通過調(diào)整進(jìn)出料熱狀況消除隔離壁精餾塔的黑洞

焦英杰，黃克謹(jǐn)

（北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029）

通過調(diào)整進(jìn)出料熱狀況消除隔離壁精餾塔的黑洞

焦英杰，黃克謹(jǐn)

（北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029）

隔離壁精餾塔在同時(shí)控制4個(gè)質(zhì)量指標(biāo)（塔頂、側(cè)線、塔底產(chǎn)品濃度以及側(cè)線采出雜質(zhì)比）時(shí)會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)與操作黑洞，黑洞的產(chǎn)生對(duì)隔離壁精餾塔的應(yīng)用范圍帶來很大的限制。本文提出了一種通過調(diào)整進(jìn)料和側(cè)線采出的熱狀況對(duì)隔離壁精餾塔的黑洞進(jìn)行填補(bǔ)的策略。這兩個(gè)操作變量通過對(duì)全塔熱平衡的影響，改善預(yù)分離塔與主塔之間的耦合關(guān)系，進(jìn)而改善兩者分離能力并最終消除黑洞，同時(shí)改善了隔離壁精餾塔的動(dòng)態(tài)特性。針對(duì)進(jìn)出料熱狀況的調(diào)整，本文結(jié)合牛頓法給出了簡(jiǎn)單的調(diào)整規(guī)則，調(diào)整會(huì)形成3種不同的方案，為不同能量供應(yīng)條件下填補(bǔ)隔離壁精餾塔的黑洞提供了可能。通過使用Aspen Plus模擬理想三元物系分離，對(duì)黑洞填補(bǔ)方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)驗(yàn)證，證明采用調(diào)整進(jìn)出料熱狀況的方法可以有效的填補(bǔ)隔離壁精餾塔的設(shè)計(jì)與操作黑洞并使其動(dòng)態(tài)特性得到改善。本文所提出的方法完善了填補(bǔ)黑洞的方法體系，增加了隔離壁精餾塔的靈活性與適應(yīng)性。

隔離壁精餾塔；蒸餾；塔器；黑洞；進(jìn)料熱狀況；四點(diǎn)控制；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Key words：dividing-wall distillation column；distillation；column；black-hole problem；feed thermal condition；four-point composition control；optimization

隔離壁精餾塔（DWDC）是一種新型的節(jié)能精餾結(jié)構(gòu)，尤其在分離三元混合物時(shí)，比常規(guī)分離方法更節(jié)能[1-4]。因?yàn)镈WDC的預(yù)分離塔與主塔之間存在耦合，所以有多個(gè)自由變量可以用于精餾塔的分離指標(biāo)控制，在已公開的設(shè)計(jì)中這些自由變量多用于3個(gè)產(chǎn)品濃度的控制，包括塔頂、側(cè)線和塔底主要產(chǎn)品（簡(jiǎn)稱三點(diǎn)控制）[5-7]。其中從主塔到預(yù)分離塔的液相分離比RL常用于調(diào)節(jié)預(yù)分離塔濃度以降低能耗[8-9]。三點(diǎn)控制中對(duì)側(cè)線采出的雜質(zhì)比不做要求，但在某些情況下，如輕重組分相對(duì)中間組分更珍貴或者出于環(huán)境要求，需要對(duì)側(cè)線采出中的雜質(zhì)進(jìn)行控制，這就構(gòu)成了四點(diǎn)控制。

1995年，Wolff和Skogestad[10]首先發(fā)現(xiàn)，按照三點(diǎn)控制或四點(diǎn)控制要求設(shè)計(jì)出DWDC，在可能出現(xiàn)最佳操作點(diǎn)的操作區(qū)間上會(huì)出現(xiàn)無解的情況，即“Hole”。通常為了避開無解的情況會(huì)改變側(cè)線產(chǎn)品規(guī)格或調(diào)整雜質(zhì)比，還可能通過調(diào)整氣液相分離比選取遠(yuǎn)離黑洞的操作點(diǎn)，但這些方法無法從根本上解決黑洞問題。

