分離丙酮-乙醇-水物系的隔壁塔設(shè)計(jì)與優(yōu)化

王洪海，邊娟娟，梁建成，李春利

（河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130）

分離丙酮-乙醇-水物系的隔壁塔設(shè)計(jì)與優(yōu)化

王洪海，邊娟娟，梁建成，李春利

（河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300130）

利用Aspen Plus模擬軟件，建立了分離丙酮-乙醇-水物系的隔壁塔工藝流程。在保證丙酮產(chǎn)品純度不低于99.2%的前提下，使用響應(yīng)面法分析了隔壁塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)能耗的影響，擬合出塔結(jié)構(gòu)參數(shù)與再沸器熱負(fù)荷的二次方程，對(duì)隔壁塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果為：預(yù)分離段、公共精餾段、公共提餾段和側(cè)線采出段的理論塔板數(shù)分別為22，20，19，18；預(yù)分離段的進(jìn)料位置為第16塔板，公共提餾段的再沸器熱負(fù)荷為405.63 kW。驗(yàn)證結(jié)果顯示，優(yōu)化結(jié)果與模擬結(jié)果的相對(duì)誤差為0.65%，說明流程模擬與響應(yīng)面法相結(jié)合用于隔壁塔結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化可行。與傳統(tǒng)工藝相比，隔壁塔分離工藝的設(shè)備費(fèi)用降低26.86%、年度總費(fèi)用降低41.10%。

隔壁塔；Aspen Plus軟件；丙酮-乙醇-水物系；響應(yīng)面法

1933年，因?yàn)榱呀鈿獾姆蛛x，Standard Oil Dev公司提出了隔壁塔（DWC）的概念［1］。1980年初，由BASF公司的Kaibel［2］首次提出了單塔結(jié)構(gòu)的DWC設(shè)計(jì)方案。截至到2016年3月全球投入使用的DWC已超過250座。在熱力學(xué)上，DWC等同于Petlyuk塔［3-4］，區(qū)別是DWC中液相分配和汽相循環(huán)在同一塊塔板上發(fā)生［5］，消除了返混現(xiàn)象，從而降低了能耗、減少了碳排放［6］。DWC將多個(gè)分離目標(biāo)在單塔中實(shí)現(xiàn)，有效減少了設(shè)備投資［7-8］。然而，DWC較常規(guī)精餾塔有更多的自由度，且各因素之間具有很強(qiáng)的非線性關(guān)系，因此DWC的設(shè)計(jì)優(yōu)化較復(fù)雜，制約了它的廣泛應(yīng)用。

目前，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法或計(jì)算機(jī)編程方法與模擬軟件相結(jié)合對(duì)復(fù)雜精餾系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化［9-15］不僅降低了操作難度，也使得優(yōu)化結(jié)果與模擬結(jié)果越來越吻合。

本工作采用Aspen Plus軟件模擬分離來自發(fā)酵醪液的丙酮-乙醇-水混合物的DWC工藝，利用響應(yīng)面法對(duì)DWC的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以年度總費(fèi)用為目標(biāo)比較了DWC工藝與傳統(tǒng)工藝。

1 分離丙酮-乙醇-水物系的DWC模擬

傳統(tǒng)工業(yè)常采用兩塔序列分離來自發(fā)酵醪液的丙酮-乙醇-水混合物（如圖1所示）?；旌衔镌谒﨏1中初步分離，塔頂?shù)玫郊兌炔坏陀?9.2%（w）的丙酮，塔底的乙醇和水混合物作為塔C2的進(jìn)料；在C2塔頂?shù)玫揭掖寂c水的共沸物，塔底得到水。

圖1 傳統(tǒng)工藝流程Fig.1 Flowsheet of traditional process for the separation of the acetone-ethanol-water system. B：bottom product；C：column；D：distillation product.

