分壁精馏塔分离五元体系的稳态及动态研究

华 涛，邱 洁，何桂春，伍 祥，凌 昊

（华东理工大学 化学工程联合国家重点实验室，上海 200237）

分壁精馏塔（DWC）是一种典型的化工过程强化设备，可大幅度地节省能耗和设备投资［1-2］。分离三组分混合物的DWC，国内外均有大量的研究报道，叶青等［3-4］将DWC应用于裂解汽油和醇体系的模拟及实验工作。Ling等［5-7］考察了三组分DWC的组分、温度、温差控制方案，结果表明，组分控制具有更好的控制效果。朱登磊等［8］将DWC应用于乙烯装置顺序分离流程，实现了C1，C2，的分离。李沐荣等［9］提出了带中间换热器的热泵精馏DWC。孙兰义等［10-12］深入研究了反应精馏型DWC的分离规律。郭艳姿［13］研究了对二甲苯吸附抽出液的DWC工艺。除此之外，DWC也可用于萃取精馏［14］。

在四组分DWC方面，Kaibel［15］提出一种单隔板结构（Kaibel DWC，KDWC）。宋二伟等［16］对KDWC的稳态及简捷设计进行了研究。Skogestad课题组进行了相关的模拟及实验工作［17-18］。蔺锡钰等［19］对KDWC进行了研究，结果表明组分控制可以应对±10%的进料流量和组成波动。王志锋等［20］研究了三隔板DWC，发现其节能潜力高于KDWC。在五元体系的研究方面，Kiss等［21］研究了两个DWC串联的方案，但并未实现单塔分离五组分的目标。

本工作以甲醇（M）、乙醇（E）、正丙醇（P）、正丁醇（B）和正戊醇（H）五元体系为研究对象。建立了由一个常规塔和Kaibel分壁精馏塔组合（CKDWC）和强化的DWC（EDWC）的严格稳态精馏模型，考察了组分控制结构在应对进料流量和组成发生±10%波动时的控制效果。

1 稳态设计

以M，E，P，B，H五元体系为研究对象，五种物质在常压下对应的沸点为337.8，351.6，370.3，390.8，410.5 K，相对挥发度为16.31，9.16，4.38，2.05，1。五组分混合物等摩尔进料，流量为3 600 kmol/h，进料温度为361 K。

稳态模拟过程采用Aspen Plus软件中的Rad Frac模块，物性方法选择WILSON模型，在Aspen软件中采用WILSON方程调用各组分的饱和蒸气压数据，并与文献［22］中的蒸气压数据对比，两者具有很好的吻合度。产品设计纯度均为99%（x），塔顶压力为101 kPa，塔板压降为0.686 8 kPa。

1.1 常规分离流程稳态设计

常规方法分离五组分混合物时需要使用四个精馏塔且分离流程众多。常规四塔分离序列见图1。该序列中C1塔用于甲醇和乙醇的分离，C2塔用于丙醇和丁醇的分离，C3塔用于乙醇和丙醇的分离，C4塔用于丁醇和戊醇的分离。以最小年总投资（TAC）为目标［23］对各精馏塔的塔板数、进料位置、C1塔塔釜中的甲醇杂质含量、C2塔塔顶中的丁醇杂质含量、C2塔塔釜中的丙醇杂质含量进行优化。TAC包含年度设备回收成本及能耗成本，年度设备回收成本由资金回收成本除以合适的折旧周期得到。

图1 常规四塔分离序列Fig.1 Conventional separation sequence of four-column structure.

表1为优化后的相关设计参数。由表1可知，流程总塔板数为240块，总负荷为117.68 MW。

表1 常规分离序列设计参数Table 1 Design of conventional separation sequence

1.2 CKDWC稳态设计

CKDWC由一个常规塔和KDWC组合而成，在稳态模拟中KDWC可由一个汽提塔（仅有一个再沸器）、一个精馏塔（仅有一个冷凝器）和两个并列的吸收塔组成［20］。仍以TAC为目标对精馏塔结构进行优化，常规塔的优化方法与前文相同，Kaibel塔需要优化的参数为塔板数、进料位置、两条侧线的采出位置、分气比（βV）和分液比（βL）。然而，在实际操作中DWC的加工难度要高于常规塔，因此在设备核算时要将相应的费用乘上一个系数（1.2）［23-24］。

