回流比對(duì)隔板精餾塔多定態(tài)解數(shù)目影響分析

張耀昌,王二強(qiáng)

(1.中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心,河南 洛陽(yáng) 471000;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 化學(xué)科學(xué)學(xué)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(gè)塔體內(nèi)部分割成多個(gè)部分。以分離三組分隔板塔(如圖1)為例，在塔體內(nèi)部放置一塊豎直塔板將塔體分成6個(gè) 部分：公共精餾段(隔板上側(cè))、公共提餾段(隔板下側(cè))、預(yù)分餾部分上下段(隔板左側(cè)進(jìn)料位置上下部分)和側(cè)線采出上下段(隔板右側(cè)采出位置上下部分)。其中，隔板左側(cè)預(yù)分餾塔段又稱為副塔，公共精餾段、公共提餾段及側(cè)線采出段合稱為主塔。傳統(tǒng)精餾分離過程，單個(gè)精餾塔僅實(shí)現(xiàn)雙組分的分離，即分離三個(gè)組分需要兩個(gè)塔串聯(lián)(如圖2，其中2a和2b分別代表直接序列和間接序列)。與傳統(tǒng)精餾分離工藝相比，隔板精餾塔分離工藝具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如減少設(shè)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(xué)效率，大大節(jié)省能耗[1-2]。隨著能源、環(huán)境及土地問題的凸顯，隔板精餾技術(shù)逐漸走進(jìn)人們的視野，且越來越受到工程師及研究學(xué)者的關(guān)注[1-8]。目前，該技術(shù)也越來越受到國(guó)內(nèi)研發(fā)設(shè)計(jì)單位的關(guān)注[9-15]，且先后在2016年、2017年分別在長(zhǎng)沙和天津舉辦隔板精餾技術(shù)專題交流會(huì)。

文獻(xiàn)[16]曾報(bào)道過Petlyuk塔的多定態(tài)特性，指出在滿足產(chǎn)品純度的要求下，固定回流比和塔釜產(chǎn)品流率，存在兩組內(nèi)部耦合流股滿足要求。關(guān)于隔板塔內(nèi)部多重定態(tài)特性(輸入多定態(tài)，即相同的進(jìn)料和出料對(duì)應(yīng)多組內(nèi)部分氣比、分液比滿足產(chǎn)品純度分離要求)，Wang課題組[17-19]進(jìn)行了系列研究，并探索出多解尋找的簡(jiǎn)捷方法和首次提出將多定態(tài)現(xiàn)象引入到設(shè)計(jì)流程中。回流比是精餾操作中的重要參數(shù)，其取值的好壞直接影響到設(shè)備參數(shù)及操作能耗。同時(shí)，不同操作穩(wěn)態(tài)(除內(nèi)部分氣比、分液比外，其它參數(shù)均相同)對(duì)隔板塔內(nèi)部水力學(xué)影響不同，直接影響到對(duì)外部擾動(dòng)的抗性強(qiáng)弱。因此，該文借助Aspen流程模擬軟件來系統(tǒng)分析回流比對(duì)多穩(wěn)態(tài)數(shù)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(lián)分離工藝Fig.2 Two-column series module

1 簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)

本文選擇正戊烷-正己烷-正庚烷三組分物系，進(jìn)料條件為：總物質(zhì)流 F=100kmol/hr, 正戊烷：正己烷：正庚烷=3:4:3(摩爾比)，進(jìn)料壓力為1atm，飽和液相進(jìn)料，常壓操作。產(chǎn)品純度要求：塔頂產(chǎn)品中正戊烷、側(cè)線中正己烷和塔釜產(chǎn)物中對(duì)正庚烷的摩爾分?jǐn)?shù)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(duì)該分離物系進(jìn)行簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)(如圖3)。

圖3 三塔簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)模型Fig.3 Shortcut method using three-column module

得到簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.1 Values from shortcut method

由于塔板數(shù)及進(jìn)料位置均為整型參數(shù)，對(duì) 塔板參數(shù)進(jìn)行取整計(jì)算且隔板兩側(cè)塔板數(shù)目取相等，得到隔板塔參數(shù)如圖4所示。

