（化学工程专业论文）隔壁式反应精馏塔的模拟、优化及控制.pdf

摘要 过程强化与集成是化学工程和过程技术的一个重要研究领域，其优点集中体现在设 备和装置体积的减小，过程效率和安全性的提高，能量消耗和浪费的减少，最终带来较 高的经济效益。反应精馏与隔壁精馏塔是过程强化与集成的重要应用，而反应精馏原理 和隔壁塔原理结合起来，便构成了新型的隔壁式反应精馏塔。隔壁式反应精馏塔结合了 隔壁塔与反应精馏的优势，是一项反应与分离同时进行、高度强化的复杂技术，可以进 一步提高反应转化率和选择性、降低能耗、减少设备投资。国内外对此项技术研究较少， 因此是化工过程研究中较新的研究领域。 本文针对隔壁式反应精馏塔，以乙酸甲酯水解为例，应用a s p e np l u s 软件，阐述 了其计算模型的建立过程，并通过此方法建立了隔壁式反应精馏塔的两塔模型及三塔模 型，并由模拟结果阐述了隔壁式反应精馏塔比常规反应精馏塔热力学效率高的原因，分 别对水酯进料比、气相分配比、塔底再沸器热负荷、塔顶及侧线抽出量、水酯进料位置、 预分馏塔的结构进行了单变量分析，初步确定了各个变量的优化值，为隔壁式反应精馏 塔的进一步优化提供了初值。 以初步优化结果为基础，综合考虑操作条件与设备参数对年总费用( t a c ) 的影响， 对该隔壁式反应精馏塔的经济指标进行分析。在保证产品纯度要求以及乙酸甲酯转化率 要求的条件下，按照一定优化步骤，以t a c 最小为目标对其进行优化，获得了经济最优 化操作条件与设备参数。 以经济最优化结果为基础，分别以两塔模型与三塔模型，针对隔壁式反应精馏塔水 解乙酸甲酯的流程进行控制策略的研究，应用三温度控制回路来间接控制产品质量以及 反应物之间的化学反应计量平衡，由非方增益矩阵法d 限g ) 与相对增益矩阵法( r g a ) 法 确定温度灵敏塔板以及控制关系，应用继电反馈法以及t y r e u s l u y b e n 整定规则计算得到 p i 控制参数。对系统加入两种扰动对该控制结构进行测试，结果表明三温度p i 控制回路 可以较好的控制隔壁式反应精馏塔，并获得了可行的控制方案。 根据所提出的隔壁式反应精馏塔流程的特点，将该流程进行了改进。所得新流程不 但可以直接得到一定纯度的甲醇产品和乙酸产品，省去了后续提纯乙酸的过程，而且减 少了废水的排放，进一步降低了过程的能耗。 关键词：隔壁式反应精馏塔，a s p e n ，乙酸甲酯水解，模拟，优化，控制 s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o na n dc o n t r o ls t u d yo fr e a c t i v e d i v i d i n gw a l lc o l u m n d e l i a ny a n g ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f l a n y is u na n dp r o f x u e n u a nl i u a b s t r a c t t h ep r o c e s si n t e n s i f i c a t i o na n di n t e g r a t i o na r et h e i m p o r t a n tt e n d e n c yi nc h e m i c a l e n g i n e e r i n ga n dp r o c e s st e c h n o l o g y , w h o s em e r i t sm a i n l yf o c u so nr e d u c t i o no fe q u i p m e n t s i z e ，e n h a n c e m e n to fp r o c e s se f f i c i e n c ya n ds e c u r i t y , r e d u c t i o no fe n e r g yc o n s u m p t i o na n d w a s t e ，a n df i n a l l yb r i n gh i g h e re c o n o m i cb e n e f i t s r e a c t i v ed i s t i l l a t i o n ( r d ) a n dd i v i d i n gw a l lc o l u m n ( d w c ) i st w ok i n d so fi m p o r t a n t a p p l i c a t i o no fp r o c e s si n t e n s i f i c a t i o na n di n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h ec o m b i n a t i o no fr d a n dd w cf o r man e wc o n f i g u r a t i o n ，c a l l