图2为优化后的塔体结构。由图2可知，常规塔有65块塔板，KDWC共有88块塔板，其中第13～70块板间对应的隔板进料侧区域为预分馏段（pre），其他区域为主塔段（mai）。KDWC的βL为自第13块塔板处液相流入预分馏段所占的比值0.388，βV为自第70块塔板处气相进入预分馏段所占的比值0.630。5个产品的纯度均达到99%（x）的设计要求。

表2为CKDWC的相关设计参数。由表2可知，常规塔塔釜再沸器负荷（QR）为36.19 MW，KDWC的QR为55.08 MW，流程总负荷为91.27 MW。对比表1和表2可知，CKDWC较常规分离序列QR可节省22.4%，TAC节省22.7%；KDWC较对应的常规分离序列QR可节省32.1%。

图2 CKDWC稳态设计Fig.2 Steady state design of CKDWC.

表2 CKDWC设计参数Table 2 CKDWC optimum design

图3为CKDWC的液相组成。由图3（a）可知，CC塔完成了甲醇和乙醇的分离，但乙醇在进料位置及塔釜附近出现了返混。由图3（b）可知，KDWC预分馏段中丙醇和丁醇也出现了一定程度的返混。同时，对于KDWC而言，必须选择合适的βL来控制预分馏段顶部的丁醇含量，因为过量的丁醇组分越过隔板会以液态的形式自侧线采出，从而导致侧线产品无法达到设计要求。

图3 CKDWC液相组成Fig.3 Composition profiles in CKDWC.

1.3 EDWC稳态设计

KDWC只能对三组分或四组分体系进行高纯度分离，单个DWC分离五元体系时塔内应至少含有两块隔板，本工作使用EDWC对五元体系进行分离。稳态模拟流程如图4所示，EDWC可由一个汽提塔（无冷凝器）、五个吸收塔、及一个精馏塔 （无再沸器） 组合而成，图中虚线为气相流股，实线为液相流股。EDWC内部安装两块隔板将塔体分为三个区域（C11为预分馏段，C21、C22为中间段，C31、C32、C33和C34为主塔段），其中预分馏段进行丙醇和丁醇的清晰分割，该段应避免丁醇从顶部越过隔板，同时也应避免过量的丙醇自底部越过隔板；中间段要实现甲醇和丙醇的清晰分割，该段要避免丙醇越过隔板顶部，也应避免甲醇越过隔板底部；主塔段塔顶采出甲醇，塔釜采出戊醇，乙醇、丙醇、丁醇依次自侧线采出。

图4 EDWC稳态模拟流程Fig.4 Simulation flow sheet of EDWC.

EDWC中的进料状态、产品要求、物性方法均与CKDWC的相同。仍以TAC 为目标对流程进行优化，需优化的参数包括各段塔板数，两组分气βL及进出料位置，由于EDWC 在结构上更加复杂，因此在设备核算时需将相应的费用乘上系数1.3［23-24］。图5为优化后的塔体结构。由图5可知，全塔共有116块塔板，第一分液比（βL1）为0.621，第二分液比（βL2）为0.480；第一分气比（βV1）为0.623，第二分气比（βV2）为0.398。

图5 EDWC稳态设计Fig.5 Steady state design of EDWC.

表3为EDWC设计参数。由表3可知，EDWC的QR为72.21 MW，塔径为7.97 m，EDWC的TAC为1.432×107$/a，和常规分离序列相比，EDWC可节能38.6%，TAC节省36.2%，和CKDWC相比QR可节省20.9 %。

表3 EDWC设计参数Table 3 EDWC optimum design

图6为EDWC的液相组成图。由图6可知，5个产品纯度均达到设计要求。EDWC有两组分气的βL，由于液体自上而下流动，而βL1的位置高于βL2，因此一般来说βL1的变化对全塔温度分布的影响要高于βL2；同样，气体自下而上流动，βV1的位置低于βV2，对全塔温度分布的影响也比βV2要大。由图6（b）可知，丙醇组分摩尔百分数在预分馏段下部出现一个极大值、丁醇组分在预分馏段上部也出现一个极大值，这说明预分馏段中丙醇和丁醇组分均存在一定程度的返混现象，对于精馏过程而言，返混造成的热力学损失会导致分离过程的能耗升高；从中间段的液相组成中可以看出，乙醇组分在第32～46块板间也出现了轻微的返混，从本质上来说，这是由于EDWC内部热量耦合造成的，第36～46块板间主塔段中乙醇含量自上而下迅速降低，并在第47块板处与来自中间段的液相相互混合，混合后的液相则被上升的气相重新“携带”至中间段和相应的主塔段中，这样主塔段中（第46块板附近）含量较低的乙醇组分就越过隔板底部进入中间段，也就造成了中间段下部乙醇组分的返混现象。

图6 EDWC液相组成Fig.6 Composition profiles in EDWC.

