進料組成改變對隔板塔經(jīng)濟性影響的模擬

敖　琛，袁希鋼，羅祎青，蓋曉龍

精餾作為常用的分離方法，占整個化工生產(chǎn)能耗的絕大部分，有的比例超過了80%。因此，探究精餾過程的節(jié)能技術并運用到工業(yè)生產(chǎn)中非常有意義。

用于分離三組元混合物的Petlyuk塔(完全熱耦合精餾塔)以及與其等價的隔板精餾塔［1］如圖1所示。

圖1　用于分離3組分進料組成的全熱耦合精餾塔Fig．1　Fully thermally coupled distillation arrangement for separating three-component mixture

隔板精餾塔屬于完全熱耦合精餾塔的特殊類型，其實質就是在塔內(nèi)部增設1個豎立的隔板，將常規(guī)精餾塔的內(nèi)部分為2個部分，在1個精餾塔內(nèi)同時完成傳質和傳熱過程。隔板塔將完全熱耦合精餾塔的預分餾塔與主塔組合在同1個精餾塔內(nèi)，從而節(jié)省了設備投資;同時隔板塔可以避免中間組分的濃度返混現(xiàn)象，有效降低能耗，即隔板塔實現(xiàn)了能量消耗和設備費用的同時降低。Kaibel［1］在1987年詳細闡述了隔板塔的結構特點和分離特性，并通過與常規(guī)精餾方案比較，發(fā)現(xiàn)隔板塔比常規(guī)精餾塔節(jié)能20% ～35%，設備投資節(jié)省30%左右［2-8］。

隔板塔雖然可以同時節(jié)約能耗費用和設備費用，但是由于其特殊結構，使得隔板塔模型具有更多的自由度，導致了隔板塔的操作、設計和控制都更為復雜，所以隔板塔在工業(yè)上的應用實現(xiàn)較晚。近些年來，關于隔板塔的控制和設計問題都已有了較多研究［9-15］，與隔板塔的設計和控制問題密不可分的隔板塔的操作問題成為新的研究熱點［16］。

如圖1所示，隔板塔有5個操作自由度，即氣相流率(V)、液相流率(L)、測線采出流率(S)、氣相分割比(Rv，進入主塔的氣相流量占塔底氣相流量的分率)和液相分割比(Rl，進入主塔的液相流量占塔底液相流量的分率)。從設計角度來講，如果產(chǎn)品要求用3個自由度加以固定，剩余的2個自由度可在操作中加以調節(jié)，用以優(yōu)化隔板塔年度總費用。Fidkowski和 Krolikowski［17］的研究表明，隔板塔的年度總費用與隔板塔中的最小氣相流率有關，其中最小氣相流率的大小取決于中間組分分配比β(即預分餾塔塔頂中中間組分的收率)，而氣液相分割比是中間組分分配比與預分餾塔中回流比的函數(shù)。因此，氣相分割比和液相分割比共同影響隔板塔的年度總費用。

本研究針對隔板塔的操作問題，選取氣相和液相分割比為2個控制變量，以隔板塔分離3組分混合物為例，研究氣相分割比和液相分割比對隔板塔年度總費用的影響，同時研究當進料組成發(fā)生變化時，針對不同進料組成設計的隔板塔的經(jīng)濟性。

需要說明的是，本研究在評價隔板塔的經(jīng)濟性時采用隔板塔的年度總費用(操作費用和設備費用的總和)而不是能量消耗作為評價標準，這是因為，在操作過程中，當已經(jīng)設計完成的隔板塔被用于分離不同的進料組成的時候，換熱器的面積會發(fā)生變化，這將導致設備費用發(fā)生改變。隔板塔的操作費用主要包括熱公用工程和冷公用工程的費用(塔頂冷凝器使用常溫冷卻水作為冷劑，塔底再沸器使用154℃蒸汽作為加熱蒸汽)，設備費用主要是指塔體、塔板、再沸器和冷凝器等設備的費用(采用GAEL D ULRICH 關聯(lián)式［18］進行計算)。