已有研究中，填補(bǔ)黑洞的可行方法包括調(diào)整DWDC各塔段的塔板數(shù)、采用多股側(cè)線采出、采用多個(gè)位置進(jìn)料等方式。這些方法不僅在穩(wěn)態(tài)中消除了黑洞，還提高了DWDC的動(dòng)態(tài)可控性，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)[11-13]。這證明在設(shè)計(jì)過程中消除黑洞是提高DWDC可操作性的有效方法和重要途徑。

到目前為止，對(duì)黑洞的填補(bǔ)多數(shù)采用的是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，而通過操作參數(shù)的調(diào)整來填補(bǔ)黑洞的做法還鮮有研究，對(duì)調(diào)整操作變量填補(bǔ)黑洞的探索會(huì)使黑洞填補(bǔ)方法變得更全面且系統(tǒng)。與調(diào)整結(jié)構(gòu)變量填補(bǔ)黑洞的方法不同，調(diào)整操作變量填補(bǔ)黑洞的方法更靈活，即使在生產(chǎn)過程中，因?yàn)槲粗幕蛘弑匾牟僮鳁l件改變導(dǎo)致黑洞再次出現(xiàn)時(shí)，仍可以對(duì)進(jìn)料和側(cè)線采出熱狀況進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整以填補(bǔ)新出現(xiàn)的黑洞。在本研究中主要通過對(duì)進(jìn)料、側(cè)線采出的熱狀況進(jìn)行調(diào)整以消除四點(diǎn)控制下DWDC的設(shè)計(jì)與操作黑洞。

1 四點(diǎn)控制下的黑洞問題

Wolff的文章中所提的“Hole”，鑒于其出現(xiàn)的機(jī)理和原因尚未明確，本文中將其稱為“黑洞”問題[11-13]。

圖1 黑洞

黑洞的存在體現(xiàn)在再沸率V/F與汽相分離比RV（vapor split ratio）之間的關(guān)系上，如圖1所示，圖中有兩個(gè)不相交的分支，中間空白區(qū)域即為無解區(qū)，稱為黑洞，即使回流比與再沸器熱負(fù)荷不作限制，仍然達(dá)不到分離要求。

2 通過調(diào)整進(jìn)料和側(cè)線采出熱狀況填補(bǔ)設(shè)計(jì)與操作黑洞

2.1 填補(bǔ)原理

黑洞的產(chǎn)生主要是因?yàn)轭A(yù)分離塔與主塔之間不恰當(dāng)?shù)膬?nèi)部物質(zhì)耦合和能量耦合。這種耦合導(dǎo)致塔內(nèi)各段的分離能力不協(xié)調(diào)，以至出現(xiàn)非線性和多穩(wěn)態(tài)以及無解等特性。進(jìn)出料熱狀況的調(diào)整可以改變隔離壁精餾塔的內(nèi)部物質(zhì)耦合與能量耦合。如圖2所示，DWDC內(nèi)部有四股汽液相流體將預(yù)分離塔和主塔連接起來（Vpm，Lmp，Vmp，Lpm），對(duì)進(jìn)料和側(cè)線采出熱狀況的調(diào)整，會(huì)使這四股內(nèi)部汽液相流體的流量和組分構(gòu)成發(fā)生變化，進(jìn)而協(xié)調(diào)預(yù)分離塔與主塔之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)以上兩個(gè)變量的精確調(diào)整，可以使四點(diǎn)控制下DWDC的設(shè)計(jì)與操作黑洞消失，獲得更好的操作特性。

