基于浓度平台期的无回流储罐循环全回流操作

姜占坤，白 鹏，刘 岩

(1. 系统生物工程教育部重点实验室，天津 300072；2. 天津大学化工学院，天津 300072)

基于浓度平台期的无回流储罐循环全回流操作

姜占坤1,2，白 鹏1,2，刘 岩1,2

(1. 系统生物工程教育部重点实验室，天津 300072；2. 天津大学化工学院，天津 300072)

循环全回流操作中全回流-全采出操作是基础操作．提出了该过程中存在的浓度平台期现象，并对该现象进行了实验和模拟研究. 基于本课题组提出的动态模型进行了模拟，模拟结果表明塔板数和相对挥发度对平台期的长度有明显影响. 平台期的验证实验物系为甲醇/乙醇混合物和乙醇/正丙醇混合物. 实验结果与模拟结果共同证明了平台期现象的存在. 在平台期的基础上，提出了一种新的操作方式：无塔顶回流储罐循环全回流操作. 将新方式与恒回流比方式比较，结果表明新方式具有省时高效的优点.

间歇精馏；循环全回流；无回流储罐

间歇精馏在小处理量、高附加值产品分离提纯中的应用越来越广泛，尤其是在制药和精细化工行业中应用极广．间歇精馏具有的特点包括：操作弹性高、低设备成本、单塔可分离多组分混合物以及很强的适用性．

间歇精馏新操作方式的研究包括：中间储罐、恒回流比、恒塔顶采出浓度和循环全回流等．循环全回流操作是一种新的操作方式，在这种操作方式中，精馏塔能达到最高的分离效率(R=∞)，最快的采出速率(R=0)，并且控制简单，飞轮效应的影响低，循环全回流操作是具有前景的间歇精馏操作方式之一．循环全回流操作方式最先是 Treybal[1]提出的. Barolo等[2]、Gruetzmann等[3-4]进行了研究．Sørensen等[5-6]提出该方式操作方便、产品纯度高．他们对该方式和恒回流比、优化回流比方式进行比较，得出的结论是当原料浓度低时，循环全回流方式操作时间短．

本课题组[7]提出循环全回流方式的两储罐模式，通过实验和模拟研究证明，该方式能节省时间．本课题组还提出了循环全回流的一种控制方法——双温控[8]．即在塔中和塔顶进行温度控制，通过实验研究，证明了该控制方法的可行性．本课题组还提出了循环全回流的动态模拟方法[9]，该方法通过实验验证，证明了其可行性和准确性．

当进行无回流-全回流循环操作时，全采出(R= 0)时塔顶采出液中，轻组分的质量分数不会迅速下降，并且在开始阶段采出液的质量分数几乎不变．在一定时间内，采出液轻组分质量分数几乎不变，此现象称为浓度平台期．笔者通过模拟计算和实验研究，首次提出并确证了平台现象的存在．并在此基础上，提出了塔顶无储罐的循环全回流操作，并与恒回流比方式比较，结果表明新方式更加高效．

1 模拟计算

模型计算应用文献[9]提出的模型．该模型在经典物料恒算模型的基础上，重点考察了塔板持液量的影响，使用四阶龙格-库塔法求解．表 1列出了模拟的初始值设定，表 2列出了不同条件下的平台时间，塔顶浓度平台结果如图 1所示，wt,l为塔顶轻组分质量分数．点A代表从全回流操作转为全采出操作，点B表示采出液轻组分质量分数开始减少，点C代表全采出操作结束的时间．因为重点考察平台期现象，所以全采出操作结束后并没有转为全回流操作．图1结果中，AB段持续11.1,min，BC段持续了6,min，即平台期持续了17.1,min．将AC段视为平台期的时间．