e dr e a c t i v ed i v i d i n gw a l lc o l u m n ( r d w c ) t h e r d w ci sac o m p l e x t e c h n o l o g y , i n t e g r a t i n gt h e m e r i t so fr da n dd w c ，w h i c h s i m u l t a n e o u s l yc a r r i e so nr e a c t i o na n ds e p a r a t i o n ，a n dt h u sf u r t h e ri m p r o v e st h er e a c t i v e c o n v e r s i o na n ds e l e c t i v i t y , r e d u c e st h e e n e r g yc o n s u m p t i o na n de q u i p m e n ti n v e s t m e n t r d w ci san e wr e s e a r c ha r e ai nc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s sr e s e a r c h ，s i n c et h e r ei ss t i l ln o t v e r ym u c hr e s e a r c hi nt h i sf i e l dd o m e s t i c a l l ya n df o r e i g n l y i nt h i st h e s i s ，t a k i n gt h eh y d r o l y s i so fm e t h y la c e t a t e ( m e a c ) a sa ne x a m p l e ，t w ok i n d so f c o m p u t a t i o nm o d e l sr e g a r d i n gr d w c ，t w o c o l u m na n dt h r e e c o l u m nm o d e l ，a r ee s t a b l i s h e d u s i n ga s p e np l u ss o f t w a r e a n dt h er e a s o no fh i g h e rt h e r m o d y n a m i ce f f i c i e n c yo fr d w c t h a nt h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s si se l a b o r a t e db ya n a l y z i n gt h er e s u l t sb e t w e e nr d w ca n d c o n v e n t i o n a lr d t h ee f f e c t so fc h a n g i n gr a t i oo fw a t e rf e e dt om e a c f e e d ，v a p o rs p l i tr a t i o ， r e b o i l e rh e a td u t y , t h ef l o wr a t eo ft o pa n ds i d ep r o d u c t s ，f e e ds t a g e so fw a t e ra n dm e a c ，t h e s t r u c t u r eo fp r e f r a c t i o n a t o ra r ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h ep r i m i t i v eo p t i m i z e dv a l u eo fe v e r y p a r a m e t e rh a sb e e nd e t e r m i n e d ，w h i c hp r o v i d e st h ei n i t i a lv a l u e sf o rt h ef u r t h e ro p t i m i z a t i o n o f r d w c t a k i n gt h ef o u n d a t i o no fp r e l i m i n a r yo p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，t h er d w ci sf u r t h e r o p t i m i z e dc o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so fo p e r a t i o na n de q u i p m e n tp a r a m e t e r so nt h