2 回流比對(duì)多穩(wěn)態(tài)數(shù)目的影響

本節(jié)基于第一部分得到的隔板塔初始參數(shù)，進(jìn)行隔板塔嚴(yán)格模擬，分析回流比對(duì)多穩(wěn)態(tài)解數(shù)目的影響。多解尋找方法采用Wang[18]提出的方法，該方法簡(jiǎn)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(cè)線采出、塔釜采出及設(shè)備參數(shù)不變條件下，分析塔頂苯、側(cè)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(biāo)產(chǎn)品要求的分氣比、分液比數(shù)值即：Z1=f1(x, y), Z2=f2(x, y), Z3=f3(x, y),其中Z1代表塔頂產(chǎn)品中苯的摩爾分?jǐn)?shù)，Z2代表側(cè)線產(chǎn)品中甲苯摩爾分?jǐn)?shù)，Z3代表塔釜產(chǎn)品中二甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)。最后，根據(jù)Z1，Z2，Z3三條曲線的交點(diǎn)個(gè)數(shù)判斷穩(wěn)態(tài)解數(shù)目情況。

采用隔板塔四塔等效模型(如圖5)進(jìn)行模擬分析研究。四塔模塊中的精餾塔均選用Aspen Plus中的嚴(yán)格模塊(RadFrac模塊)：1個(gè)提餾塔T4(不含冷凝器)、2個(gè)平行吸收塔T2和T3(不含再沸器和冷凝器)和1個(gè)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(cè)預(yù)分餾段、隔板右側(cè)側(cè)線采出段和隔板公共提餾段。物性方程選擇Chao-Sea. 參數(shù)如下：公共精餾段共3塊塔板；預(yù)分餾段10塊塔板，第5塊為進(jìn)料板(以預(yù)分餾段為基準(zhǔn))；側(cè)線采出段10塊塔板，第8塊采出側(cè)線(優(yōu)化參數(shù)，以主塔為基準(zhǔn))；公共提留段共7塊塔板。

圖4 隔板塔初始參數(shù)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(wěn)態(tài)解數(shù)目隨回流比變化的趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 多穩(wěn)態(tài)解數(shù)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(wěn)態(tài)解的數(shù)目也隨之變化。RR=4.5時(shí)，存在四組解(A,B,C,D四點(diǎn))。隨著回流比增大，D點(diǎn)逐漸消失，變?yōu)槿M解(RR=6)，回流比繼續(xù)增大，D點(diǎn)逐漸消失,變?yōu)閮山M(RR=20)，回流比繼續(xù)增大，由變化趨勢(shì)可以判斷A、D兩點(diǎn)也會(huì)逐漸先后消失,即當(dāng)回流比達(dá)到一定數(shù)值后，單純調(diào)節(jié)分氣比、分液比(其它參數(shù)固定不變)不能達(dá)到產(chǎn)品純度分離要求；RR<0.45，隨著回流比減小，多穩(wěn)態(tài)解數(shù)目也逐漸減少，達(dá)到最小回流比后，單純調(diào)節(jié)分氣比、分液比(其它參數(shù)固定不變)不能達(dá)到產(chǎn)品純度分離要求。

3 結(jié)論

本文對(duì)隔板塔中存在的多重定態(tài)特性進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，并分析不同回流比對(duì)多穩(wěn)態(tài)解數(shù)目的影響。通過分析多穩(wěn)態(tài)解數(shù)目隨回流比取值變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著回流比的變化，滿足產(chǎn)品分離純度的內(nèi)部耦合流股(分氣比和分液比)的組合數(shù)目隨之變化，即存在四組、三組、兩組、單組解、無(wú)解等?；亓鞅戎苯佑绊懙椒至鞑僮髻M(fèi)用，而內(nèi)部耦合流股不同組合又會(huì)影響到隔板塔體內(nèi)部流場(chǎng)分布等?？偠灾?，本文研究可為后續(xù)隔板精餾塔設(shè)計(jì)優(yōu)化的進(jìn)一步深入研究提供一種新思路。