隔壁塔在分離三元及共沸混合物中應用的研究進展

王 旭，武海濤，劉甜甜，潘 麗，馮 翀，梅 雪，劉勇軍，黃 偉,3

（1. 太原理工大學 省部共建煤基能源清潔高效利用國家重點實驗室，山西 太原 030024；2. 華陽集團碳基合成材料研發中心，山西 太原 030032；3. 山西浙大新材料與化工研究院，山西 太原 030024）

精餾是現代化工重要的分離手段，也是整個化工行業中能耗最大的操作單元。據統計，分離能耗約占整個化工生產總能耗的40%~70%，而其中95%的能耗來自精餾單元[1]。隨著我國“30·60”雙碳目標的提出，開發新的節能技術以降低精餾過程能耗成為相關領域學者研究熱點，認為節能提效是我國實現“碳達峰、碳中和”的首要選擇。特別是在化石能源日益短缺的今天，以變革節能方式推動能源高質量發展將為我國的經濟與環境帶來深遠影響。

精餾過程由于需要對混合液重復進行蒸發和冷凝，輕、重組分分別在氣相和液相富集，因此存在能耗高、效率低的問題。20 世紀90 年代，STANKIEWICZ等[2]提出過程強化技術，其目的是在解決高能耗、高污染問題的同時增加化工生產的可操作性和安全性。而熱耦合精餾塔[3]中的氣、液物流通過主塔與副塔之間的雙向連接，實現了物料與熱量的直接耦合，是過程強化技術在精餾領域的應用，即精餾強化。精餾強化亦可通過采用新工藝或高效率、低耗能的設備來實現，例如多效精餾[4-6]以多塔代替單塔，使能位高的塔頂蒸汽為能位低的塔底再沸器加熱，蒸汽在供熱的同時給自身降溫，即充分利用冷熱介質之間過剩的溫差，從而達到節能的目的；精餾強化還可以通過優化操作條件來實現，例如選擇適宜的回流比和操作壓力等工藝參數以及選擇合適的進料位置和進料狀態等[7]；此外，在精餾過程中引入能量分離劑如微波場、超重力場和超聲場等外場能量來提高過程的生產效率，縮短過程時間，也是精餾強化的一種手段[8]。近年來，隨著工程專業技術的開發及計算機技術的發展，精餾強化與節能技術在基礎理論、關鍵技術和裝備等方面均取得了顯著的進步。

作為新型的精餾強化技術，分隔壁精餾塔（隔壁塔）是熱耦合精餾塔的一種特殊類型，起初由LUSTER提出用于裂解氣的分離并申請了一項美國專利[9]，后來WRIGHT[10]提出了用途更為廣泛的一般意義上的隔壁塔概念。從1985 年世界上首套隔壁塔工業分離裝置由德國 BASF 公司搭建并投入使用以來，隔壁塔工業分離裝置也已超過100 座，在分離領域的應用也越來越廣泛。但國內關于隔壁塔的專利很少，且研究結果基本停留在基礎研究階段，也幾乎沒有工業應用的相關報道。研究表明，與傳統精餾塔相比，隔壁塔在多組分分離過程中節能在30%以上，對于部分特殊物系的分離，甚至可節能50%~60%；此外，由于隔壁塔集主塔和副塔于一體，故而還可節省40%的設備占用空間以及約30%的投資費用[11-12]。因此，隔壁塔能克服傳統多效精餾和熱泵精餾等精餾強化方面的不足。

本文闡述隔壁塔的分離原理；重點綜述目前3 種不同類型（分隔壁在中部、頂部和底部）隔壁塔——隔壁精餾塔、萃取精餾隔壁塔和共沸精餾隔壁塔在分離三元及共沸混合物中應用的研究進展，以及反應精餾與隔壁塔技術相結合的反應精餾隔壁塔在反應精餾一體化中應用的研究進展；通過典型物系，對比分析隔壁塔技術和傳統精餾技術在節能降耗、減少操作費用和降低年度總費用方面的優勢；最后指出目前隔壁塔發展中存在的問題以及未來可能的發展趨勢。

