分离丙酮-乙醇-水物系的隔壁塔设计与优化

王洪海，边娟娟，梁建成，李春利

（河北工业大学 化工学院，天津 300130）

分离丙酮-乙醇-水物系的隔壁塔设计与优化

王洪海，边娟娟，梁建成，李春利

（河北工业大学 化工学院，天津 300130）

利用Aspen Plus模拟软件，建立了分离丙酮-乙醇-水物系的隔壁塔工艺流程。在保证丙酮产品纯度不低于99.2%的前提下，使用响应面法分析了隔壁塔的结构参数对能耗的影响，拟合出塔结构参数与再沸器热负荷的二次方程，对隔壁塔的结构参数进行了优化。优化结果为：预分离段、公共精馏段、公共提馏段和侧线采出段的理论塔板数分别为22，20，19，18；预分离段的进料位置为第16塔板，公共提馏段的再沸器热负荷为405.63 kW。验证结果显示，优化结果与模拟结果的相对误差为0.65%，说明流程模拟与响应面法相结合用于隔壁塔结构参数的优化可行。与传统工艺相比，隔壁塔分离工艺的设备费用降低26.86%、年度总费用降低41.10%。

隔壁塔；Aspen Plus软件；丙酮-乙醇-水物系；响应面法

1933年，因为裂解气的分离，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］首次提出了单塔结构的DWC设计方案。截至到2016年3月全球投入使用的DWC已超过250座。在热力学上，DWC等同于Petlyuk塔［3-4］，区别是DWC中液相分配和汽相循环在同一块塔板上发生［5］，消除了返混现象，从而降低了能耗、减少了碳排放［6］。DWC将多个分离目标在单塔中实现，有效减少了设备投资［7-8］。然而，DWC较常规精馏塔有更多的自由度，且各因素之间具有很强的非线性关系，因此DWC的设计优化较复杂，制约了它的广泛应用。

目前，应用数学方法或计算机编程方法与模拟软件相结合对复杂精馏系统进行优化［9-15］不仅降低了操作难度，也使得优化结果与模拟结果越来越吻合。

本工作采用Aspen Plus软件模拟分离来自发酵醪液的丙酮-乙醇-水混合物的DWC工艺，利用响应面法对DWC的结构参数进行优化，以年度总费用为目标比较了DWC工艺与传统工艺。

1 分离丙酮-乙醇-水物系的DWC模拟

传统工业常采用两塔序列分离来自发酵醪液的丙酮-乙醇-水混合物（如图1所示）。混合物在塔C1中初步分离，塔顶得到纯度不低于99.2%（w）的丙酮，塔底的乙醇和水混合物作为塔C2的进料；在C2塔顶得到乙醇与水的共沸物，塔底得到水。

图1 传统工艺流程Fig.1 Flowsheet of traditional process for the separation of the acetone-ethanol-water system. B：bottom product；C：column；D：distillation product.

DWC的结构见图2。采用如图2所示的DWC分离丙酮-乙醇-水混合物，原料在预分馏段（1）中进行非清晰分割，部分乙醇与水随轻组分丙酮进入公共精馏段（2），部分乙醇随重组分水进入公共提馏段（3），在公共精馏段（2）中乙醇和水进入侧线采出段（4），丙酮从塔顶采出；在公共提馏段（3）中乙醇与部分水进入侧线采出段（4），剩余的水从塔底采出，来自公共精馏段（2）和公共提馏段（3）的乙醇和水以共沸物形式从侧线采出段（4）采出，从而实现混合物的分离。

图2 DWC的结构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软件中用Radfrac模块将DWC设计为如图3所示的四塔模型［16］。

图3 DWC的工艺流程Fig.3 Flowsheet of the DWC process. L：liquid；SS：side draw product；T：tower；V：vapor.

