分壁塔替代两塔分离芳烃流程改造的研究

何桂春，张 英，伍 祥，华 涛，邱 洁，凌 昊

(1.华东理工大学化学工程联合国家重点实验室，上海 200237；2.中国石化抚顺石油化工研究院)

精馏是石油化工企业应用最广泛的单元操作之一，如何降低精馏过程的能耗对企业的节能降耗、CO2减排和改善空气质量均具有重要意义。化工过程强化技术被认为是解决化学工业“高能耗、高污染和高物耗”问题的有效技术手段，可望从根本上变革化学工业的面貌[1]。

分壁精馏塔(Divided-wall column，DWC)是完全热耦精馏技术的典型代表，是过程强化技术中的一种[2]，可用于分离三组分或者四组分混合物，且能有效避免中间组分的返混，较常规两塔流程可节省30%以上能耗，对于某些特定的物料，甚至高达到60%以上，设备投资节省30%[3]。

由于DWC在能耗与投资上的优越性，国内外对其研究也不断深入。Woff等[4]提出了以分液比作为调控变量的四点控制法。Mutalib等[5]首次提出了温度控制结构。Serra等[6]提出，与动态矩阵控制相比，PID控制效果更好。Ling等[7-9]以苯、甲苯和二甲苯(BTX)为研究对象，第一次借助Aspen Plus软件搭建成DWC的四塔模型，并提出了4×4新型控制回路，实现了对进料流量和组成±20%波动的有效控制。在工业应用方面，自1985年BASF公司实现DWC首次工程应用至今，约有60余套DWC装置在BASF公司的生产装置上运行[10]。而在世界范围内已有100多套DWC投入工业应用，包括用于天然气分离、乙酸乙酯提纯、芳烃分离、裂解汽油脱苯等工艺[11]。

苯、甲苯和二甲苯是有机化工的重要基础原料。在芳烃生产过程中，精馏操作是非常重要的一个环节，芳烃的精馏分离目前仍然以常规塔序列为主。从已有的研究成果来看，DWC适用于三组分甚至四组分的芳烃混合物的高纯度分离，而且相比于常规塔分离序列还具有投资和能耗上的优势，如果能够将分壁精馏塔结构应用于芳烃精馏分离过程，将会使得芳烃抽提装置所需的能耗大大降低。虽然DWC较常规塔序具有能耗和成本优势，然而若将现有装置替换为DWC仍会增加大量成本，同时也给现有装置的生产和施工带来不便。

为了解决上述问题，以BTX分离过程为研究对象，尝试性地提出常规两塔流程就地改造为DWC的3种可行方案，仅从稳态角度考察和对比3种DWC改造方案的可行性和节能效果。

1 常规两塔稳态模拟

模拟过程的原料组成情况如表1所示，进料温度为358.15 K，进料压力为0.9 MPa，进料流量8 500 kg/h；模拟过程采用Chao-Sea物性计算方法。产品分离目标为苯、甲苯和二甲苯(包括邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯)及剩余重组分的纯度(质量分数)分别达到0.999 5、0.999 7及0.999 9。常规两塔结构模型如图1所示。

表1 芳烃原料的组成

图1 常规两塔结构模型示意

图1流程中苯塔的塔板数为54，从第29块板进料，闪蒸罐和回流罐中的温度和压力分别为296.15 K和106.39 kPa，分离得到轻组分正戊烷和水)，苯产品从塔侧线出料，再沸器热负荷为0.917 8 MW；甲苯塔的塔板数为60，从第31块板进料，塔顶压力和温度分别为106.39 kPa和386.55 K，分离获得甲苯产品和重组分，再沸器热负荷为1.538 8 MW，两塔的塔板效率均为0.7。

2 分壁塔稳态模拟

DWC的稳态模拟过程使用Aspen Plus中的RadFrac模块。采用自建模块进行分壁塔主体结构的组合模拟，即采用一个汽提塔、两个并列的吸收塔和一个精馏塔进行模拟。