1 隔壁塔分離原理

隔壁塔是在普通精餾塔的內部垂直放置一塊隔板，隔板將精餾塔內部分隔成公共精餾段和公共提餾段、預分餾段和側線精餾段。隔壁塔示意如圖1所示[13]。

圖1 隔壁塔示意[13]Fig. 1 Schematic diagram of dividing wall column[13]

精餾塔中隔板的設置實現了雙塔的分離功能，使三元混合物的分離可以在單塔內進行，三元混合物從預分離塔中間進料，在預分餾段，輕組分A和部分中間沸點組分B上移至公共精餾段，剩余部分B和重組分C下移至公共提餾段；隨后，A和B在公共精餾段進行二次分離，而B和C也同時在公共提餾段進行二次分離，最終輕組分A在塔頂采出，中間沸點組分B在側線采出，重組分C則在塔釜采出。可以看出，隔壁塔只需要1 個精餾塔、1 個再沸器和1 個冷凝器就可以實現三元混合物的分離，其較常規流程具有能耗低、設備投資少以及占地面積小等優點。此外，從隔壁塔側線位置及時采出高含量的中間沸點組分，避免了中間沸點組分的返混和能效的損失，減少設備投資的同時降低了能耗[14]。隔壁塔已廣泛應用于各類混合物的分離，其作為精餾過程強化的有效手段，也應用于一些特殊精餾過程，如反應精餾隔壁塔、共沸精餾隔壁塔以及萃取精餾隔壁塔[15]。

2 隔壁塔應用的研究進展

隔壁塔根據隔板在塔身的軸向位置，將隔板在中間、頂部和底部的隔壁塔分別稱為隔壁精餾塔、隔壁側線精餾塔（萃取精餾隔壁塔）以及隔壁側線提餾塔（共沸精餾隔壁塔）；將反應精餾與隔壁塔兩種過程強化技術相結合，則為反應精餾隔壁塔[16]。本節主要介紹隔壁塔技術在三元混合物、二元共沸物混合物以及醇-水混合物分離中應用的研究進展。

2.1 隔壁精餾塔在分離三元混合物中應用的研究

三元混合物如混合烯烴、醇、芳烴以及胺類等一般采用隔板位于中間位置的隔壁精餾塔進行分離。

葉青等[17]采用Aspen Plus軟件模擬了隔壁精餾塔分離乙醇-正丁醇-正己醇的三元混合物并與實驗結果進行比較。結果顯示，模擬數據與實驗結果相吻合；相比常規雙塔流程，達到相同的分離效果，采用隔壁精餾塔更節能；當乙醇、正丁醇及正己醇進料的物質的量之比為1:3:1 時，可節能25.9%，且中間沸點組分占比越高，節能效果越好。周由之等[18]為完善CO加氫制混合醇工藝，采用隔壁塔技術和雙效精餾相結合的方式分離中試級別產量的混合醇。模擬結果顯示，采用低壓-常壓逆流雙效精餾方式能耗最低，僅為多塔序列能耗的51.4%；動態控制顯示溫度-組成的串級控制策略DB/LSQR在面對流量干擾時，調節時間最短和最大質量偏差最小[19]。

錢春健等[20]設計并搭建了小試隔壁精餾塔用于分離苯、甲苯和二甲苯三元分混合物，同時考察了回流比、進料速率、組成及回流液在預分餾段與側線精餾段的分配比等因素對分離效果的影響。結果表明，當總進料速率為1.1 mL/min、V(苯):V(甲苯):V(二甲苯) = 1:3:1、回流比為6:1 以及回流液在預分餾段與側線精餾段的分配比為1:2 時具有最佳的分離效果，此時塔釜中只有二甲苯，塔頂采出的苯和側線采出的甲苯的質量分數分別達94.9%和96.4%。李軍等[21]采用隔壁精餾塔分離二甲苯時，以再沸器負荷和年操作費用為目標，獲得了最優的工藝操作參數，相比常規工藝，隔壁精餾塔節能29.5%，年操作費用減少28.7%；此外，該團隊還進行了動態控制方面的模擬，結果顯示，溫度-組成串級控制的效果最優，調節時間最短至2.97 h，最大摩爾偏差最低僅至0.0015[22]。