如圖2所示，進(jìn)料熱狀況（qF）的調(diào)整主要依靠預(yù)處理器（可以是預(yù)熱器或預(yù)冷器）改變進(jìn)料溫度實(shí)現(xiàn)。對(duì)于側(cè)線采出熱狀況（qS），主要通過調(diào)整側(cè)線采出的汽液相流量比實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閭?cè)線采出的汽液相均采出于同一塊塔板，所以他們本身處于平衡狀態(tài)。本研究進(jìn)料熱狀況和側(cè)線采出熱狀況的計(jì)算方法如式（1）、式（2）。

圖2 進(jìn)料、側(cè)線采出熱狀況可調(diào)整的隔離壁精餾塔

式中，Qf表示預(yù)處理器的能耗；SL表示側(cè)線采出中的液相流量；SV表示側(cè)線采出中的汽相流量。

2.2 通過調(diào)整進(jìn)料及側(cè)線采出熱狀況填補(bǔ)黑洞

本研究中，DWDC的設(shè)計(jì)要求為四點(diǎn)控制，填補(bǔ)DWDC的設(shè)計(jì)與操作黑洞主要依賴于對(duì)進(jìn)料和側(cè)線采出熱狀況的精確調(diào)整。提出的一般方案主要分為兩個(gè)步驟。

（1）對(duì)于給定初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，檢查是否存在黑洞。如Wolff所提，初始結(jié)構(gòu)是否存在黑洞體現(xiàn)在再沸率V/F與汽相分離比RV之間的關(guān)系上。

如果黑洞存在，則在V/F與RV的關(guān)系曲線上會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)不相交的分支。在此，假定：左側(cè)分支上能夠滿足分離要求的最大RV值為黑洞的下限（LB）。右側(cè)分支上能夠滿足分離要求的最小RV值為黑洞的上限（HB）。考慮V/F值過大實(shí)際不易實(shí)現(xiàn)，對(duì)V/F設(shè)定了上限值，即超過該值即認(rèn)為無合理解。根據(jù)下限LB和上限HB可以通過公式（3）、（4）計(jì)算出黑洞的寬度（WBL），以及黑洞寬度變化量（DWBL），式中i表示迭代次數(shù)。如果WBL為負(fù)[參考公式（5）]，證明黑洞消失，否則，存在黑洞。

考慮穩(wěn)態(tài)下無黑洞仍然可能因干擾使黑洞出現(xiàn)，所以檢查過程應(yīng)包括干擾下的黑洞?；旌衔镏懈鹘M分干擾都會(huì)對(duì)黑洞大小產(chǎn)生影響，其中使黑洞變化最大的干擾為主要干擾，對(duì)應(yīng)的組分稱為關(guān)鍵組分?？朔P(guān)鍵組分干擾下的黑洞才可使黑洞得到完全填補(bǔ)。

（2）填補(bǔ)穩(wěn)態(tài)黑洞。如果初始設(shè)計(jì)存在黑洞，則調(diào)整進(jìn)料和（或）側(cè)線采出的熱狀況進(jìn)行填補(bǔ)。本研究涉及兩個(gè)變量范圍為1 ＞qF＞ 0，1 ＞qS＞ 0。調(diào)整時(shí)，黑洞的洞寬指關(guān)鍵組分干擾下的洞寬，熱狀況按照步長(zhǎng)k從1向0變化。

如圖3所示，以進(jìn)料熱狀況調(diào)整為例，當(dāng)檢查到黑洞存在時(shí)，調(diào)整qF，其值減小一個(gè)步長(zhǎng)k，然后計(jì)算調(diào)整后的洞寬，若洞寬小于零，則選擇最佳操作點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，若洞寬大于零，則看黑洞是否變小，若黑洞變小則繼續(xù)調(diào)整qF，直至黑洞消失。若調(diào)整qF使洞寬變大，則結(jié)束調(diào)整，考慮其他方案填補(bǔ)。動(dòng)態(tài)驗(yàn)證若存在黑洞，則需繼續(xù)調(diào)整qF，若黑洞消失，則黑洞得到填補(bǔ)，根據(jù)TAC（total annual cost，年總耗費(fèi)）選擇最佳操作點(diǎn)，獲得填補(bǔ)黑洞后的設(shè)計(jì)。