DWC的結(jié)構(gòu)見圖2。采用如圖2所示的DWC分離丙酮-乙醇-水混合物，原料在預(yù)分餾段（1）中進(jìn)行非清晰分割，部分乙醇與水隨輕組分丙酮進(jìn)入公共精餾段（2），部分乙醇隨重組分水進(jìn)入公共提餾段（3），在公共精餾段（2）中乙醇和水進(jìn)入側(cè)線采出段（4），丙酮從塔頂采出；在公共提餾段（3）中乙醇與部分水進(jìn)入側(cè)線采出段（4），剩余的水從塔底采出，來自公共精餾段（2）和公共提餾段（3）的乙醇和水以共沸物形式從側(cè)線采出段（4）采出，從而實(shí)現(xiàn)混合物的分離。

圖2 DWC的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of dividing wall column(DWC). 1 Prefractionation；2 Public rectifying section；3 Public stripping section；4 Side draw section

在Aspen Plus軟件中用Radfrac模塊將DWC設(shè)計(jì)為如圖3所示的四塔模型［16］。

圖3 DWC的工藝流程Fig.3 Flowsheet of the DWC process. L：liquid；SS：side draw product；T：tower；V：vapor.

該模型由預(yù)分離段T1、公共精餾段T2、公共提餾段T3和側(cè)線采出段T4與一個(gè)汽相分配器以及一個(gè)液相分配器進(jìn)行物料與能量耦合集成。T2只有冷凝器，T3只有再沸器，T1和T4既沒有冷凝器也沒有再沸器。

原料為含丙酮75%（w）、乙醇21.8%（w）、水3.2%（w）的混合物，進(jìn)料量500 kg/h，泡點(diǎn)進(jìn)料，熱力學(xué)模型選用NRTL，模型參數(shù)取自Aspen Plus軟件。塔的基本參數(shù)包括4個(gè)塔段的塔板數(shù)和進(jìn)料位置，根據(jù)DWC的啟發(fā)式規(guī)則［17］計(jì)算出T1的理論塔板數(shù)為20、T2的理論塔板數(shù)為22、T3的理論塔板數(shù)為20、T4的理論塔板數(shù)為19，預(yù)分餾段在第16塊塔板進(jìn)料，液相分配比和汽相分配比的初值均為0.5。

2 響應(yīng)面法優(yōu)化四塔模型

DWC較常規(guī)塔有更多的自由度，同樣，DWC的四塔模型中有多個(gè)操縱變量，且變量間相互關(guān)聯(lián)，每調(diào)節(jié)一個(gè)變量都會(huì)使該模型的能耗發(fā)生變化，所以采用純粹的單因素分析很難得到更優(yōu)的操作參數(shù)。響應(yīng)面法是借用響應(yīng)性能對(duì)設(shè)計(jì)變量的靈敏程度，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或模擬數(shù)據(jù)擬合成目標(biāo)與設(shè)計(jì)變量有關(guān)的函數(shù)近似表達(dá)式，對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化?？紤]到DWC的四塔模型中只有一個(gè)再沸器和一個(gè)冷凝器，同時(shí)，冷凝器所用的冷量隨再沸器熱量消耗的減少而減少，所以可用T3塔釜再沸器的熱負(fù)荷（QT3）作為整個(gè)優(yōu)化過程的目標(biāo)函數(shù)，并使其最小化。

2.1 單因素分析汽液分配比

對(duì)液相分配比和汽相分配比進(jìn)行單因素分析，分別考察了液相分配比和汽相分配比對(duì)再沸器熱負(fù)荷的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可看出，液相分配比和汽相分配比分別為0.5和0.6時(shí)，再沸器熱負(fù)荷最低，由此確定液相分配比和汽相分配比分別為0.5和0.6。

圖4 液相分配比和汽相分配比的分析Fig.4 Analysis of liquid split ratio(SPL) and vapor split ratio(SPV). QT3：heat duty of reboiler.

2.2 塔結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為研究四塔模型中4個(gè)塔的塔板數(shù)和T1的進(jìn)料位置等5個(gè)因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響，采用Design Expert軟件中的中心組合設(shè)計(jì)對(duì)5個(gè)變量進(jìn)行5因素3水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。中心組合設(shè)計(jì)的編碼值、因素和水平如表1所示。確定各因素的各水平后，以5因素3水平設(shè)計(jì)了50組實(shí)驗(yàn)，使用Aspen Plus模擬得到各組實(shí)驗(yàn)的QT3，并利用響應(yīng)面法得到任意兩因素對(duì)QT3影響的三維視圖。

NT4與FT1對(duì)QT3的三維響應(yīng)視圖見圖5。三維視圖中等高線的形狀可以解釋兩個(gè)因素對(duì)QT3的影響程度，三維視圖為凸面說明兩個(gè)因素對(duì)QT3的影響明顯。

表1 中心組合設(shè)計(jì)的編碼值、因素和水平Table1 Coded values，factors and levels for central composite design

擬合得到NT1，NT2，NT3，NT4，F(xiàn)T1對(duì)QT3的回歸方程：

圖5 NT4與FT1對(duì)QT3的三維響應(yīng)視圖Fig.5 3D response surface graph of NT4versus FT1for QT3.