在烯烴和烷烴分離方面，葉青等[23]在自制的隔壁精餾塔小試裝置上進行了正己烷-正庚烷-辛烷三元混合物的分離實驗研究。結果表明，當進料位置和出料位置均在隔壁精餾塔中間且回流比為5、液體分配比為1 時，塔頂采出的正己烷、側線采出的正庚烷和塔釜采出的辛烷的質量分數分別可達99.72%、95.48%和96.80%，與常規精餾塔相比，側線和塔釜采出物純度更高，這和Aspen Plus軟件模擬結果相一致。此外，有研究者將隔壁精餾塔用于甲醇制烯烴產品的分離，得到質量分數為99.99%的聚合級乙烯和99.80%的聚合級丙烯，表明隔壁精餾塔用于烯烴的分離也是可行的，這為工業應用提供了有力證據[24]。

此外，隔壁精餾塔用于醇-水[25]、胺類[26]、裂解汽油[27]以及氯烷烴[28]等體系的分離研究結果顯示，采用隔壁精餾塔工藝分離三元混合物比傳統的雙塔工藝在節約能耗、減小操作費用和降低年度總費用方面均具有明顯優勢。然而，分離體系不同，隔壁精餾塔所用的控制結構也不同，目前尚缺乏統一的且被廣泛接受的控制方案。另外，隔壁精餾塔氣流的分配和穩定控制是個復雜問題，有待解決。

2.2 萃取精餾隔壁塔在分離二元共沸混合物中應用的研究

萃取精餾隔壁塔內部被分為萃取精餾段、精餾回收段以及公共提餾段3 個區域，如圖2[29]所示。輕組分A和組分B組成的共沸混合物和萃取劑C分別從萃取精餾段的中部和上部進料，在萃取精餾段的頂部得到輕組分A，精餾回收段頂部得到組分B，萃取劑C則從塔底得到并回收循環利用。萃取精餾隔壁塔將溶劑回收和萃取精餾過程集中在一個塔中，利用單塔達到傳統萃取精餾雙塔的分離效果，且含量較高的組分可進入側線精餾段進一步提純，不需經歷返混后再分離，理論上該工藝可節省1 個再沸器，因而可在有效降低能耗的同時減少設備投資。

圖2 萃取精餾隔壁塔示意[29]Fig. 2 Schematic diagram of extractive dividing wall column[29]

LUYBEN[30]將萃取精餾與隔壁塔技術相耦合設計出萃取精餾隔壁塔，與傳統萃取精餾工藝進行了動力學比較并驗證了其可行性。KISS團隊創新性地提出了將萃取精餾隔壁塔和共沸精餾隔壁塔用于生物乙醇脫水分離的新工藝，并證明了其在技術上是可行的，分離得到的乙醇質量分數超過99.8%，利用萃取精餾隔壁塔對乙醇進行一步脫水，與傳統的萃取精餾和共沸精餾相比，萃取精餾隔壁塔新工藝可節省10%~20%的能耗[31-32]。葉青等[33]利用萃取精餾隔壁塔對醋酸水溶液進行分離，模擬結果也驗證了新工藝的可行性，相比于常規的雙塔萃取精餾，萃取精餾隔壁塔在節省設備投資的情況下節能23.9%。金彪等[34]以乙二醇為萃取劑分別對甲醇-碳酸二甲酯的共沸物進行單塔、雙塔以及隔壁塔萃取，對比發現，雙塔萃取能夠在順利完成分離的同時回收得到損失的萃取劑用量，而單塔模式不能達到共沸物分離的目的，萃取精餾隔壁塔在獲得更高純度的甲醇和碳酸二甲酯的同時，乙二醇回收率接近100%。秦繼偉等[35]為防止萃取劑受熱分解，在利用萃取精餾隔壁塔對苯-環己烷進行分離時，往萃取劑環丁砜中加入助溶劑鄰二甲苯，在最佳的工藝條件下，得到的環己烷和苯的質量分數分別為97.15%和96.23%，獲得的萃取精餾隔壁塔的相關參數為進一步裝置改進提供了依據。

此外，萃取精餾隔壁塔相比于變壓精餾也具優勢。李喬等[36]以鄰二甲苯為萃取劑分離三甲氧基硅烷和甲醇的共沸物。結果表明，萃取精餾隔壁塔較變壓精餾年度總費用降幅高達50%以上，?效率顯著提升的同時CO2減排達43%。