2.1 设计方案

首先，经过简捷计算可知，若要使此工业原料分离成的3个产品的纯度达到要求，所用DWC需要89块塔板，而图1流程中苯塔和甲苯塔的塔板数分别为54和60。这说明无论单独用苯塔还是甲苯塔都无法将其改造成满足分离要求的DWC。因此，在方案Ⅰ中考虑将其中一个塔改造为DWC，从侧线抽出一部分中间组分，塔底混合物进入另一个常规精馏塔完成剩余中间组分与重组分的二次分离。如此既能够利用分壁精馏塔的节能优势降低能耗，又因分壁精馏塔抽出部分中间组分而降低了两塔的分离负荷，减少了两塔的能耗。可以预期方案Ⅰ的塔结构相比常规两塔结构必然在能耗上有所降低。图2(a)为方案Ⅰ的简化概念图。

受限于苯塔和甲苯塔的塔板数，方案Ⅰ中，塔内依旧会存在较为严重的返混情况，为尽可能避免返混情况发生，最大限度地降低能耗，方案Ⅱ考虑将常规两塔结构中的某塔改造成分壁精馏塔的精馏段部分，而将另一塔改造成分壁精馏塔的预分馏段、侧线段及提馏段。按照这个思路，可以将原有的苯塔作为分壁精馏塔的精馏段，而将原有的甲苯塔作为分壁精馏塔的预分馏段、侧线段和提馏段。图2(b)为方案Ⅱ的简化概念图。

图2 不同改造方案的简化概念图

在常规的单隔板DWC中，预分馏段和侧线段的塔板数是一致的。其中预分馏段在分离轻组分和重组分上起着重要的作用，相对而言侧线段的作用并不大。故在方案Ⅲ中，可考虑将苯塔作为DWC的预分馏段，甲苯塔作为DWC的主塔，在苯塔的塔顶和塔底分别用两个气相流和液相流将苯塔和甲苯塔合并为一个分壁精馏塔，从而利用一个分壁精馏塔结构达到分离苯、甲苯和二甲苯(包括剩余重组分)的目的。图2(c)为方案 Ⅲ 的简化概念图。

2.2 稳态模拟

按照3个设计方案的设计思路，利用Aspen Plus进行相应模型的稳态模拟。方案Ⅰ中，考虑到甲苯塔的塔板数大于苯塔，可以选择甲苯塔改造为DWC结构，而苯塔的结构不变用作图2(a)中第二个塔，分离剩余的甲苯和重组分。按照方案Ⅱ的改造思路，DWC的精馏段塔板数为原流程的苯塔54块(不包括再沸器冷凝器)，原流程中的甲苯塔改造为预分馏段(侧线段)和提馏段，总塔板数之和为60块(不包括再沸器冷凝器)。方案Ⅲ在模型建立的过程中发现产品纯度无法满足设计要求，主塔的塔板数最少需要：精馏段15块(不含冷凝器)，侧线段32块，提馏段21块(不含再沸器)，总塔板数为68块。所以需要增加甲苯塔的塔板数才能达到分离要求。图3为3种方案中分壁精馏塔在Aspen Plus软件中的四塔结构模型示意。

图3 分壁精馏塔的四塔结构模型示意

上述稳态模拟过程中将分壁塔分为4个部分。图3中C1，C2，C3，C4分别表示分壁塔的预分馏段、侧线采出段、精馏段和提馏段，原料从C1塔中段进入，苯产品和甲苯产品分别从C3、C2侧线采出，轻组分杂质正戊烷和水从C3塔顶采出，重组分从C4塔釜采出。泵、压缩机、阀门等模块用于调节压力，确保各物流能够顺利进入相应模块。此外，模拟时各塔段相对于原塔塔径发生变化，工程改造时可根据比例调节塔板开孔率。

2.3 稳态模拟结果

在建立DWC模型后，需要优化的参数主要为侧线出料量，分液比和分气比，预分馏段、侧线段、精馏段及提馏段的塔板数等。对提出的3种设计方案分别进行优化，得到最优稳态结构参数。

