恒全回流塔頂累積間歇精餾過程的研究

許憲碩，白　鵬，張錦威

(天津大學化工學院，天津 300072)

間歇精餾作為化工生產中常用的分離技術，設備簡單，可單塔實現多組分混合物的分離，允許進料濃度在較大范圍內變化，同時適用于不同分離要求的物料，操作靈活，廣泛應用于精細化工和制藥等高附加值產品行業。

在精餾操作中，全回流具有以下特點：1)塔頂產品為零，不向塔內進料，也不從塔內取出產品；2)達到規定分離程度所需理論板層數最少。通常，在全回流下精餾塔無生產能力，對正常生產無實際意義，一般應用于：1)精餾開工階段，精餾塔的調試；2)精餾塔的實踐研究，如塔板效率的測定，塔填料性能的測定等。

目前對間歇精餾的研究集中在2個方面[1-4]：1)關于間歇精餾的數學模型及其計算方法的研究；2)關于操作過程的優化策略研究。

本研究在全回流-全采出間歇精餾、動態累積循環間歇精餾[5-6]以及多罐間歇精餾[7-10]等操作方式的基礎上，提出了一種恒全回流塔頂累積間歇精餾的新型操作方式。此方式主要包括兩個階段：1)全回流穩定階段；2)保持全回流不變，各中間罐液體至下而上轉移，塔頂產品采出。相對于以往的操作方式，新操作方式具有沒有全采出填充回流罐的無回流階段，塔內濃度梯度分布相對比較穩定，能更有效省時的得到產品等優點。

本研究建立了相應的數學模型，并借助Matlab軟件進行模擬，最后選用乙酸-水二元混合物進行了試驗驗證研究，結果表明該操作方式可以有效縮短操作時間，提高產品質量，整塔運行穩定且操作簡單易于控制。

1　模型的建立

1.1　模型假設

恒全回流塔頂累積間歇精餾模型如圖1所示，同時作如下假設：1)各塔板為理論塔板，符合平衡級和全混級假設；2)汽相為理想氣體，液相為非理想液體；3)整個操作過程絕熱，忽略熱量損失；4)塔頂、各塔板恒摩爾持液，忽略塔中汽相滯留量；5)二元精餾系統的相對揮發度α為常數。

圖1　恒全回流塔頂累積間歇精餾操作Fig.1　Constant total reflux batch distillation with dynamic accumulation

1.2　恒全回流動態累積過程的模擬

1.2.1物料衡算方程

各塔板汽液兩相流動情況如圖2所示。

圖2　塔板物料平衡Fig.2　Material balance on plate j

1)塔頂冷凝器 (j=1)

(1)

2)塔板 (j=2,3,...,n-1且j≠m-1)

(2)

3)塔板 (j=m-1)

(3)

4)中間罐 (j=m)

(4)

5)塔釜 (j=N,n為采出次數)

(5)

(6)

1.2.2汽液平衡方程

(7)

1.2.3組分加和方程(歸一化方程)

包括液相組分加和方程和汽相組分加和方程。

(8)

1.3　過程模擬及結果

借助Matlab軟件，應用上述模型采用ode45方法進行模擬求解[7]，驗證了該方法的可行性。圖3和圖4給出了常規恒定回流比操作下，塔頂、塔釜及特征塔板上組分濃度隨時間的變化。圖5和圖6給出了恒全回流操作方式下，塔釜、塔頂和兩個中間儲罐的組分濃度隨時間的變化規律。

圖3　常規恒定回流比R=6.5，N=10時塔板濃度隨時間變化曲線Fig.3　Concentration on the plate vs. distillation time when regular constant reflux ratio R=6.5，N=10

圖4　常規恒定回流比R=2.8，N=15時塔板濃度隨時間變化曲線Fig.4　Concentration on the plate vs. distillation time when regular constant reflux ratio R=2.8，N=15

圖5　恒全回流各儲罐濃度隨時間變化圖(N=10)Fig.5　Concentration in vessels (1), (2) and still vs. the distillation time when constant total reflux ratio batch distillation (N=10)

圖6　恒全回流各儲罐濃度隨時間變化圖(N=15)Fig.6　Concentration in vessels (1),(2) and the still vs. distillation time when constant total reflux ratio batch distillation(N=15)

對比圖3和圖5，可以發現恒全回流操作具有與常規恒回流比操作完全不同的變化曲線，但同樣可以在塔頂實現輕組分的富集。具體的比較結果見表1。

表1　恒定回流比與恒全回流操作下的模擬結果對比Table 1　Comparison of simulations under regular constant reflux ratio and constant total reflux ratio batch distillation

表1顯示出恒全回流操作方式下，全塔始終處于產品濃縮狀態，提濃效率高，中間儲罐間隔板數越少效果越明顯，與常規恒定回流比操作相比，在目標產品及純度相同的條件下，可有效縮短操作時間。