表1 模拟参数设定Tab.1 Simulation parameter setting

表2 不同条件下的平台时间Tab.2 Concentration platform time under different conditions

从表2可得出如下结论：

图1 塔顶浓度平台期例子Fig.1 Example of overhead concentration platform

(1) 理论板数影响平台期的时间，当理论板数增大时，平台期的时间增长；

(2) 相对挥发度影响平台期的时间，当相对挥发度增大时，平台期的时间变长；

(3) 进料浓度对平台期的影响相对较小，当其增大时，平台期时间有小幅度的增长．

2 平台期的实验验证

2.1 实验装置

实验装置如图2所示．装置包括塔釜、冷凝器和50,mm直径的玻璃塔节．塔节内填料是双层不锈钢5,mm×5,mmθ环填料，填料层高1,000,mm．经乙醇/异丙醇测定，理论板数为 20．阀门 10控制全回流和全采出间的转换．

实验开始后进行全回流操作，阀门 10关闭，当塔顶和塔釜的温度稳定后，继续全回流 2,h．然后将阀门 10打开，进行全采出，并每半分钟取一次样进行分析，当塔顶的温度明显低于平衡温度时，停止取样和采出操作．

原料分别为甲醇/乙醇(α=1.72)和乙醇/正丙醇(α=2.10)两种混合物，并考察了不同进料轻组分质量分数对平台期时间的影响．

图2 平台期验证实验装置Fig.2 Experimental apparatus for the concentration platform confirmation

2.2 实验结果和讨论

两种物系进料轻组分质量分数是 0.5时，塔顶轻组分质量分数随温度变化见图 3．其中甲醇/乙醇物系的塔顶轻组分质量分数维持在 0.995以上 6,min，而对乙醇/正丙醇物系，时间是 8.5,min．两种物系平台期时间都很长，而乙醇/正丙醇物系时间更长的原因是其相对挥发度更大．

图3 两种物系的塔顶浓度平台期结果Fig.3 Curves of overhead concentration platform with time for two mixtures

甲醇/乙醇物系的塔顶、塔釜温度变化情况如图4所示，整个过程中塔釜温度几乎不变，而塔顶温度在前 8.5,min不变，然后不断升高．塔顶温度变化与塔顶浓度变化情况相似，形成了一个温度变化的平台期．当进料轻组分质量分数变化时，塔顶平台期的实验结果如图 5所示．当进料轻组分质量分数越高时，平台期时间越长．

图4 甲醇/乙醇物系的塔顶和塔釜温度变化Fig.4 Curves of temperatures of tower top and rebolier with time for methanol/ethanol mixture

图 5 乙醇/正丙醇物系不同进料时的浓度平台期随时间变化情况Fig.5 Changes of overhead concentration platform with time under different feeding concentrations of ethanol/1-propanol

3 无储罐循环全回流方式

根据塔顶平台期现象，当全回流转为全采出时，能得到高浓度的产品，然后当塔顶轻组分质量分数下降时，转为全回流，如此全回流-全采出循环直到操作结束．这种方式属于循环全回流的一种，特点是无塔顶储罐，称为无储罐循环全回流方式．

将该方式与恒回流比方式比较，计算 18块理论板、相对挥发度为 2.4条件下，不同进料轻组分质量分数和收率需要的时间．其中编号 1代表常规恒回流比，编号 2代表无储罐循环方式．比较结果见表3，其中P为产品量，mol．表3中例子A2的塔顶轻组分质量分数随产品收率的变化见图6，A1和A2塔顶浓度随时间变化见图7．表3表明新操作方式消耗时间少．表明了新方式的分离效率较高．

图6中，每个塔顶轻组分质量分数的“凸起”代表了一个全回流-全采出的循环单元．如图所示共有8个循环，代表了达到0.68的收率时，共经过了8次循环操作．绝大部分的采出液轻组分质量分数均大于要求产品浓度(wP=0.99)，经计算可知采出液达到了产品浓度要求．