對(duì)qS的調(diào)整，其過程與qF的調(diào)整過程相同，需要同時(shí)調(diào)整兩個(gè)熱狀況時(shí)，根據(jù)實(shí)際能量供應(yīng)情況選定qF，然后對(duì)qS進(jìn)行調(diào)整，其過程參考qF的調(diào)整。

圖3 調(diào)整進(jìn)出料熱狀況填補(bǔ)DWDC黑洞的主要步驟

TAC的計(jì)算參考Luyben給出的計(jì)算方法[14]，TAC=CI/β+OC，其中CI表示設(shè)備投資，OC表示操作費(fèi)用，β為設(shè)備折舊年限。進(jìn)料預(yù)熱的換熱器費(fèi)用包含在設(shè)備費(fèi)用中。

采用以上方法，通?？梢缘玫?種設(shè)計(jì)結(jié)果：①只對(duì)進(jìn)料熱狀況qF進(jìn)行調(diào)整以填補(bǔ)黑洞；②只對(duì)側(cè)線采出熱狀況qS進(jìn)行調(diào)整以填補(bǔ)黑洞；③同時(shí)對(duì)進(jìn)料和側(cè)線采出熱狀況進(jìn)行調(diào)整以填補(bǔ)黑洞。第一種設(shè)計(jì)方案中提高進(jìn)料溫度需要使用預(yù)處理器進(jìn)行預(yù)熱，考慮這有可能使系統(tǒng)總能耗增加，所以該方案更適用于進(jìn)料預(yù)熱能耗可忽略的情況，例如，在其他工業(yè)過程中有足夠的廢棄能量或者通過耦合可以獲得足夠的能量用于本過程預(yù)熱。第二種設(shè)計(jì)方案與第一種恰恰相反，當(dāng)進(jìn)料預(yù)熱能量費(fèi)用很高時(shí)，采用調(diào)整側(cè)線采出熱狀況的方式。第三種方案是前兩種方案相結(jié)合的結(jié)果，即在其他工業(yè)過程中可以獲得一定的能量，利用這些能量可以降低總的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，但未能很好的填補(bǔ)黑洞，需要同時(shí)對(duì)兩個(gè)熱狀況進(jìn)行調(diào)整。

本課題通過模擬理想三元物系的分離過程對(duì)以上3種情況都進(jìn)行了研究，包括穩(wěn)態(tài)特性以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)的比較。通過調(diào)整進(jìn)出料熱狀況填補(bǔ)了黑洞，并使隔離壁精餾塔的動(dòng)態(tài)特性得到改善。

3 理想三元物系（A、B、C）的分離

3.1 基本描述

在理想三元物系分離過程中，假設(shè)汽液相均處于理想狀態(tài)，其汽液相平衡方程為：

表1所示為理想物系的相關(guān)物理性質(zhì)以及分離要求，表2所示為相關(guān)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)。除主要產(chǎn)品濃度要求外，側(cè)線采出的雜質(zhì)比要求xS,A/xS,C=1。分離過程采用Aspen Plus軟件模擬，塔頂冷凝器被視為第一塊塔板，塔底的再沸器為最后一塊塔板。初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用Wang等[15]提出的一種簡(jiǎn)單的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法獲得，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖5所示為再沸率V/F和汽相分離比RV之間的關(guān)系，顯然，當(dāng)RV的取值范圍為0.54～0.61時(shí)系統(tǒng)無解，即在再沸器熱負(fù)荷、回流比不做限制時(shí)所要求的四項(xiàng)指標(biāo)仍不能同時(shí)達(dá)到，出現(xiàn)了黑洞。此時(shí)，可以通過對(duì)進(jìn)料熱狀況和側(cè)線采出熱狀況的調(diào)整對(duì)黑洞進(jìn)行填補(bǔ)。