2 EDWC动态控制

2.1 组分控制结构

EDWC在结构上较为复杂，主要包含QR、塔顶回流量（RW）、三条侧线采出量（S1，S2，S3）、两组分气分液比（βL1，βL2，βV1，βV2）等 9组操作变量，本工作采用传统的PID控制建立相应的组分控制结构。EDWC组分控制结构需建立相应的流量、液位、压力及组分控制回路，其中6个组分控制回路的配对方案为：1）塔釜控制回路采用QR控制预分馏段底部的丙醇含量；2）塔顶控制回路采用RW控制塔顶产品乙醇的杂质含量；3）上侧线控制回路以S1控制上侧线产品丙醇的杂质含量；4）中间侧线控制回路以S2控制中间侧线产品丁醇的杂质含量；5）下侧线控制回路以S3控制塔釜产品丁醇的杂质含量；6）βL控制回路采用βL1控制中间段顶部的丙醇含量。

在图5所示的稳态条件下，模拟流程处于最优点，但操作条件较为严苛，可考虑牺牲部分能耗来改善控制效果，将βV1由0.623减小至0.611，得到QR= 74.16 MW，与最优点相比能耗升高了2.7%。此时，可将相应的稳态文件按Luyben［23］提出的方法导入动态中，并对再沸器及冷凝器的尺寸进行计算，本工作再沸器的直径为4.55 m，高度为9.11 m。

动态模拟在Aspen Dynamic中完成，图7为EDWC控制结构。

图7 EDWC控制结构Fig.7 Control structure of EDWC.

由图7可知，流程中液位控制器的比例增益为2，积分时间为9 999 min；压力控制器的比例增益为20，积分时间为12 min；流量控制器的比例增益为0.5，积分时间为0.3 min。组分控制回路迟滞均为5 min，控制回路采用Tyreus-Luyben方法进行调谐以获得增益值和积分时间。具体调谐方法为：首先对塔釜控制回路进行调谐，将塔釜控制回路调至自动，同时保持其他控制回路为手动进行中继-反馈测试；而后依照相同的方法依次对塔顶、三条侧线及βL1控制回路进行调谐，相应的调谐参数见表4。

表4 控制器调谐参数Table 4 Tuning parameters of composition control structure

2.2 组分控制结果

本工作以稳定后的产品纯度（x）在98.5%～99.5%范围为合格产品。以原料中甲醇组分波动为例，图中甲醇组分含量增加10%表示甲醇摩尔百分数从0.20增至0.22，其他组分之间的摩尔比不变。

图8为进料流量及各组分含量波动±10%时的控制效果。由图8（a）可知，组分控制结构可以很好地应对进料流量±10%（x）的波动；由图8（b）可知，甲醇含量波动时，五个产品均得到了很好的控制；由图8（c）可知，进料中乙醇含量波动时，五个产品纯度得到了良好的控制，但乙醇产品纯度略有偏差，原料中乙醇组分增加10%（x）时稳定后的乙醇产品纯度为98.88%（x），减少10%（x）时乙醇产品纯度为99.11%（x）；由图8（d）可知，稳定后的乙醇和丁醇产品约有0.1%的偏差；由图8（e）可知，原料中丁醇组分增加10%（x）后，稳定后的丁醇产品纯度约为98.88%（x）；由图8（f）可知，戊醇含量波动时，各产品纯度偏差在0.06%以内；稳定后的丁醇产品纯度略有偏差，约为98.94%（x）。

图8 波动±10%的控制结果Fig.8 Control results of ±10% disturbances in EDWC.

3 结论

1）DWC在应用于五元混合物的分离过程中具有节能优势，EDWC可在一个塔内对五组分体系进行高纯度分离，与常规分离序列相比可节省QR38.6%，与CKDWC相比可节省QR20.9 %。

2）EDWC在预分馏段需实现丙醇和丁醇的清晰分割，该段丙醇和丁醇出现了一定程度的返混；在中间段需实现甲醇和丙醇的清晰分割，该段乙醇组分也出现了轻微的返混。

3）动态模拟的结果表明，组分控制策略在应对进料流量及组成发生±10%的波动时具有良好的控制效果。