方案Ⅰ优化后的最优结构和参数为：分壁精馏塔的总塔板数为60块，其中精馏段12块，提馏段1块，预分馏段和侧线段47块；进料位置为预分馏段第19块板，侧线出料位置为侧线段第15块板，侧线采出量为0.755 kg/s，分液比为0.213，分气比为0.475；两塔的总塔板数为54块，进料位置为第20块。两塔再沸器总负荷为2.173 0 MW，比常规两塔再沸器总负荷(2.456 6 MW)降低了11.5%，节能效果良好。

方案Ⅱ优化后的最优结构和参数为：分壁塔的总塔板数为114块，其中精馏段54块，提馏段22块，预分馏段和侧线段38块；进料位置为预分馏段第19块板，苯侧线出料位置为精馏段第35块板，甲苯侧线出料位置为侧线段第11块板，分液比为0.223，分气比为0.462。模拟过程中，由于分壁塔精馏段塔板数过多，苯与甲苯的分离效果极好，塔顶苯纯度远高于所需的0.999 5，但这对于企业生产销售没有帮助，且造成了预分馏段顶部的部分返混，在实际应用中可以考虑减少精馏段的塔板数。再沸器总负荷为1.660 6 MW，比常规两塔再沸器总负荷降低了32.4%，节能效果明显。

方案 Ⅲ 优化后的最优结构和参数为：分壁精馏塔预分馏段的塔板数为54块，主塔的塔板数为72块，其中精馏段15块，侧线段36块，提馏段21块；进料位置为预分馏段第25块板，苯侧线出料位置为主塔第4块板，甲苯侧线出料位置为主塔第22块板，分液比为0.222，分气比为0.455。塔内轻重组分均无返混现象，中间组分的返混也属于正常情况，全塔的液相组成分布情况良好。再沸器总负荷为1.622 3 MW，比常规两塔再沸器总负荷降低了34.0%，节能效果明显，但塔板数比原有甲苯塔增加12块，塔高也要相应增加，需额外的设备投资，全年总费用比常规两塔结构增加19.5%。

3种设计方案与常规两塔结构的部分操作参数及能耗对比见表2。

单从能耗角度分析，方案Ⅲ为最佳节能方案。但结合工程实施角度来看，方案Ⅰ虽仅在甲苯塔增加了分隔壁，但在实际操作过程中，将苯塔改造为分离剩余甲苯与重组分后，塔顶和塔釜温度分别由原来的79.6 ℃和136.5 ℃提高至121.0 ℃和161.4 ℃，远超过此塔原定设计温度，无疑将提高设备投资和能耗，且就节能效果来看，效果一般，故方案Ⅰ可行性不大；方案Ⅱ在增加分隔壁的基础上只需一条气相管线和一条液相管线连接两塔，改造投资小，塔内温度负荷低，且可达到大幅节能的目标。方案Ⅲ中甲苯塔需要增加额外塔板和气液相连接管路，且需要增加塔板数量，改造投资较大，工程实施也有一定的难度。因此，方案Ⅱ为3种方案中最优的改造方案。图4为方案Ⅱ的稳态设计图。

表2 3种设计方案与常规两塔流程的操作参数及能耗比较

图4 方案Ⅱ的稳态设计图

3 结 论

提出了3种将常规芳烃分离流程就地改造成分壁精馏塔(DWC)形式的改造方案。方案Ⅰ将甲苯塔改造为DWC，其后串联苯塔辅助分离甲苯和二甲苯，可节能11.5%；方案Ⅱ将苯塔作为DWC的精馏段，甲苯塔改造为DWC的预分馏段和提馏段，可节能32.4%；方案Ⅲ将苯塔作为DWC的预分馏段，甲苯塔作为DWC的主塔可节能34.0%。结合工程实施及节能效果来看，方案Ⅱ仅需在原流程的甲苯塔中增加分隔壁，同时增加一条气相管线和一条液相管线连接原流程的苯塔即可实现就地改造，塔内负荷低，在原有设备条件下即可满足操作要求，改造投资小，且可达到大幅节能的目标，是3种方案中最优的改造方案。

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