et o t a la n n u a l c o s t ( t a c ) a n dt h e n ，t h ee c o n o m i co p t i m i z e do p e r a t i o na n de q u i p m e n tp a r a m e t e r sa r e o b t m n e d ，m i n i m i z i n gt h et a ca c c o r d i n gt o c e r t a i no p t i m i z a t i o n s t e p s ，m a i n t a i n i n gt h e p r o d u c t sp u r i t yr e q u i r e m e n t 舔w e l la st h em e t h y la c e t a t ec o n v e r s i o nr e q u i r e m e n t t a k i n gt h ef o u n d a t i o no ft h ee c o n o m i co p t i m i z a t i o nr e s u l t ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fr d w c i ss t u d i e d u s i n g t w o - c o l u m nm o d e la n dt h r e e - c o l u m nm o d e lr e s p e c t i v e l y , r e g a r d i n g h y d r o l y s i so fm e a c t h er e s u l ti n d i c a t e st h r e et e m p e r a t u r ec o n t r o ll o o p sc a nb eu s e dt o c o n t r o lt h ep r o d u c t sq u a l i t ya sw e l la st h es t o i c h i o m e t r i cb a l a n c es u c c e s s f u l l y t h en o n - s q u a r e r e l a t i v eg a i n ( n r g ) m e t h o da n dr e l a t i v eg a i na r r a y ( r g a ) m e t h o da r eu s e dt od e t e r m i n et h e t e m p e r a t u r ec o n t r o lt r a y sa n dp a i rt h em a n i p u l a t e da n dc o n t r o l l e dv a r i a b l e s t h ep ic o n t r o l p a r a m e t e r s a r eo b t m n e db yr e l a y f e e d b a c km e t h o da n dt y r e u s l u y b e ns e t t i n g 。t h e p e r f o r m a n c eo ft e s tt ot h ec o n t r o ls t r u c t u r et h r o u g ht w od i s t u r b a n c e sd e m o n s t r a t e st h a t t h i s c o n t r o lc o n f i g u r a t i o nw o r k sw e l l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er d w cf o rm e a ch y d r o l y s i sp r o p o s e df i r s t l y , a n e wf l o w s h e e ti sb r o u g h tf o r w a r d t h i sn e wf l o w s h e e tn o to n l yc a no b t a i nm e t h a n o l ( m e o h ) p r o d u c ta n dt h ea c e t i ca c i d ( h a c ) p r o d u c tw i t hc e r t a i np u r i t yd i r e c t l y , a n dc o n s e q u e n t l yo m i t t h ef o l l o w i n gh a cs e p a r a t i o np r o c e s s ，b u ta l s oc a l lr e d u c et h ew a s t ew a t e re m i s s i o n sa n d f