAC為目標對精餾塔結構進行優化，常規塔的優化方法與前文相同，Kaibel塔需要優化的參數為塔板數、進料位置、兩條側線的采出位置、分氣比（βV）和分液比（βL）。然而，在實際操作中DWC的加工難度要高于常規塔，因此在設備核算時要將相應的費用乘上一個系數（1.2）［23-24］。

圖2為優化后的塔體結構。由圖2可知，常規塔有65塊塔板，KDWC共有88塊塔板，其中第13～70塊板間對應的隔板進料側區域為預分餾段（pre），其他區域為主塔段（mai）。KDWC的βL為自第13塊塔板處液相流入預分餾段所占的比值0.388，βV為自第70塊塔板處氣相進入預分餾段所占的比值0.630。5個產品的純度均達到99%（x）的設計要求。

表2為CKDWC的相關設計參數。由表2可知，常規塔塔釜再沸器負荷（QR）為36.19 MW，KDWC的QR為55.08 MW，流程總負荷為91.27 MW。對比表1和表2可知，CKDWC較常規分離序列QR可節省22.4%，TAC節省22.7%；KDWC較對應的常規分離序列QR可節省32.1%。

圖2 CKDWC穩態設計Fig.2 Steady state design of CKDWC.

表2 CKDWC設計參數Table 2 CKDWC optimum design

圖3為CKDWC的液相組成。由圖3（a）可知，CC塔完成了甲醇和乙醇的分離，但乙醇在進料位置及塔釜附近出現了返混。由圖3（b）可知，KDWC預分餾段中丙醇和丁醇也出現了一定程度的返混。同時，對于KDWC而言，必須選擇合適的βL來控制預分餾段頂部的丁醇含量，因為過量的丁醇組分越過隔板會以液態的形式自側線采出，從而導致側線產品無法達到設計要求。

圖3 CKDWC液相組成Fig.3 Composition profiles in CKDWC.

1.3 EDWC穩態設計

KDWC只能對三組分或四組分體系進行高純度分離，單個DWC分離五元體系時塔內應至少含有兩塊隔板，本工作使用EDWC對五元體系進行分離。穩態模擬流程如圖4所示，EDWC可由一個汽提塔（無冷凝器）、五個吸收塔、及一個精餾塔 （無再沸器） 組合而成，圖中虛線為氣相流股，實線為液相流股。EDWC內部安裝兩塊隔板將塔體分為三個區域（C11為預分餾段，C21、C22為中間段，C31、C32、C33和C34為主塔段），其中預分餾段進行丙醇和丁醇的清晰分割，該段應避免丁醇從頂部越過隔板，同時也應避免過量的丙醇自底部越過隔板；中間段要實現甲醇和丙醇的清晰分割，該段要避免丙醇越過隔板頂部，也應避免甲醇越過隔板底部；主塔段塔頂采出甲醇，塔釜采出戊醇，乙醇、丙醇、丁醇依次自側線采出。

圖4 EDWC穩態模擬流程Fig.4 Simulation flow sheet of EDWC.

EDWC中的進料狀態、產品要求、物性方法均與CKDWC的相同。仍以TAC 為目標對流程進行優化，需優化的參數包括各段塔板數，兩組分氣βL及進出料位置，由于EDWC 在結構上更加復雜，因此在設備核算時需將相應的費用乘上系數1.3［23-24］。圖5為優化后的塔體結構。由圖5可知，全塔共有116塊塔板，第一分液比（βL1）為0.621，第二分液比（βL2）為0.480；第一分氣比（βV1）為0.623，第二分氣比（βV2）為0.398。

圖5 EDWC穩態設計Fig.5 Steady state design of EDWC.

表3為EDWC設計參數。由表3可知，EDWC的QR為72.21 MW，塔徑為7.97 m，EDWC的TAC為1.432×107$/a，和常規分離序列相比，EDWC可節能38.6%，TAC節省36.2%，和CKDWC相比QR可節省20.9 %。

表3 EDWC設計參數Table 3 EDWC optimum design

圖6為EDWC的液相組成圖。由圖6可知，5個產品純度均達到設計要求。EDWC有兩組分氣的βL，由于液體自上而下流動，而βL1的位置高于βL2，因此一般來說βL1的變化對全塔溫度分布的影響要高于βL2；同樣，氣體自下而上流動，βV1的位置低于βV2，對全塔溫度分布的影響也比βV2要大。由圖6（b）可知，丙醇組分摩爾百分數在預分餾段下部出現一個極大值、丁醇組分在預分餾段上部也出現一個極大值，這說明預分餾段中丙醇和丁醇組分均存在一定程度的返混現象，對于精餾過程而言，返混造成的熱力學損失會導致分離過程的能耗升高；從中間段的液相組成中可以看出，乙醇組分在第32～46塊板間也出現了輕微的返混，從本質上來說，這是由于EDWC內部熱量耦合造成的，第36～46塊板間主塔段中乙醇含量自上而下迅速降低，并在第47塊板處與來自中間段的液相相互混合，混合后的液相則被上升的氣相重新“攜帶”至中間段和相應的主塔段中，這樣主塔段中（第46塊板附近）含量較低的乙醇組分就越過隔板底部進入中間段，也就造成了中間段下部乙醇組分的返混現象。

圖6 EDWC液相組成Fig.6 Composition profiles in EDWC.