萃取精餾隔壁塔在Aspen Plus軟件中的模擬主要基于如圖3(a)所示的雙塔模型來進行，優點是容易控制。為了開展動態控制方面的研究，研究者一般采用如圖3(b)所示的三塔模型來完成。

圖3 萃取精餾隔壁塔雙塔(a)和三塔(b)等效模型[37]Fig. 3 Equivalent models of two-column (a) and three-column (b) of extractive dividing wall column[37]

彭家瑤等[37]在動態控制中針對萃取精餾隔壁塔靈敏板選擇困難等問題進行研究，發現有氣相分配比的控制器可以縮短達到穩態的時間，而采用無氣相分配比的控制結構時通過選擇合適的靈敏板，同樣能夠在短時間內達到穩態，鑒于工業生產中對萃取精餾隔壁塔氣相分配比的控制較為困難，無氣相分配比的控制結構更適合工業應用，這可為萃取精餾隔壁塔的工業推廣提供一定的理論指導。王曉紅等[38]針對乙酸乙酯-乙腈共沸體系提出采用萃取精餾隔壁塔三塔模型進行分離研究，比較萃取劑的無限稀釋活度系數值后選用二甲基亞砜為萃取劑。模擬結果顯示，萃取精餾隔壁塔工藝在年操作費用、設備投資和年總費用分別可節省8.3%、22.1%和13.1%，表明通過將萃取劑和原料進行換熱，可進一步減少能耗。WANG等[39]在研究中指出，萃取精餾隔壁塔采用一個溫度控制點可以補償進料干擾，但不能很好地控制產品純度。而溫度+成分控制策略可保持產品的高純度。如WANG等[40]在研究中提出溫度+成分串聯控制來穩定溫度波動的策略，該策略能處理干擾，可以很好地保持產品純度；其同時指出，部分熱集成變壓精餾對大范圍的干擾有較好的響應，對動態控制研究參考意義較大。

總之，萃取精餾隔壁塔能充分發揮隔壁塔的優勢，相比萃取精餾塔，其在設備投資、年總費用及CO2減排中更具優勢，但現階段氣相分配比難以達到精準控制。此外，萃取精餾隔壁塔要求全部精餾過程都必需在同一壓力下進行，而萃取劑一般都是高沸點的，若在常壓下萃取劑再生可能引起被分離物質或溶劑本身的質變，且不能用蒸汽加熱，需要用導熱油或熔鹽做加熱介質，熱量成本大大提高，這也使萃取精餾隔壁塔的推廣受到一定限制。

2.3 共沸精餾隔壁塔在分離二元醇-水混合物中應用的研究

共沸精餾與萃取精餾原理基本相同，均屬添加劑精餾，區別在于添加劑在精餾過程中所起的作用不同。共沸精餾的添加劑為共沸劑，與待分離混合物中的一種組分形成新共沸物，通過精餾進行分離。共沸精餾的共沸劑需要與待分離組分形成共沸物，因此共沸劑相比萃取劑選擇范圍更小。

傳統共沸精餾塔與共沸精餾隔壁塔示意如圖4 所示[41]。共沸精餾隔壁塔采用共沸精餾與隔壁塔技術相結合，其特點是隔板延伸至精餾塔底部（圖4(b)）。相比于傳統共沸精餾塔（圖4(a)），共沸精餾隔壁塔塔頂只需要一個冷凝器，但塔釜需要兩個再沸器。其中，區域1 是公共精餾段，為隔壁塔的分離提供液相回流；區域2 原料組分與共沸劑形成沸點更低的新共沸物，分離出的目標產物從塔底得到；區域3 即側線精餾段，在底部得到含有少量共沸劑的產品。由于共沸精餾隔壁塔將共沸精餾與隔壁塔技術相結合，減輕了分離過程中的返混現象，在減少設備投資的同時節省了能耗，其主要應用于醇類脫水分離。

圖 4 傳統共沸精餾塔(a)及共沸精餾隔壁塔(b)示意[41]Fig. 4 Schematic diagram of azeotropic distillation column (a) and azeotropic dividing wall column (b)[41]