表1 例中各組分物理性質(zhì)及分離要求

表2 例中各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)參數(shù)

圖4 初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖5 初始設(shè)計(jì)黑洞

圖6 黑洞隨qF、qS的變化

3.2 通過調(diào)整進(jìn)料和側(cè)線采出熱狀況填補(bǔ)黑洞

采用第二部分給出的調(diào)整方法，填補(bǔ)結(jié)果列于圖6中，(a)、(b)、(c)分別為只調(diào)整進(jìn)料熱狀況、只調(diào)整側(cè)線采出熱狀況和同時(shí)調(diào)整兩個(gè)熱狀況（有一定富余能量可用）的結(jié)果。詳細(xì)的結(jié)果在表3中列出，其中TAC1假設(shè)進(jìn)料預(yù)熱所需能耗可以耦合獲得，只計(jì)設(shè)備投資，且側(cè)線汽相熱量可回收利用，TAC2表示進(jìn)料預(yù)熱需計(jì)算成本，側(cè)線采出能量不回收。

從圖6(a)中可以看出，隨著qF值的減小，黑洞變小以至消失，且qF值越小對(duì)黑洞的填補(bǔ)效果越好，再沸率V/F越低，隨qF值減小，黑洞左側(cè)分支的斜率發(fā)生明顯變化，右側(cè)分支斜率變化并不明顯但產(chǎn)生了移動(dòng)，使兩分支交叉消除了黑洞，qF值減小增大了進(jìn)料預(yù)熱所需的能耗。如圖6(b)所示，qS=0.47時(shí)可以填補(bǔ)黑洞，在qS從1向0.47變化時(shí)，主要為黑洞上限HB在變化，黑洞變小，qS從0.47向0變化時(shí)，主要為黑洞下限LB在變化，洞寬變大，黑洞會(huì)再次出現(xiàn)，變化過程中兩個(gè)分支的斜率都會(huì)發(fā)生有利變化，可見調(diào)整過程中，需謹(jǐn)慎決定qS的值。同時(shí)調(diào)整qF和qS的結(jié)果示于圖6(c)中，此種方法兼具了以上兩者的特點(diǎn)。3種情況均能對(duì)黑洞進(jìn)行有效填補(bǔ)。

3.3 閉環(huán)動(dòng)態(tài)評(píng)估

評(píng)估使用的是Aspen Dynamics軟件搭建的模型，采用圖7所示的離散控制結(jié)構(gòu)[16-17]。液位采用比例控制器進(jìn)行控制，其他控制變量采用比例積分控制器，參數(shù)整定采用的是Tyreus-Luyben整定法[13]。

圖7 DWDC的控制結(jié)構(gòu)

圖8所示為進(jìn)料流量出現(xiàn)±10%階躍擾動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的閉環(huán)響應(yīng)情況。（a1）和（a2）、（b1）和（b2）、（c1）和（c2）分別為只調(diào)整qF、只調(diào)整qS和同時(shí)調(diào)整qF、qS時(shí)對(duì)應(yīng)的塔底組分濃度摩爾分?jǐn)?shù)變化和側(cè)線采出雜質(zhì)比變化。從圖8中可以看出，初始情況下，給定+10%階躍干擾時(shí)，塔底產(chǎn)品濃度和側(cè)線采出的雜質(zhì)比無法同時(shí)達(dá)到要求，在大約第15h兩個(gè)指標(biāo)同時(shí)發(fā)生的變化，說明這兩個(gè)指標(biāo)存在競(jìng)爭(zhēng)，在當(dāng)前分離條件下難以同時(shí)滿足，這種情況的出現(xiàn)是因?yàn)橄到y(tǒng)存在黑洞。但黑洞填補(bǔ)之后的設(shè)計(jì)不存在此類問題。