2　試驗部分

2.1　試劑及儀器

試劑：乙酸與蒸餾水，分析純，天津江天化學試劑公司。

試驗裝置：如圖7所示，塔徑30 mm，各塔節高度均為400 mm，塔內填充3 mm×3 mm θ環填料。

檢測儀器：氣相色譜儀SP-6890型(山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)，數據采集采用N2000色譜工作站。

圖7　恒全回流塔頂累積間歇精餾試驗裝置圖Fig.7　The pilot plant for constant total reflux batch distillation with dynamic accumulation

2.2　恒全回流塔頂累積間歇精餾試驗

按圖7連接好試驗裝置后，整個操作過程可分為以下4個步驟：1) 塔釜進料1 290 mL，各中間罐(1), (2), (3)均進料70 mL，原料中水的體積分數為0.2，調節塔釜加熱電壓170 V，全回流操作至穩定(此過程3個儲罐均與塔相隔離)；2) 接通3個儲罐，同時計時開始，使儲罐內液體與塔內液流交換，注意維持儲罐內液位穩定，每隔10～15 min檢測塔頂儲罐中產品濃度，待其穩定后，將其作為產品轉移至產品儲槽；3) 當塔頂儲罐內產品達到要求后，各中間儲罐中液體轉移方式如下：使用100 mL取樣針從塔釜取液口取出70 mL釜液加入到儲罐(3)的備用儲罐中，將其與塔身連通，同時關閉原儲罐(3)與塔的連接。然后將原儲罐(3)中的液體轉移至備用儲罐(2)中，同理將原儲罐(2)中液體轉移至備用儲罐(1)中，原儲罐(1)累積液作為合格產品轉移至產品收集罐中，這樣就完成1次倒罐的操作，即塔釜→儲罐(3)，儲罐(3)→(2)，(2)→(1)，重復步驟2)的操作；4) 采出產品3次后(即產品體積為210 mL)，結束本輪操作，計時結束，測定產品儲槽中產品平均濃度。

2.3　結果與討論

2.3.1塔內穩定性

圖8是3種不同操作條件下的全塔溫度變化曲線和塔頂濃度變化曲線。從圖8中可以看出，新型恒全回流動態累積操作方式下，全塔溫度變化規律與常規恒定回流比操作基本一致，波動范圍更小，運行狀態更穩定。

圖8　不同操作條件下塔內溫度變化曲線Fig.8　Temperatures in the column vs. distillation time under different operation conditions

2.3.2中間罐內液體濃度變化

圖9給出中間罐內液體濃度隨時間的變化曲線。

3次換液操作分別在操作開始后140、175和230 min完成，換液時間間隔分別為35和55 min，表明從一次穩定過渡到下一次穩定所需時間在不斷增加，應選擇合適的換液次數。

圖9　中間罐內液體濃度變化曲線Fig.9　Concentration in vessels (1),(2),(3) and the still vs. the distillation time

從圖9中可以看出，儲罐(1)、(2)中產品濃度迅速上升并維持在較高水平，儲罐(3)中產品濃度上升較緩慢，且高濃度區維持時間較短。塔的上部在不斷富集輕組分，而重組分不斷在塔的下部富集。從該曲線還可以看出儲罐的位置及數量設置合理。在換罐的過程中，各儲罐內液體濃度不會出現大幅波動，從而保證整塔操作運行平穩。

2.3.3操作時間與產品純度

本研究進行了R=4.0和R=8.0的2組常規的恒定回流比操作下的間歇精餾試驗作為對比試驗，進料狀況與產品采出量要求與新操作方式相同(塔釜一次進料1 500 mL，產品采出總量210 mL)，試驗結果匯總在表2和圖10中。

表2列出了新操作方式與常規恒定回流比操作下產品純度及操作時間的對比結果。可以看出，在目標產量相同的前提下，新型恒全回流操作方式可以有效提高產品純度，與R=8.0的情況相比較，操作時間可節省約9.8%。產品儲槽內水的平均濃度變化曲線如圖10所示。

表2　恒定回流比與恒全回流操作下的試驗結果對比Table 2　Comparison of operations under regular constant reflux ratio and constant total reflux ratio batch distillation

圖10　塔頂產品濃度變化曲線Fig.10　Product purity for different operation conditions

3　結論

采用Matlab軟件進行模擬，結果表明，當目標產品濃度相同時，恒定全回流新操作方式相比恒定回流比，可以節省操作時間，對比試驗驗證了此方式的合理性和可操作性。具體節省時間的效果與操作參數有關，還有待進一步探索。

恒全回流塔頂累積間歇精餾新型操作方式下，目標產品濃度相同時，可以在較短的時間里得到更高純度的產品，可以大大節省工業成本，提高分離效率。整個操作過程均是在全回流的條件下實現的，因而降低了操作控制難度。

符號說明：

i——組分；

j——塔板數；

L——液相流率，mol/min；

M——塔板持液量，mol；

M0——塔頂及中間罐持液量，mol；

MB——塔釜持液量，mol；

N——塔板數；

R——回流比；

V——汽相流率，mol/min；

α——相對揮發度。

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