u r t h e rr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ep r o c e s s k e yw o r d s ：r e a c t i v ed i v i d i n gw a l lc o l u m n ，a s p e n ，h y d r o l y s i so fm e t h y la c e t a t e ， s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，a n dc o n t r o l 中困石油人学( 华东1 硕士学位论文 符号说明 塔底抽出或塔底抽出量( k m o l h ) 塔顶抽出或塔顶抽出量( k m o l h ) 组分f 的摩尔浓度 隔壁式精馏塔 水进料量( k m o l h ) 乙酸 p i 控制器比例增益 正反应动力学常数 正反应动力学常数 最终增益 乙酸甲酯 甲醇 非方相对增益 预分馏塔 最终周期 再沸器热负荷( m w ) 反应速率( m o l ( l h ) ) 反应精馏 隔壁式反应精馏塔 侧线精馏段底部回流量( k m o l h ) 相对增益矩阵 侧线或侧线采出量( k m o l h ) 侧线精馏段 公共提馏段 年总费用 塔或塔段m 第n 块理论板的温度( ) 物流中组分f 的摩尔分数 相对增益矩阵 7 7 b 。 g 一 移岛 一 眦 r m r 胁 一 枞 s | | | 汛 脚 奶彳 符0 说明 a f 力 相对增益矩阵元素 积分时间常数( r a i n ) 7 8 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：墨盈笙盘出 日期：纱绎岛日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电 子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位 论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其它复制手段 保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：杨彳意、也日期：渺绛月日 指剥雠。以l ，吃之办降纣期：伽卞月么日 中国石油人学( + 仁东) 硕= 1 j 学位论文 第1 章绪论 1 1 前言 过程强化与集成是化学工程和过程技术的一个重要趋势，它吸引了越来越多的工业 团体和研究队伍竞相研究。过程强化与集成的众多优点集中体现在设备和装置大小的减 小，过程效率和安全性的提高，能量消耗和浪费的减少，最终带来较高的经济效益。 在过去的几十年里，化学工业就一直对反应与分离过程祸合在一个单独的装置( 即反 应精馏，r e a c t i v ed i s t i l l a t i o n ，r d ) 里的过程有着越来越强烈的兴趣r 1 1 。反应精馏的优点 有以下几点：由于可以克服化学反应和热力学限制，可以提高收率；可以抑制非目的反 应以提高选择性；通过热量的直接耦合降低能耗，尤其对于放热反应；防止热点的出现； 可以分离沸点相近的组分。 除了反应精馏外，还有其它的过程耦合的例子，如将不同的分离单元连接在一起。 对于三元体系的分离，著名的p e t l y u k 塔得到了深入的研究，它就是两个精馏塔的完全热 耦合。与常规精馏塔序相比，该类塔有更高的热力学效率，可以降低能耗。第一个塔( 预 分馏塔) 与第二个塔( 主塔) 共用一个冷凝器和再沸器，因此可以降低设备投资。 p e t l y u k 塔结构也可以整合到一个塔壳里面而得到隔壁精馏塔( d i v i d i n gw a l 1 c o l u m n ，d w c ) 。这种结构是通过在一个精馏塔里加一个垂直隔壁将塔分成预分馏塔和 主塔而实现的。隔壁精馏塔有以下优点：对于三元非共沸物系在一个塔壳里可以得到三 个高纯度的产品；可以减小中间组分的返混而大幅提高过程的热力学效率；同时，减少 设备的数目及投资。 但是由于隔壁精馏塔设计和控制经验比较少，因此它并未在工业上得到广泛应用， 然而，世界上该类塔的数目在不断增加。反应精馏塔和隔壁精馏塔都是常规精馏塔的深 入发展，另一方面，它们也代表了两种不同的过程耦合方式。 反应精馏原理和隔壁塔原理结合起来，便构成了新型的耦合装置，即隔壁式反应精 馏塔( r e a c t i v ed i v i d i n gw a l lc o l u m n ，r d w c ) 。隔壁式反应精馏塔将反应精馏应用于隔 壁塔中，增加了系统的综合程度，在化工工业中能大幅节能降耗，简化流程，提高效益。 以乙酸甲酯水解为例，如图1 1 所示，利用反应蒸馏技术可以提高乙酸甲酯水解反应的 转化率，但是该技术仍然存在一些缺陷，乙酸i 甲醇、水均从塔底抽出，得不到有效的 分离，无法获取纯度高的甲醇；而且，塔底抽出泵及其管线中的乙酸和甲醇易发生反应， 形成乙酸甲酯，降低转化率。