圖9所示為進(jìn)料混合物中組分A（關(guān)鍵組分）出現(xiàn)±10%階躍擾動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的閉環(huán)響應(yīng)情況。（a1）和（a2）、（b1）和（b2）、（c1）和（c2）分別為只調(diào)整qF、只調(diào)整qS和同時(shí)調(diào)整qF、qS時(shí)對(duì)應(yīng)的塔底組分濃度變化和側(cè)線采出雜質(zhì)比變化。動(dòng)態(tài)評(píng)估時(shí)，進(jìn)料中其他兩個(gè)組分比例與穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)保持一致，即xB/xC=1。從圖9所示結(jié)果可以看出，當(dāng)A組分出現(xiàn)-10%階躍干擾時(shí)，塔底產(chǎn)品濃度和側(cè)線采出雜質(zhì)比兩個(gè)指標(biāo)形成競(jìng)爭(zhēng)，這與流量干擾的影響結(jié)論是一致的，而經(jīng)過填補(bǔ)之后，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)比初始設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加平穩(wěn)。其他組分干擾也有相同結(jié)論。各種最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)結(jié)果見表3。

表3 各種最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)結(jié)果

通過對(duì)初始設(shè)計(jì)和最終設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)評(píng)估，說明填補(bǔ)黑洞可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

4 討 論

從動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以看出，塔底產(chǎn)品的濃度與側(cè)線采出產(chǎn)品的雜質(zhì)比之間存在競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)主塔的提餾段和隔離壁兩側(cè)塔段的分離能力協(xié)調(diào)不合理時(shí)，就難以同時(shí)滿足兩個(gè)指標(biāo)要求。當(dāng)RV值較小時(shí)，更多的上升蒸汽流向了主塔側(cè)，主塔一側(cè)的分離能力高，相反，RV值較大時(shí)，上升蒸汽多流向預(yù)分離塔，預(yù)分離塔一側(cè)的分離能力高。如此在曲線上形成了兩個(gè)分支。對(duì)進(jìn)料和側(cè)線采出熱狀況的調(diào)整正是對(duì)這兩個(gè)塔段的分離能力進(jìn)行了干涉，協(xié)調(diào)了預(yù)分離塔與主塔的關(guān)系，使兩分支交叉，填補(bǔ)了黑洞。

從以上例子的研究可以看出，qF的調(diào)整使V/F最小值從1.524變到1.111，而調(diào)整qS使之從1.524變到1.552，即通過調(diào)整qF填補(bǔ)黑洞會(huì)涉及更大的能量變化。這主要因?yàn)檫M(jìn)料流量比側(cè)線流量大。鑒于qF與qS對(duì)能耗的影響，在有免費(fèi)能量或能量?jī)r(jià)格低時(shí)，優(yōu)先調(diào)整qF；沒有免費(fèi)能量時(shí)，優(yōu)先調(diào)整qS，有一定富余能量可用時(shí)，可同時(shí)調(diào)整qF和qS。

本研究中取1＞qF＞ 0，但qF的取值范圍可以擴(kuò)大，有些情況下可能需要使qF＜ 0或者qF＞ 1以填補(bǔ)黑洞。但qS的取值范圍僅限于1＞qS＞ 0。

本研究中所取干擾均為10%階躍擾動(dòng)，對(duì)qF、qS調(diào)整時(shí)，步長(zhǎng)k取0.01，在其他分離系統(tǒng)中可以根據(jù)實(shí)際情況與要求調(diào)整。

5 結(jié) 論

本文主要研究了四點(diǎn)控制要求下用DWDC分離三元物系時(shí)出現(xiàn)的黑洞問題。本文提出了通過調(diào)整進(jìn)料、側(cè)線采出熱狀況填補(bǔ)隔離壁精餾塔設(shè)計(jì)與操作黑洞的方法，這兩個(gè)變量通過影響DWDC的塔內(nèi)能量平衡協(xié)調(diào)預(yù)分離塔和主塔之間的關(guān)系。填補(bǔ)過程中重點(diǎn)考慮關(guān)鍵組分的影響，并借此簡(jiǎn)化了填補(bǔ)過程。