擬合結(jié)果表明，NT1= 22，NT2= 20，NT3= 19，NT4= 18，F(xiàn)T1= 16時(shí)，QT3最小，為405.63 kW。使用Aspen Plus模擬計(jì)算優(yōu)化參數(shù)下的QT3為408.28 kW，與擬合結(jié)果的相對(duì)誤差為0.65%，說明該優(yōu)化方法能有效優(yōu)化DWC工藝。

3 DWC工藝與傳統(tǒng)工藝的對(duì)比

引入年度總費(fèi)用，回報(bào)期為3 a，對(duì)DWC工藝和傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了比較。設(shè)備費(fèi)用指數(shù)選用2011年末的數(shù)值1 536.5，冷凝水和熱蒸汽的價(jià)格選用2016年6月價(jià)格的平均值。兩種工藝的設(shè)備費(fèi)用與操作費(fèi)用的對(duì)比見表2。由表2可見，在保證產(chǎn)品產(chǎn)量及純度的前提下，DWC工藝比傳統(tǒng)工藝的設(shè)備費(fèi)用降低了26.86%，熱公用工程減少52.21%，冷公用工程減少40.29%，年度總費(fèi)用減少41.10%。

表2 DWC工藝和傳統(tǒng)工藝優(yōu)化結(jié)果的對(duì)比Table 2 Comparison of the optimization results of DWC and traditional process

4 結(jié)論

1）使用DWC工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的兩塔序列工藝分離來自發(fā)酵醪液的丙酮-乙醇-水混合物，利用Aspen Plus軟件建立了DWC的四塔模型。

2）維持丙酮產(chǎn)品純度不低于99.2%的前提下，利用響應(yīng)面法建立了QT3的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化結(jié)果為NT1= 22，NT2= 20，NT3= 19，NT4= 18，F(xiàn)T1= 16，QT3= 405.63 kW。驗(yàn)證結(jié)果顯示，優(yōu)化結(jié)果與模擬結(jié)果的相對(duì)誤差為0.65%，說明流程模擬與響應(yīng)面法相結(jié)合用于DWC結(jié)構(gòu)參數(shù)的綜合優(yōu)化是可行的。

3）對(duì)比DWC工藝與傳統(tǒng)工藝，DWC工藝的設(shè)備費(fèi)用減少26.86%、熱公用工程減少52.21%、冷公用工程減少40.29%、年度總費(fèi)用減少41.10%。

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（編輯 王 萍）

Design and optimization of dividing-wall column for separation of acetone-ethanol-water system

Wang Honghai，Bian Juanjuan，Liang Jiancheng，Li Chunli
（School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

A dividing-wall column(DWC) process for the separation of the acetone-ethanol-water system was established by means of the Aspen Plus software. Based on the premise of the mass fraction of acetone in the products not less than 99.2%，the influences of the structural parameters of DWC on the reboiler heat duty were analyzed using the response surface method and a quadratic equation was obtained. It was showed that，the theoretical plate numbers of the prefractionation section，public rectifying section，public stripping section and side draw section were 22，20，19 and 18 respectively，the feeding position of the prefractionation section was at the 16thplate，and the reboiler heat duty of the public stripping section was 405.63 kW. The relative error between the optimized result and the simulation result was 0.65%. Compared to traditional process，the capital cost and total annual cost of DWC were reduced by 26.86% and 41.10%，respectively.

dividing wall column；Aspen Plus software；acetone-ethanol-water system；response surface method

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.02.012

1000-8144（2017）02-0217-05

TQ 021.8

A

2016-08-16；［修改稿日期］2016-11-10。

王洪海（1974—），男，河北省文安縣人，博士，教授，電話 13902122829，電郵 ctstwhh@163.com。聯(lián)系人：李春利，電話 13902063302，電郵 ctstlcl@163.com。

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目（15964505D，16214505D）。