2 EDWC動態控制

2.1 組分控制結構

EDWC在結構上較為復雜，主要包含QR、塔頂回流量（RW）、三條側線采出量（S1，S2，S3）、兩組分氣分液比（βL1，βL2，βV1，βV2）等 9組操作變量，本工作采用傳統的PID控制建立相應的組分控制結構。EDWC組分控制結構需建立相應的流量、液位、壓力及組分控制回路，其中6個組分控制回路的配對方案為：1）塔釜控制回路采用QR控制預分餾段底部的丙醇含量；2）塔頂控制回路采用RW控制塔頂產品乙醇的雜質含量；3）上側線控制回路以S1控制上側線產品丙醇的雜質含量；4）中間側線控制回路以S2控制中間側線產品丁醇的雜質含量；5）下側線控制回路以S3控制塔釜產品丁醇的雜質含量；6）βL控制回路采用βL1控制中間段頂部的丙醇含量。

在圖5所示的穩態條件下，模擬流程處于最優點，但操作條件較為嚴苛，可考慮犧牲部分能耗來改善控制效果，將βV1由0.623減小至0.611，得到QR= 74.16 MW，與最優點相比能耗升高了2.7%。此時，可將相應的穩態文件按Luyben［23］提出的方法導入動態中，并對再沸器及冷凝器的尺寸進行計算，本工作再沸器的直徑為4.55 m，高度為9.11 m。

動態模擬在Aspen Dynamic中完成，圖7為EDWC控制結構。

圖7 EDWC控制結構Fig.7 Control structure of EDWC.

由圖7可知，流程中液位控制器的比例增益為2，積分時間為9 999 min；壓力控制器的比例增益為20，積分時間為12 min；流量控制器的比例增益為0.5，積分時間為0.3 min。組分控制回路遲滯均為5 min，控制回路采用Tyreus-Luyben方法進行調諧以獲得增益值和積分時間。具體調諧方法為：首先對塔釜控制回路進行調諧，將塔釜控制回路調至自動，同時保持其他控制回路為手動進行中繼-反饋測試；而后依照相同的方法依次對塔頂、三條側線及βL1控制回路進行調諧，相應的調諧參數見表4。

表4 控制器調諧參數Table 4 Tuning parameters of composition control structure

2.2 組分控制結果

本工作以穩定后的產品純度（x）在98.5%～99.5%范圍為合格產品。以原料中甲醇組分波動為例，圖中甲醇組分含量增加10%表示甲醇摩爾百分數從0.20增至0.22，其他組分之間的摩爾比不變。

圖8為進料流量及各組分含量波動±10%時的控制效果。由圖8（a）可知，組分控制結構可以很好地應對進料流量±10%（x）的波動；由圖8（b）可知，甲醇含量波動時，五個產品均得到了很好的控制；由圖8（c）可知，進料中乙醇含量波動時，五個產品純度得到了良好的控制，但乙醇產品純度略有偏差，原料中乙醇組分增加10%（x）時穩定后的乙醇產品純度為98.88%（x），減少10%（x）時乙醇產品純度為99.11%（x）；由圖8（d）可知，穩定后的乙醇和丁醇產品約有0.1%的偏差；由圖8（e）可知，原料中丁醇組分增加10%（x）后，穩定后的丁醇產品純度約為98.88%（x）；由圖8（f）可知，戊醇含量波動時，各產品純度偏差在0.06%以內；穩定后的丁醇產品純度略有偏差，約為98.94%（x）。

圖8 波動±10%的控制結果Fig.8 Control results of ±10% disturbances in EDWC.

3 結論

1）DWC在應用于五元混合物的分離過程中具有節能優勢，EDWC可在一個塔內對五組分體系進行高純度分離，與常規分離序列相比可節省QR38.6%，與CKDWC相比可節省QR20.9 %。

2）EDWC在預分餾段需實現丙醇和丁醇的清晰分割，該段丙醇和丁醇出現了一定程度的返混；在中間段需實現甲醇和丙醇的清晰分割，該段乙醇組分也出現了輕微的返混。

3）動態模擬的結果表明，組分控制策略在應對進料流量及組成發生±10%的波動時具有良好的控制效果。