早在 2001 年，MIDORI等[42]就提出將共沸精餾隔壁塔用于分離乙醇和水的混合物，實驗證實，以環己烷為共沸劑，將質量分數為90%的乙醇-水混合物脫水可節省7%的能耗。SUN等[43]也以環己烷為共沸劑，采用共沸精餾隔壁塔工藝模擬乙醇脫水，由于消除了乙醇的返混，熱效率有所提升，年總費用減少35%，節能達到42%。KISS等[32]也驗證了以環己烷為共沸劑對乙醇進行脫水是可行的，但用正戊烷為共沸劑分離效果更好，同時共沸精餾隔壁塔相比傳統的共沸精餾塔可節能20%。

王曉紅等[44]用乙酸乙酯代替毒性較強的苯為共沸劑進行正丙醇脫水實驗，結果顯示，由于共沸精餾隔壁塔所需設備和熱公用工程較少，其相比傳統的共沸精餾塔在節能降耗方面的優勢十分顯著。模擬顯示，共沸精餾隔壁塔新工藝在分離正丙醇-水共沸物時較傳統共沸精餾的設備費用、年總費用和年操作費用分別可降低52%、65%和70%。作者進一步對比了正丙醇脫水共沸精餾和萃取精餾隔壁塔工藝的經濟性[45]，結果顯示，兩種隔壁塔工藝均可達到正丙醇脫水的目的，共沸精餾隔壁塔設計費用相對萃取精餾隔壁塔高出6%，但前者的年總費用和年操作費用可分別減少17%和28%，為相關工業生產過程提供了重要參考。此外，作者還針對正丙醇脫水過程能耗大的問題，設計了減壓共沸精餾和共沸精餾隔壁塔工藝[46]，前者在面對進料變化時響應更快，對進料±20%擾動可以進行有效控制，而后者在節能方面則更具優勢。

BRIONES-RAMíREZ等[47]選用異丙醇-水-丙酮體系進行了共沸精餾隔壁塔的可行性研究，提出了設計優化方案，并通過Aspen Plus采用多目標遺傳算法進行優化，得到降低50%的節能效果。

李靜等[48]以苯為共沸劑進行共沸精餾隔壁塔工藝用于烯丙醇脫水研究，并對熱泵精餾工藝和共沸精餾隔壁塔工藝年總費用進行對比，發現共沸精餾隔壁塔工藝年總費用節省約17%；而熱泵精餾工藝前期投資大，年總費用節省不明顯，但會隨回收期延長而增加，在第9 年時年總費用節省額度超過共沸精餾隔壁塔工藝。因此，共沸精餾隔壁塔工藝在回收期較短時更經濟，研究結果為工業應用提供了參考。LIU等[49]將熱泵精餾工藝應用于反應精餾隔壁塔和共沸精餾隔壁塔，結果也證實了該工藝操作費用低、投資費用高，更適合于長遠投資。

綜上，共沸精餾隔壁塔在節能方面相比共沸精餾具有優勢，其中的液相分配比較氣相分配比更易于控制。對于共沸精餾隔壁塔工藝的限制主要是共沸劑的選擇，不同的共沸劑對分離系統的影響差異較大。

2.4 反應精餾隔壁塔在反應精餾一體化中應用的研究

反應精餾隔壁塔概念于2004 年由MUELLER等[50]提出，其核心是將反應過程與精餾過程相結合（圖5），在反應過程中及時通過精餾將生成物分離出去，使平衡反應能夠向正反應方向持續進行，因此能夠提高轉化率。此外反應精餾隔壁塔結合了隔壁精餾塔和反應精餾兩者的優點，大幅簡化了工藝流程和減少了設備投資；同時，由于在反應中可以將產物及時分離出去，避免了共沸物的形成，提高了分離效果，近幾年該精餾強化技術也得到了迅速發展。

圖5 反應精餾塔(a)與反應精餾隔壁塔(b)示意[51]Fig. 5 Schematic diagram of reactive distillation column (a)and reactive dividing wall column (b)[51]