通過對(duì)理想三元物系A(chǔ)BC分離的研究，證明對(duì)進(jìn)料和側(cè)線采出熱狀況進(jìn)行調(diào)整，可以有效地填補(bǔ)DWDC的設(shè)計(jì)與操作黑洞。從結(jié)果可以看出，采用該方法可以提高DWDC的靈活性與適應(yīng)性，并改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

符 號(hào) 說 明

A——假設(shè)的理想組分（流量），mol/s

Avp——蒸汽壓力常數(shù)，bar

B——理想組分或塔底采出流量，mol/s

Bvp——蒸汽壓力常數(shù)，bar·K

C——假設(shè)的理想組分（流量），mol/s

D——塔頂采出流量，mol/s

DWBL——黑洞寬度的變化量

F——進(jìn)料流量，mol/s

HB——黑洞上限

ΔHFV——汽化潛熱，J/mol

k——填補(bǔ)黑洞時(shí)熱狀況調(diào)整的步長(zhǎng)

L——液相流量，mol/s

LB——黑洞下限

P——壓強(qiáng)，bar

Qf——進(jìn)料預(yù)熱負(fù)荷，MW

QR——再沸器熱負(fù)荷，MW

qF——進(jìn)料熱狀況

qS——側(cè)線采出熱狀況

R——回流量，mol/s

RA/C——側(cè)線采出中組分A與C的比例（雜質(zhì)比）

RL——液相分離比

RR——回流比

RV——汽相分離比

S——側(cè)線采出流量，mol/s

T——溫度，K

TAC——年總耗費(fèi)，US$

V——汽相流量，mol/s

WBL——黑洞寬度

x——液相摩爾分?jǐn)?shù)

y——汽相摩爾分?jǐn)?shù)

ε——判斷黑洞存在時(shí)的容差

下角標(biāo)

A——組分標(biāo)識(shí)

B——組分標(biāo)識(shí)或塔底產(chǎn)品

C——組分標(biāo)識(shí)或冷凝器

D——餾出產(chǎn)品

i——組分標(biāo)記或迭代次數(shù)

j——組分標(biāo)記或迭代次數(shù)

L——液相流

m——主塔

p——預(yù)分離塔

R——再沸器

S——側(cè)線采出產(chǎn)品

V——汽相流

上角標(biāo)

S——飽和的

V——汽化的

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Eliminating black-hole problem of DWDC by adjusting thermal conditions of feed and intermediate product

JIAO Yingjie，HUANG Kejin
（College of Information Science & Technology，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

While four-point control strategy (i.e.，the main compositions of the three products and the ratio between the two impurities in the intermediate product are controlled simultaneously) is used for the dividing-wall distillation column (DWDC)，the black-hole problem occurs and limits process flexibility and operability. In this paper，a philosophy was proposed to eliminate the black-hole problem with careful adjustment of the thermal conditions of feed and intermediate product. Through strong influence on the overall energy balance of the DWDC，these two variables affected the interlinking flows between prefractionator and main distillation column involved and could thus serve to coordinate their relationship. The dynamic responses were also improved after elimination of the black-hole problem. A simple rule was proposed to adjust the thermal conditions and three possible configurations could be obtained. The separation of a hypothetical ternary mixture，A，B，and C simulated with Aspen Plus，was chosen to evaluate the feasibility and effectiveness of the proposed philosophy. After steady-state analysis and closed-loop control studies，the results demonstrated that the black-hole problem could be completely removed through careful adjustment of the thermal conditions of feed and intermediate product. This philosophy brought the method of eliminating the black-hole problem to completion and enhanced the flexibility and operability of the DWDC.

TQ 028

A

1000-6613（2014）10-2557-08

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.007

2014-02-20；修改稿日期：2014-04-28。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21076015）。

焦英杰（1986—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：黃克謹(jǐn)，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail huangkj@mail.buct.edu.cn。