回流比對隔板精餾塔多定態解數目影響分析

張耀昌,王二強

(1.中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽技術研發中心,河南 洛陽 471000;2. 中國科學院大學 化學科學學院，北京 100049)

隔板塔(Dividing Wall Column, DWC)，又稱為隔壁塔或熱耦合精餾塔，是通過插入一塊或多塊豎直隔板，將一個塔體內部分割成多個部分。以分離三組分隔板塔(如圖1)為例，在塔體內部放置一塊豎直塔板將塔體分成6個 部分：公共精餾段(隔板上側)、公共提餾段(隔板下側)、預分餾部分上下段(隔板左側進料位置上下部分)和側線采出上下段(隔板右側采出位置上下部分)。其中，隔板左側預分餾塔段又稱為副塔，公共精餾段、公共提餾段及側線采出段合稱為主塔。傳統精餾分離過程，單個精餾塔僅實現雙組分的分離，即分離三個組分需要兩個塔串聯(如圖2，其中2a和2b分別代表直接序列和間接序列)。與傳統精餾分離工藝相比，隔板精餾塔分離工藝具有明顯的優勢，如減少設備投資和占地面積。此外，隔板塔可以有效避免中間組分返混，提高熱力學效率，大大節省能耗[1-2]。隨著能源、環境及土地問題的凸顯，隔板精餾技術逐漸走進人們的視野，且越來越受到工程師及研究學者的關注[1-8]。目前，該技術也越來越受到國內研發設計單位的關注[9-15]，且先后在2016年、2017年分別在長沙和天津舉辦隔板精餾技術專題交流會。

文獻[16]曾報道過Petlyuk塔的多定態特性，指出在滿足產品純度的要求下，固定回流比和塔釜產品流率，存在兩組內部耦合流股滿足要求。關于隔板塔內部多重定態特性(輸入多定態，即相同的進料和出料對應多組內部分氣比、分液比滿足產品純度分離要求)，Wang課題組[17-19]進行了系列研究，并探索出多解尋找的簡捷方法和首次提出將多定態現象引入到設計流程中。回流比是精餾操作中的重要參數，其取值的好壞直接影響到設備參數及操作能耗。同時，不同操作穩態(除內部分氣比、分液比外，其它參數均相同)對隔板塔內部水力學影響不同，直接影響到對外部擾動的抗性強弱。因此，該文借助Aspen流程模擬軟件來系統分析回流比對多穩態數目的影響。

圖1 隔板塔Fig.1 Dividing wall column

a,b分別代表直接序列和間接序列圖2 雙塔串聯分離工藝Fig.2 Two-column series module

1 簡捷設計

本文選擇正戊烷-正己烷-正庚烷三組分物系，進料條件為：總物質流 F=100kmol/hr, 正戊烷：正己烷：正庚烷=3:4:3(摩爾比)，進料壓力為1atm，飽和液相進料，常壓操作。產品純度要求：塔頂產品中正戊烷、側線中正己烷和塔釜產物中對正庚烷的摩爾分數分別為為95%，90%，95%。借助于Aspen Plus流程模擬軟件，采用三塔模型[20]對該分離物系進行簡捷設計(如圖3)。

圖3 三塔簡捷設計模型Fig.3 Shortcut method using three-column module

得到簡捷設計結果如表1所示。

表1 簡捷設計結果Tab.1 Values from shortcut method

由于塔板數及進料位置均為整型參數，對 塔板參數進行取整計算且隔板兩側塔板數目取相等，得到隔板塔參數如圖4所示。

2 回流比對多穩態數目的影響

本節基于第一部分得到的隔板塔初始參數，進行隔板塔嚴格模擬，分析回流比對多穩態解數目的影響。多解尋找方法采用Wang[18]提出的方法，該方法簡單快捷，具體操作如下：

利用Aspen Plus的靈敏度分析模塊，在回流比、側線采出、塔釜采出及設備參數不變條件下，分析塔頂苯、側線采出甲苯及塔釜采出二甲苯隨分氣比和分液比變化情況。然后利用Origin軟件中等高線圖模塊得到滿足目標產品要求的分氣比、分液比數值即：Z1=f1(x, y), Z2=f2(x, y), Z3=f3(x, y),其中Z1代表塔頂產品中苯的摩爾分數，Z2代表側線產品中甲苯摩爾分數，Z3代表塔釜產品中二甲苯的摩爾分數。最后，根據Z1，Z2，Z3三條曲線的交點個數判斷穩態解數目情況。

采用隔板塔四塔等效模型(如圖5)進行模擬分析研究。四塔模塊中的精餾塔均選用Aspen Plus中的嚴格模塊(RadFrac模塊)：1個提餾塔T4(不含冷凝器)、2個平行吸收塔T2和T3(不含再沸器和冷凝器)和1個精餾塔T1(不含再沸器)；其中，T1,T2,T3和T4分別等效隔板塔的公共精餾段、隔板左側預分餾段、隔板右側側線采出段和隔板公共提餾段。物性方程選擇Chao-Sea. 參數如下：公共精餾段共3塊塔板；預分餾段10塊塔板，第5塊為進料板(以預分餾段為基準)；側線采出段10塊塔板，第8塊采出側線(優化參數，以主塔為基準)；公共提留段共7塊塔板。

圖4 隔板塔初始參數Fig.4 Initial parameters of DWC

圖5 隔板塔的等效四塔模型Fig.5 Four section model for DWC

采用Aspen Plus中的靈敏度分析模塊，并借助等高線圖法得到多穩態解數目隨回流比變化的趨勢如圖6所示。

圖6 多穩態解數目隨回流比的變化

Fig.6 The number of multiple-steady states vary with reflux ratio

由圖6可知，隨著回流比變化，多穩態解的數目也隨之變化。RR=4.5時，存在四組解(A,B,C,D四點)。隨著回流比增大，D點逐漸消失，變為三組解(RR=6)，回流比繼續增大，D點逐漸消失,變為兩組(RR=20)，回流比繼續增大，由變化趨勢可以判斷A、D兩點也會逐漸先后消失,即當回流比達到一定數值后，單純調節分氣比、分液比(其它參數固定不變)不能達到產品純度分離要求；RR<0.45，隨著回流比減小，多穩態解數目也逐漸減少，達到最小回流比后，單純調節分氣比、分液比(其它參數固定不變)不能達到產品純度分離要求。

3 結論

本文對隔板塔中存在的多重定態特性進行簡單分析，并分析不同回流比對多穩態解數目的影響。通過分析多穩態解數目隨回流比取值變化趨勢，可以發現，隨著回流比的變化，滿足產品分離純度的內部耦合流股(分氣比和分液比)的組合數目隨之變化，即存在四組、三組、兩組、單組解、無解等。回流比直接影響到分流操作費用，而內部耦合流股不同組合又會影響到隔板塔體內部流場分布等。總而言之，本文研究可為后續隔板精餾塔設計優化的進一步深入研究提供一種新思路。