KISS等[52]將反應精餾隔壁塔用于二甲醚合成，其有效地將反應精餾裝置與隔壁塔技術集成在一個塔內，集成系統生成的二甲醚純度高達99.99%；相比于傳統的反應精餾工藝，該工藝節省能耗12.58%，降低60%的CO2排放，減少30%的設備投資，具有良好的經濟效益。SANDER等[53]首次將反應精餾隔壁塔技術應用于乙酸甲酯水解并證明了其可行性，新工藝除了減少設備投資外，還可最大限度地減少甲醇和乙酸生成乙酸甲酯的副反應，并有望將其拓展到反應精餾產物為中間沸點組分的其它所有過程。王紅星等[54]提出用反應精餾隔壁塔合成碳酸甲乙酯，通過建立動力學模型，確保了該工藝流程模擬的準確性；同時，作者還進行了小試實驗，確定了主要的最佳工藝參數。結果表明，相比傳統流程，新工藝冷凝器和再沸器負荷分別降低了40.8%和59.6%。陳夢琪等[55]以反應精餾隔壁塔合成乙酸正丁酯工藝為例，以年總費用為目標函數進行了工藝參數優化，同時對控制策略進行了研究。結果表明，將反應物按比例進料，可有效維持系統穩定；無再沸器熱負荷與進料量比值的控制結構的反應精餾隔壁塔，在降低控制超調量方面效果更顯著。

此外，研究表明，將反應精餾隔壁塔技術用于甲醛-甲醇縮合制甲縮醛[56]、乙酸甲酯酯交換[38]等反應也具有明顯降低能耗、減小設備投資的優勢。然而，由于反應精餾隔壁塔的高度集成性，控制結構也更為復雜，導致其實驗研究較少，工業應用也受限，這也是制約反應精餾隔壁塔技術發展的關鍵所在。因此開展反應精餾隔壁塔控制結構的研究，對于實現廣泛的工業應用具有重要意義。

3 結語

在精餾分離領域，盡管傳統多塔精餾能耗高、占地面積大，但經過多年的發展已趨于成熟，且設計和控制較隔壁塔更加簡單，因此在工業生產中得到廣泛使用。然而隨著能源危機加劇以及我國“30·60”雙碳目標的提出，高能耗、高污染的傳統化工與社會發展趨勢已然格格不入，化工企業急需轉型，節能提效是轉型發展的關鍵。隔壁塔技術作為一種新型的分離強化手段應用于精餾過程具有顯著的節能降耗優點。本文重點闡述了目前3 種不同類型隔壁塔——隔壁精餾塔、萃取精餾隔壁塔和共沸精餾隔壁塔在分離三元及共沸混合物應用的研究進展以及反應精餾隔壁塔在反應精餾一體化中應用的研究進展；通過典型物系對比分析了隔壁塔精餾技術和傳統精餾技術在節能降耗、減少操作費用和降低年度總費用方面的優勢。隔壁塔有望發展成為替代傳統精餾技術分離多元共沸混合物的新工藝。

由于隔壁塔自由度較多，各自由度參數之間又相互交錯，使得其控制方案比傳統精餾過程更復雜，且由于缺乏對氣液相分配比的精準控制，產品質量受到明顯影響；此外，軟件模擬結果和實際過程之間差異較大，無法反映真實情況。這些都成為制約隔壁塔發展的重要因素。限制隔壁塔工業應用的另一項因素是隔壁塔的設計。在對隔壁塔進行設備設計和搭建時，隔板的安裝位置、形態、結構以及材質選擇均是需要考慮的因素；此外，隔壁塔內部的各項元件參數也沒有現成的規范可循，且要考慮塔內氣、液相分布以及流體力學對精餾過程的影響，導致設計工作量和難度大大增加，因此研究者們要推廣隔壁塔的應用必須在流體力學、設備細節上做大量工作。同時需要指出的是，當前對各類隔壁塔的模擬研究均采用熱力學等效模型，該模型忽略了隔壁塔隔板間的傳熱影響，因此需要開發能夠涉及隔板間傳質和傳熱的模型，并對隔壁塔內部的熱能分布規律進行分析，進而為參數優化和結構設計提供理論依據。

盡管近年來我國在隔壁塔技術理論和應用研究方面已取得長足進展，但大多還處于實驗室的基礎研究階段，工業應用被世界上少數幾個寡頭公司壟斷，很容易被“卡脖子”。因此未來我國隔壁塔技術的工業化應用需要依靠交叉學科的發展，利用人工智能技術進行過程強化，開發自有模擬軟件和專用控制方案，搭建實驗裝置開展動態控制研究，突破關鍵技術瓶頸，助力我國順利完成“雙碳”目標。