1　隔板塔的設計

研究［19］表明，隔板塔更適合用于分離分離指數(shù)(ESI，定義為輕組分與中間組分的相對揮發(fā)度與中間組分與重組分的相對揮發(fā)度的比值，即ESI=αAB/αBC)接近1的物系，因此本研究選取正戊烷(A)、正己烷(B)和正庚烷(C)作為研究物系，采用商業(yè)化軟件Aspen Plus對隔板塔的操作狀況進行模擬，選用了 Aspen Plus中的 MultiFrac中的PETLYUK模塊，采用SRK方程作為熱力學模型進行嚴格模擬，并忽略不計塔板上的壓降。在隔板塔的設計方面，采用龔超等［20］提出的嚴格模擬方法，即利用Underwood方程計算完全熱耦合精餾塔的最小汽相流率，由此找出中間組分在預分餾塔中分配的最優(yōu)區(qū)間，在此基礎上利用Fenske方程和Gilliland關聯(lián)式等簡捷方法確定3個塔的回流比、各塔段塔板數(shù)等設計參數(shù)，之后以簡捷模型的設計結果為初值，對隔板塔的簡捷模型進行嚴格模擬，借助Aspen Plus軟件中的優(yōu)化模塊和靈敏度分析工具，核算確定隔板塔簡捷模型的各塔段塔板數(shù)、進料位置、氣液相耦合流股位置、側線采出位置和回流比等參數(shù)。

為研究不同隔板塔的操作特性，本文選取4種進料組成作為初始條件設計4種隔板塔，具體隔板塔操作條件及產(chǎn)品要求等參數(shù)見表1，4種規(guī)定進料組成見表2，4種隔板塔的設計結果見表3。還研究了當進料組成有大幅度擾動時不同隔板塔的經(jīng)濟性，例如針對隔板塔1，其擾動的選取是分別向進料組成的3個方向變化，即由等物質的量進料分別變?yōu)檩p組分、中間組分與重組分占優(yōu)進料。

表1　進料狀況和產(chǎn)品要求Table 1　Feed conditions and products’specifications

表2　4種進料組成定義Table 2　Definitions for 4 cases of feed compositions

表3　4種隔板塔設計結果Table 3　Results of the designs of the columns for the four cases

表3中展示了4種進料條件下隔板塔的設計結果?？梢钥闯?，針對不同的進料條件設計的隔板塔，其隔板塔塔板數(shù)、進料位置、側線采出位置以及氣液相耦合流股位置不同。此外，在隔板塔的設計過程中，除了要確定隔板塔各塔段數(shù)，還需要確定隔板塔的最優(yōu)氣相和液相分割比，研究表明，rv-rl-TAC關系圖為三維響應面［21］，并且存在最優(yōu)平坦區(qū)間［21-22］，當氣相分割比和液相分割比的取值在這一平坦區(qū)間內(nèi)時，隔板塔的能耗最低，且隔板塔在一定范圍內(nèi)具有一定的穩(wěn)定性和操作性。因此在隔板塔的設計過程中，首先要采用簡捷計算方法［20］保證氣液相分割比的選取落在這一平坦區(qū)間內(nèi)，然后再采用化工流程模擬軟件Aspen Plus中的優(yōu)化模塊，以再沸器熱負荷最低為目標函數(shù)，對這兩個參數(shù)進行優(yōu)化，從而得到最適宜的氣液相分割比，優(yōu)化結果如表3所示。

2　模擬結果與討論

2.1　氣液相分割比對隔板塔年度總費用的影響

氣相分割比和液相分割比共同影響隔板塔的年度總費用，其中隔板塔的氣相分割比由隔板的放置位置決定，在隔板塔設計完成之后就很難改變，而液相分割比則可以通過液體分配器進行調節(jié)，因此為了更好評價隔板塔的經(jīng)濟性，本研究在固定氣相分割比的情況下對液相分割比進行了優(yōu)化，并保證隔板塔在最優(yōu)液相分割比下操作，優(yōu)化方法如下。