表3 不同操作方式结果比较Tab.3 Comparison of the results of different operation modes

图6 塔顶产品轻组分质量分数随产品收率的变化(A2)Fig.6 Overhead concentration platform changes in the function of the product yield(A2)

图7 新方式与恒回流比方式塔顶轻组分质量分数的比较Fig.7 Comparison of overhead concentration between cyclic total reflux operation without reflux drum and constant reflux ratio operation

如图 7所示，在第一次全回流阶段过程中，两种操作方式采出前的塔顶轻组分质量分数一致．在操作中，为了提高分离效率，当塔顶轻组分质量分数超过产品轻组分质量分数要求后开始全采出．所以图 7中的平台期形状与图 1的形状有所不同．新方式中后面的循环时间较长，原因是后期整个系统中轻组分的平均轻组分质量分数降低，而使全回流所需时间变长．新方式收率相同情况下采出时间短．

4 结 语

在循环全回流操作中，通过实验和模拟证明了塔顶浓度平台期的存在，并在此基础上提出了塔顶无储罐循环全回流操作．该操作方式的特点是全回流操作和全采出操作交替进行，模拟结果表明新操作方式与恒回流比方式比较，节省时间8%～14%．

［1］ Treybal R E. A simple method for batch distillation[J]. Chem Eng，1970，10(7)：95-98.

［2］ Barolo M，Botteon F. Simple method of obtaining pure products by batch distillation[J]. AIChE J，1997，43(10)：2601-2604.

［3］ Gruetzmann S，Fieg G，Kapala T. Theoretical analysis and operating behaviour of a middle vessel batch distillation with cyclic operation[J]. Chemical Engineering and Processing，2006，45(1)：46-54.

［4］ Gruetzmann S，Fieg G，Skogestad S. Experimental and theoretical studies on the start-up operation of a multivessel batch distillation column[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research，2009，48(11)：5336-5343.

［5］ Sørensen E，Skogestad S. Optimal operating policies of batch distillation[C]//Proceedings and Symposium. Kyongju，Korea，1994：449-456.

［6］ Sørensen E. A cyclic operating policy for batch distillation-theory and practice[J]. Comput Chem Eng，1999，23(4/5)：533-542.

［7］ Bai P，Hua C，Li X G，et al. Cyclic total reflux batch distillation with two reflux drums[J]. Che Eng Sci，2005，60(21)：5845-5851.

［8］ Bai P，Li X F，Sheng M，et al. Study of dual temperature control method on cyclic total reflux batch distillation[J]. Chem Eng Process，2007，46(8)：769-772.

［9］ Bai P，Song S A，Sheng M，et al. A dynamic modeling for cyclic total reflux batch distillation[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering，2010，18(4)：554-561.

Cyclic Total Reflux Operation Without Reflux Drum Based on Concentration Platform

JIANG Zhan-kun1,2，BAI Peng1,2，LIU Yan1,2
(1. Key Laboratory of Systems Bioengineering，Ministry of Education，Tianjin 300072，China；2. School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Total reflux and total withdrawal operation is the basic operation in cyclic total reflux operation. In the total withdrawal operation, a special phenomenon named “overhead concentration platform” (OCP) was proposed for the first time in the paper，and was studied experimentally and theoretically. The simulation results indicated the number of theoretical trays and the relative volatility influenced the OCP phenomenon distinctly. The experiments were carried out with two mixtures, methanol/ethanol and ethanol/1-propanol. The experiments and simulation certified the existence of OCP. Based on the OCP phenomenon, a new cyclic total reflux operation without reflux drum was proposed. The new operation mode was compared with the constant reflux ratio operation and the computational results showed that the new mode was effective and time-saving.

batch distillation；cyclic total reflux；no reflux drum

TQ028.1

A

0493-2137(2012)04-0357-04

2011-01-11；

2011-03-13.

姜占坤（1985— ），男，博士研究生，jiangzhankun@yahoo.com.cn．

白 鹏，bp2008@eyou.com.