回流比对隔板精馏塔多定态解数目影响分析

张耀昌,王二强

(1.中石化炼化工程(集团)股份有限公司洛阳技术研发中心,河南 洛阳 471000;2. 中国科学院大学 化学科学学院，北京 100049)

隔板塔(Dividing Wall Column, DWC)，又称为隔壁塔或热耦合精馏塔，是通过插入一块或多块竖直隔板，将一个塔体内部分割成多个部分。以分离三组分隔板塔(如图1)为例，在塔体内部放置一块竖直塔板将塔体分成6个 部分：公共精馏段(隔板上侧)、公共提馏段(隔板下侧)、预分馏部分上下段(隔板左侧进料位置上下部分)和侧线采出上下段(隔板右侧采出位置上下部分)。其中，隔板左侧预分馏塔段又称为副塔，公共精馏段、公共提馏段及侧线采出段合称为主塔。传统精馏分离过程，单个精馏塔仅实现双组分的分离，即分离三个组分需要两个塔串联(如图2，其中2a和2b分别代表直接序列和间接序列)。与传统精馏分离工艺相比，隔板精馏塔分离工艺具有明显的优势，如减少设备投资和占地面积。此外，隔板塔可以有效避免中间组分返混，提高热力学效率，大大节省能耗[1-2]。随着能源、环境及土地问题的凸显，隔板精馏技术逐渐走进人们的视野，且越来越受到工程师及研究学者的关注[1-8]。目前，该技术也越来越受到国内研发设计单位的关注[9-15]，且先后在2016年、2017年分别在长沙和天津举办隔板精馏技术专题交流会。

文献[16]曾报道过Petlyuk塔的多定态特性，指出在满足产品纯度的要求下，固定回流比和塔釜产品流率，存在两组内部耦合流股满足要求。关于隔板塔内部多重定态特性(输入多定态，即相同的进料和出料对应多组内部分气比、分液比满足产品纯度分离要求)，Wang课题组[17-19]进行了系列研究，并探索出多解寻找的简捷方法和首次提出将多定态现象引入到设计流程中。回流比是精馏操作中的重要参数，其取值的好坏直接影响到设备参数及操作能耗。同时，不同操作稳态(除内部分气比、分液比外，其它参数均相同)对隔板塔内部水力学影响不同，直接影响到对外部扰动的抗性强弱。因此，该文借助Aspen流程模拟软件来系统分析回流比对多稳态数目的影响。

图1 隔板塔Fig.1 Dividing wall column

a,b分别代表直接序列和间接序列图2 双塔串联分离工艺Fig.2 Two-column series module

1 简捷设计

本文选择正戊烷-正己烷-正庚烷三组分物系，进料条件为：总物质流 F=100kmol/hr, 正戊烷：正己烷：正庚烷=3:4:3(摩尔比)，进料压力为1atm，饱和液相进料，常压操作。产品纯度要求：塔顶产品中正戊烷、侧线中正己烷和塔釜产物中对正庚烷的摩尔分数分别为为95%，90%，95%。借助于Aspen Plus流程模拟软件，采用三塔模型[20]对该分离物系进行简捷设计(如图3)。

图3 三塔简捷设计模型Fig.3 Shortcut method using three-column module

得到简捷设计结果如表1所示。

表1 简捷设计结果Tab.1 Values from shortcut method

由于塔板数及进料位置均为整型参数，对 塔板参数进行取整计算且隔板两侧塔板数目取相等，得到隔板塔参数如图4所示。

2 回流比对多稳态数目的影响

本节基于第一部分得到的隔板塔初始参数，进行隔板塔严格模拟，分析回流比对多稳态解数目的影响。多解寻找方法采用Wang[18]提出的方法，该方法简单快捷，具体操作如下：

利用Aspen Plus的灵敏度分析模块，在回流比、侧线采出、塔釜采出及设备参数不变条件下，分析塔顶苯、侧线采出甲苯及塔釜采出二甲苯随分气比和分液比变化情况。然后利用Origin软件中等高线图模块得到满足目标产品要求的分气比、分液比数值即：Z1=f1(x, y), Z2=f2(x, y), Z3=f3(x, y),其中Z1代表塔顶产品中苯的摩尔分数，Z2代表侧线产品中甲苯摩尔分数，Z3代表塔釜产品中二甲苯的摩尔分数。最后，根据Z1，Z2，Z3三条曲线的交点个数判断稳态解数目情况。

采用隔板塔四塔等效模型(如图5)进行模拟分析研究。四塔模块中的精馏塔均选用Aspen Plus中的严格模块(RadFrac模块)：1个提馏塔T4(不含冷凝器)、2个平行吸收塔T2和T3(不含再沸器和冷凝器)和1个精馏塔T1(不含再沸器)；其中，T1,T2,T3和T4分别等效隔板塔的公共精馏段、隔板左侧预分馏段、隔板右侧侧线采出段和隔板公共提馏段。物性方程选择Chao-Sea. 参数如下：公共精馏段共3块塔板；预分馏段10块塔板，第5块为进料板(以预分馏段为基准)；侧线采出段10块塔板，第8块采出侧线(优化参数，以主塔为基准)；公共提留段共7块塔板。

图4 隔板塔初始参数Fig.4 Initial parameters of DWC

图5 隔板塔的等效四塔模型Fig.5 Four section model for DWC

采用Aspen Plus中的灵敏度分析模块，并借助等高线图法得到多稳态解数目随回流比变化的趋势如图6所示。

图6 多稳态解数目随回流比的变化

Fig.6 The number of multiple-steady states vary with reflux ratio

由图6可知，随着回流比变化，多稳态解的数目也随之变化。RR=4.5时，存在四组解(A,B,C,D四点)。随着回流比增大，D点逐渐消失，变为三组解(RR=6)，回流比继续增大，D点逐渐消失,变为两组(RR=20)，回流比继续增大，由变化趋势可以判断A、D两点也会逐渐先后消失,即当回流比达到一定数值后，单纯调节分气比、分液比(其它参数固定不变)不能达到产品纯度分离要求；RR<0.45，随着回流比减小，多稳态解数目也逐渐减少，达到最小回流比后，单纯调节分气比、分液比(其它参数固定不变)不能达到产品纯度分离要求。

3 结论

本文对隔板塔中存在的多重定态特性进行简单分析，并分析不同回流比对多稳态解数目的影响。通过分析多稳态解数目随回流比取值变化趋势，可以发现，随着回流比的变化，满足产品分离纯度的内部耦合流股(分气比和分液比)的组合数目随之变化，即存在四组、三组、两组、单组解、无解等。回流比直接影响到分流操作费用，而内部耦合流股不同组合又会影响到隔板塔体内部流场分布等。总而言之，本文研究可为后续隔板精馏塔设计优化的进一步深入研究提供一种新思路。