该模型由预分离段T1、公共精馏段T2、公共提馏段T3和侧线采出段T4与一个汽相分配器以及一个液相分配器进行物料与能量耦合集成。T2只有冷凝器，T3只有再沸器，T1和T4既没有冷凝器也没有再沸器。

原料为含丙酮75%（w）、乙醇21.8%（w）、水3.2%（w）的混合物，进料量500 kg/h，泡点进料，热力学模型选用NRTL，模型参数取自Aspen Plus软件。塔的基本参数包括4个塔段的塔板数和进料位置，根据DWC的启发式规则［17］计算出T1的理论塔板数为20、T2的理论塔板数为22、T3的理论塔板数为20、T4的理论塔板数为19，预分馏段在第16块塔板进料，液相分配比和汽相分配比的初值均为0.5。

2 响应面法优化四塔模型

DWC较常规塔有更多的自由度，同样，DWC的四塔模型中有多个操纵变量，且变量间相互关联，每调节一个变量都会使该模型的能耗发生变化，所以采用纯粹的单因素分析很难得到更优的操作参数。响应面法是借用响应性能对设计变量的灵敏程度，将实验数据或模拟数据拟合成目标与设计变量有关的函数近似表达式，对设计变量进行优化。考虑到DWC的四塔模型中只有一个再沸器和一个冷凝器，同时，冷凝器所用的冷量随再沸器热量消耗的减少而减少，所以可用T3塔釜再沸器的热负荷（QT3）作为整个优化过程的目标函数，并使其最小化。

2.1 单因素分析汽液分配比

对液相分配比和汽相分配比进行单因素分析，分别考察了液相分配比和汽相分配比对再沸器热负荷的影响，结果见图4。由图4可看出，液相分配比和汽相分配比分别为0.5和0.6时，再沸器热负荷最低，由此确定液相分配比和汽相分配比分别为0.5和0.6。

图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 塔结构参数优化

为研究四塔模型中4个塔的塔板数和T1的进料位置等5个因素对目标函数的影响，采用Design Expert软件中的中心组合设计对5个变量进行5因素3水平的实验设计。中心组合设计的编码值、因素和水平如表1所示。确定各因素的各水平后，以5因素3水平设计了50组实验，使用Aspen Plus模拟得到各组实验的QT3，并利用响应面法得到任意两因素对QT3影响的三维视图。

NT4与FT1对QT3的三维响应视图见图5。三维视图中等高线的形状可以解释两个因素对QT3的影响程度，三维视图为凸面说明两个因素对QT3的影响明显。

表1 中心组合设计的编码值、因素和水平Table1 Coded values，factors and levels for central composite design

拟合得到NT1，NT2，NT3，NT4，FT1对QT3的回归方程：

图5 NT4与FT1对QT3的三维响应视图Fig.5 3D response surface graph of NT4versus FT1for QT3.

拟合结果表明，NT1= 22，NT2= 20，NT3= 19，NT4= 18，FT1= 16时，QT3最小，为405.63 kW。使用Aspen Plus模拟计算优化参数下的QT3为408.28 kW，与拟合结果的相对误差为0.65%，说明该优化方法能有效优化DWC工艺。

3 DWC工艺与传统工艺的对比

引入年度总费用，回报期为3 a，对DWC工艺和传统工艺进行了比较。设备费用指数选用2011年末的数值1 536.5，冷凝水和热蒸汽的价格选用2016年6月价格的平均值。两种工艺的设备费用与操作费用的对比见表2。由表2可见，在保证产品产量及纯度的前提下，DWC工艺比传统工艺的设备费用降低了26.86%，热公用工程减少52.21%，冷公用工程减少40.29%，年度总费用减少41.10%。

表2 DWC工艺和传统工艺优化结果的对比Table 2 Comparison of the optimization results of DWC and traditional process

4 结论

1）使用DWC工艺代替传统的两塔序列工艺分离来自发酵醪液的丙酮-乙醇-水混合物，利用Aspen Plus软件建立了DWC的四塔模型。

2）维持丙酮产品纯度不低于99.2%的前提下，利用响应面法建立了QT3的最优化数学模型，优化结果为NT1= 22，NT2= 20，NT3= 19，NT4= 18，FT1= 16，QT3= 405.63 kW。验证结果显示，优化结果与模拟结果的相对误差为0.65%，说明流程模拟与响应面法相结合用于DWC结构参数的综合优化是可行的。

3）对比DWC工艺与传统工艺，DWC工艺的设备费用减少26.86%、热公用工程减少52.21%、冷公用工程减少40.29%、年度总费用减少41.10%。

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（编辑 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，河北省文安县人，博士，教授，电话 13902122829，电邮 ctstwhh@163.com。联系人：李春利，电话 13902063302，电邮 ctstlcl@163.com。

河北省科技计划项目（15964505D，16214505D）。