研究表明［22-23］，當隔板塔用于分離三組元混合物時，對于給定的3個產(chǎn)品要求，此系統(tǒng)只存在氣液相分割比2個自由變量，當固定氣相分割比時，液相分割比與年度總費用的對應關系是單值函數(shù)關系。以隔板塔1為例，固定5組氣相分割比，描繪液相分割比與年度總費用的關系圖，結果如圖2所示。

圖2　固定液相分割比時氣液相分割比對隔板塔1年度總費用影響Fig．2　Dependence of economical behavior of DWC on vapor split ratio for Case 1 under fixed liquid split ratio

從圖2a)中可以看出，針對每1個固定的氣相分割比，都存在1個最適宜的液相分割比，使得隔板塔在當前氣相分割比下年度總費用最低，圖2a)中A點和C點分別代表當氣相分割比固定為0.36和0.34時，對應的最適宜液相分割比為0.51和0.50。固定多組氣相分割比并尋找其最適宜液相分割比，可得到圖2b)所示的氣相分割比與最適宜液相分割比的關系圖，其中B點并非在最優(yōu)液相分割比下操作，因此不在曲線上。同樣針對其它3種隔板塔，也存在氣液相分割比的最優(yōu)關系，這就可以為操作過程中液相分割比的優(yōu)化提供指導，保證隔板塔在最適宜液相分割比下操作。

在隔板塔操作過程中，隔板兩邊阻力的變化會帶來氣相分割比的變化，這就會造成年度總費用增加或者無法達到產(chǎn)品要求。為了研究氣相分割比對隔板塔年度總費用的影響，針對4種進料組成設計的四種隔板塔被先后用于分離三組分混合物。

圖3為氣相分割比對隔板塔的年度總費用的影響圖。

圖3　氣相分割比對年度總費用的影響圖Fig．3　Economical behaviors and feasibility of the DWCs with shifted vapor split ratio

從圖3中可以看到，針對任何一種隔板塔，氣相分割比的變化范圍都是有限的，超出這個范圍，就可能出現(xiàn)液泛或者無法達到產(chǎn)品要求的情況，這個變化范圍就叫隔板塔的可操作區(qū)間。圖3顯示，4種隔板塔對應的氣相分割比可操作區(qū)間是不同的，年度總費用對氣相分割比的敏感程度也不同。當隔板塔被用于分離中間組分含量較高的進料組成時(隔板塔3)，氣相分割比與隔板塔年度總費用的關系曲線較為平緩，證明當氣相分割比偏離最適宜氣相分割比時，調整相應液相分割比使其在適宜區(qū)間內(nèi)操作，則年度總費用不會出現(xiàn)大幅度增加。而對另外3種隔板塔(隔板塔1，2和4)而言，氣相分割比偏離最適宜氣相分割比后就可能引起較大的費用的增加。此外，用于分離輕組分含量較高的隔板塔(隔板塔1)和用于分離中間組分含量較高的隔板塔(隔板塔2)的氣相可操作區(qū)間較大，其余2種隔板塔(隔板塔3和4)的氣相可操作區(qū)間較小。

2.2　進料組成改變對隔板塔經(jīng)濟性的影響

在實際操作過程中，由于外界條件的變化，隔板塔的進料組成可能發(fā)生波動，當進料組成改變而隔板塔中隔板位置固定即氣相分割比固定時，隔板塔可能出現(xiàn)年度總費用過高或者無法達到產(chǎn)品要求的情況。本研究針對4種隔板塔，在設計點附近多次變化進料組成，研究隔板塔在改變進料組成后的經(jīng)濟性。

