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隔壁精馏塔的计算与优化



引言
隔壁精馏塔(divided wall column,DWC)是一种新型的节能精馏工艺,其在节约能耗和降低设备投资方面较传统精馏方法优势显著。隔壁精馏由美国的Wright[1]在1949年率先提出,是完全热耦合精馏塔的一种特殊类型,从热力学意义上讲隔壁塔与完全热耦合塔等效[2]。隔壁精馏塔和热耦合精馏塔的不同之处在于:热耦合精馏塔工艺的预分离塔由内连接流股连接起来,与主塔独立安装于不同位置,而隔壁塔将预分离塔与主塔集成在一个塔体内部,这种结构有效减少了中间物质的返混,提高了热力学效率,从而可以节省操作费用和设备投资。研究表明,隔壁精馏塔可节约操作能耗和设备投资20%~40%[3]

1  三组分隔壁精馏塔的简捷设计方法
DWC的工艺流程如图1-1所示,其塔内设置一个垂直隔壁,隔壁将塔分成4个部分,分别是隔壁上部的公共精馏段、隔壁下部的公共提馏段、隔壁两侧的预分离段和中间采出段。以三组分分离为例,A是轻组分,B是中间组分,C是重组分,物料在预分离段进行非清晰分离,轻组分A和部分的中间组分B进入公共精馏段,部分的中间组分B和重组分C进入公共提馏段,然后在公共精馏段将AB分离,并在公共提馏段将BC分离,最终塔顶得到轻组分A,塔底得到重组分C,中间组分B在中间采出段某一位置达到最大浓度并通过侧线采出,从而由一个隔壁塔就可以同时得到3种高纯度的物质。

图1-1 隔壁精馏塔的工艺流程
由于 DWC 复杂的内部结构和较多的自由度,因此设计方法比较复杂,常用的过程模拟软件中没有标准的单元模块对隔壁精馏塔进行模拟,因此必须借助简单的精馏塔模型组合成等价于隔壁精馏的流程进行模拟。在对隔壁精馏塔模拟之前,首先对其进行简捷模拟计算,利用简捷模拟的结果为严格模拟提供合适的初值,合适的初值能够保证严格模拟有较好的收敛性。图1-2为隔壁精馏塔简捷计算的等价模型。塔1相当于DWC的预分离段,塔2的精馏段相当于DWC的公共精馏段,塔2的提馏段和塔3的精馏段相当于DWC的中间采出段,塔3的提馏段相当于DWC的公共提馏段。

图1-2 隔壁塔简化三塔序列
1.1  设计参数的确定
塔1塔顶采用部分冷凝器,塔顶饱和汽相出料,塔底饱和液相出料。利用Underwood方程:

A、C为塔1的轻重关键组分,其回收率已知,d1A、d1C已知,塔1中只有一个关键组分,因此θ有2个值,可计算出多个R1min值,设计时取其平均值。利用Fenske方程计算出塔1的最小理论板数,即

由Gilliland关联式计算塔1在一定回流比下的总理论板数N1,即

再由Kirkbride公式计算塔1的进料位置:

式中:n1为塔1精馏段理论板数;m1为塔1提馏段理论板数。
用以上方法对塔1进行简捷计算,得到了最小回流比R1min、最小总理论板数N1min、总理论板数N1以及进料位置。塔2和塔3同样利用Fenske-Underwood-Gilliland-Kirkbride方程计算回流比、理论板数、进料位置等。
1.2  简捷计算约束条件
简化的三塔流程等效于隔壁精馏塔流程,其中塔1代表预分离塔,塔2和3代表主塔,因此塔2中提馏段的上升蒸汽量(V2`)应该等于塔3中精馏段的上升蒸汽量(V3),即满足公式
V2`=V3                                   (1)
隔壁精馏塔预分离段和侧线采出段的理论板数应当相等[4],如果不相等就会导致隔壁偏离塔体的中心位置,会导致塔体结构不稳定,同时也给安装带来很大困难,因此塔2的提馏段理论板数(m2)与塔3的精馏段理论板数(n3)之和应当等于塔1的总理论板数(N1),即满足公式
N1=m2+n3                            (2)
式(1)和式(2)为DWC进行间接计算的2个重要的约束条件,由式(1)可以推出回流比R2和R3的关系式为
(R2+1)D2-F2=(R3+1)D3        (3)
式中D2、F2、D3都是已知,因此根据R2的估测值就能得到R3,得到R2、R3以后利用Gilliland关联式求出N2和N3,再根据Kirkbride公式得到n2/m2和n3/ m3 如果不满足m2+n3=N1,那么R2估测值是错误的,需重新估测R2直到满足式(2)为止。
1.3  DWC简捷计算设计实例
以苯-甲苯-二甲苯的分离为例,采用第1.2节建立的简捷计算方法设计[5]。三塔采用Aspen Plus中DSTWU模块,状态方程选择NRTL方程。混合物组成及分离要求如表1-1所示。根据本文所述的简捷计算方法,得到DWC简捷法计算结果如表1-2所示。
表1-1 计算数据

表1-2 简捷法计算结果


2  隔壁精馏塔的严格模拟
2.1 参数输入
DWC的严格模拟选择Aspen Plus中Multifrac模块,Multifrac模块具有模拟内连流股的能力,采用内外层迭代的算法,具有较好的收敛功能。DWC的模拟流程如图2-1所示。在简捷计算基础上,输入各塔段的理论板数和各流股的进出塔位置。由于有两股气相物料分别由预分离塔进入主塔和主塔进入预分离塔,因此预分离塔塔顶的压力应当高于主塔的压力,而预分离塔塔底的压力应当小于主塔的压力。由自由度分析可知,DWC模拟在给出理论板数、各流股的进出塔位置以及塔板压力条件之外,还应当给出其他5个参数:主塔塔顶液相采出量D、主塔回流比R、中间侧线采出量SP、预分离段液相回流量L1和上升蒸汽量V1
2.2  严格模拟计算结果
利用Aspen Plus中的灵敏度分析功能对各操作参数进行优化,此优化方法是一种单因素简单优化方法,即假设其他参数不变的情况下,考察某一种参数对再沸器能耗和产品纯度的影响。各参数与再沸器能耗Qb和产品纯度的变化关系如图2-2所示,yD为塔顶采出物料中苯的纯度;yS为中间采出物料中甲苯的纯度;yB为塔底采出物料中二甲苯的纯度。最终得到的优化结果如表2-1所示。

图2-1 DWC模拟流程




图2-2 各参数对 DWC再沸器能耗和产品纯度的影响
表2-1 严格模拟优化结果

3  结论
本文讨论了三组分隔壁精馏塔的简捷计算方法,并在简捷计算结果的基础之上对隔壁精馏塔进行了严格模拟,然后利用Aspen Plus中灵敏度分析对各设计参数进行了单因素优化分析,得到了优化结果。可见,利用Aspen Plus中的Multifrac模块可以对 DWC 进行计算与简单优化。

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