本研究以隔板塔的年度總費用變化大小作為隔板塔的經(jīng)濟性評價標準，即首先采用設計完成的隔板塔分離變化進料組成之后的混合物，并得出氣相分割比固定情況下的年度總費用，此后再針對每種改變后的進料組成，依據(jù)嚴格模擬方法設計相應的隔板塔，得到優(yōu)化氣液相分割比之后的年度總費用，將這2種費用進行比較，如果隔板塔依舊操作可行并且費用漲幅小于等于10%，則認為隔板塔在分離該進料組成混合物時經(jīng)濟性較好。

針對4種隔板塔，在不同進料組成條件下進行模擬和經(jīng)濟性評價，直到隔板塔操作不可行或者隔板塔年度總費用漲幅超過10%，模擬結果如圖4所示。

圖4　進料組成發(fā)生變化時隔板塔的經(jīng)濟可行區(qū)域Fig．4　Economical behaviors of divided wall column with shifted feed compositions

圖4以三角坐標表示三組元進料組成，圖4a)、4b)、4c)和4d)分別描繪了針對表2給出的4種不同進料條件設計的隔板塔的經(jīng)濟性。當隔板塔的進料組成在圖中實線區(qū)域內(nèi)時，隔板塔的操作是可行的，且其年度總費用漲幅小于等于10%，實線以外的區(qū)域則代表隔板塔不可操作或年度總費用漲幅高于10%。

圖4描繪了4種隔板塔在進料組成發(fā)生變化時的經(jīng)濟性。

從圖4a)、4b)、4c)和4d)的比較中可以看出，針對不同進料組成設計的隔板塔在進料組成發(fā)生變化后的經(jīng)濟可行區(qū)域不同。如圖4b)所示，在4種隔板塔中，用于分離輕組分含量占優(yōu)的隔板塔(隔板塔2)的經(jīng)濟可行區(qū)域最大，即經(jīng)濟性最好，代表當進料組成在實線區(qū)域以內(nèi)變化時，隔板塔操作可行且不會帶來過高的年度總費用。從圖4d)中可以看出，相比其它3種隔板塔，用于分離重組分含量占優(yōu)的隔板塔(隔板塔4)的經(jīng)濟性最差，只能用于分離設計點附近的進料組成，如果隔板塔進料組成發(fā)生較大變化，則隔板塔無法操作或者出現(xiàn)年度總費用過高的情況。此外，圖4顯示，除了隔板塔4，其它3種隔板塔都不適合被用于分離重組分含量明顯占優(yōu)的進料組成。

3　結論

完全熱耦合精餾與傳統(tǒng)精餾分離序列相比，能夠實現(xiàn)操作費用和設備費用同時降低。但是，由于隔板塔的結構較為復雜，自由度較多，導致隔板塔較傳統(tǒng)精餾塔存在更多操作問題。針對這一特點，本研究選取氣相分割比和液相分割比作為2個控制變量，依據(jù)4種進料組成設計4種隔板塔，考察氣相和液相分割比對4種隔板塔年度總費用的影響，研究4種隔板塔在變化進料組成后的經(jīng)濟性，得出如下結論:

1)氣相分割比和液相分割比同時影響隔板塔的年度總費用，針對每種特定的進料組成，都存在最適宜的氣相和液相分割比使得全塔的年度總費用最低，氣相分割比和年度總費用的關系圖可以為隔板塔的設計提供理論依據(jù)。

2)針對不同進料組成設計的隔板塔，其年度總費用對氣相分割比的敏感程度不同，對應的氣相可操作區(qū)間也不同。針對本研究所分離的物系，隔板塔3的氣相可操作區(qū)間較大，隔板塔4的氣相可操作區(qū)間較小。當進料組成發(fā)生變化時，隔板塔的經(jīng)濟性表現(xiàn)不同。隔板塔2的經(jīng)濟性相比其他3種隔板塔更好，經(jīng)濟可行區(qū)域更大，隔板塔4的經(jīng)濟性最差。

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