利用隔壁式反应精馏塔技术可有效解决这些问题，甲醇作 第l 章绪论 为中间产品抽出，最大限度地减少了副反应。 甲醇 乙酸甲醇水乙酸水 甲薛乙 图1 - 1 传统的乙酸甲酯的水解反应两塔工艺与隔壁式反应精馏塔的比较 f i 9 1 - 1c o m p a r i s o nb e t w e e nc o n v e n t i o n a lp r o c e s sa n dr d w cp r o c e s sf o rm e a ch y d r o l y s i s 隔壁式反应精馏塔结合了隔壁塔与反应精馏的优势，是一项反应与分离同时进行、 高度强化的复杂技术，可以进一步提高反应转化率和选择性、降低能耗、减少设备投资。 1 2 精馏技术的发展 在化学工业上，精馏技术一直扮演着十分重要的角色，例如对原材料、反应产物的 提纯以及原油中石油各组分的分离等。据美国化学过程工业协会( c p i ) 1 9 9 1 年统计，在 石油和化学工业上，平均每年消耗相当于9 8 6 亿桶原油的能源，其中，大约4 3 消耗在 分离过程上。由此可见，精馏操作过程的效率极大地影响了能源的消耗。 尽管在经过8 0 多年的研究历史后，精馏技术开始r 趋成熟，但是近年来这种技术仍 然在向前持续快速发展，仍需进步的研究，并且在某种程度上还显得十分迫切。目前 精馏技术己开始越来越强烈地基于多种不同的学科交叉。计算机技术的发展使得精馏过 程的稳态模拟计算研究取得巨大进展，基于理论板( 或包括板效率的实际板) 的物料衡算、 热量衡算和平衡关系模型的模拟算法已经相当完善，对绝大部分复杂的精馏过程均能完 成严格模拟计算，这些计算程序已成为工程师进行设计不可缺少的常用工具。包括传质 速率方程的非平衡级算法，三相精馏、非均相共沸精馏和反应精馏的模拟计算也取得了 较大进展，但在模型方程更切合工程实际，以及提高模拟算法的通用性、收敛稳定性等 方面还有待迸一步研究和完善。 对于普通精馏难以( 或不能) 分离的物料，开发萃取精馏和共沸精馏的分离工艺，将 化学反应和精馏过程结合起来的反应精馏也是个值得重视的研究领域，这对于拓宽精馏 的应用范围，提高经济效益有较大意义。 另外，基于模型的推断估计和非模型的人工神经元网络在线估计等软测量技术，将 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 在精馏过程产品成分的估计上大量采用，并可实现产品成分的闭环控制，从而替代价格 昂贵的在线色谱分析仪，达到降低成本，方便维护和信息及时的目的，同时，可提高产 品的质量，减少能耗，增加回收率，取得显著的经济效益。 综上所述，精馏的研究工作一直十分活跃，而且不断取得成果。其发展方向已经从 常规精馏转向普通精馏过程无法分离的问题，通过物理或化学的手段改变物系的性质， 使组分得以分离，或通过耦合技术促进分离过程，并且逐步向低能耗，低成本，清洁分 离发展。在精馏基础研究方面，深度由宏观平均向微观、由整体平均向局部瞬态发展； 研究目标由现象描述向过程机理转移；研究手段向高技术化迈进；研究方法由传统理论 向多学科交叉方向拓展。在各种新分离方法得到不断开发和取得工业应用之际，在石油、 天然气、石油化工、医药和农产品化学等工业中所起的作用不会改变，作为主要分离方 法的地位不会动摇。随着科学技术和工业生产水平的提高，精馏的应用天地将更加广阔。 1 3 精馏过程的节能思路 从能量的本质看，精馏过程是将物理有效能转化为扩散有效能，同时伴有物理有效 能的降价损失。精馏过程有效能损失是由下列过程的不可逆性引起的：一是流体流动的 压降；二是相浓度不平衡物流间的传质或不同浓度物流间的混合；三是不同温度物流间 的传热或不同温度物流问的混合。压差、温差和浓度差均是相应过程的推动力，推动力 越大，则不可逆性亦越大，有效能损失也就越大。因此，减少有效能损失的关键在于减 小推动力，精馏过程的节能就是千方百计的减少推动力；但推动力又是实现精馏过程所 不可缺少的。然而，实际情况是复杂的，必须考虑几个推动力之间的相互作用和影响。 例如，用增加塔板数的方法来减少回流比，但要注意由于压力降的增大而可能导致传热 有效能损失的增加，以及可能使塔底和塔顶的温差变大而导致有效能损失的增加。又如 从原理上看，通过增大塔径和降低塔板上的液位，可使压降减小，但应注意可能导致的 投资增大和板效率下降。因此，实际上需要综合协调这些相互作用的影响，寻求切实可 行的节能措施【2 】。节能方法可归纳如下： 以热力学第一定律为基础，充分回收利用过程本身的热能或冷能。例如，加强保温 保冷以及回收物流的部分显热或潜热。以精馏原理为基础，减少精馏过程本身的能量需 求。例如，减小回流比、采用新型塔板或新型填料塔，以提高分离效率和减少压力降。 还有目前处于探索和开发阶段的节能技术，例如控制循环精馏法。 以热力学第二定律为基础，提高精馏系统的热力学效率。例如增设中间再沸器和中 3 第1 章绪论 间冷凝器、采用多股进料和侧线出料方式、应用多效精馏、增设中间再热泵精馏以及热 耦合精馏等，其中以热耦合精馏最受关注。 对于分离多组元混合物，要合理、有效地利用能量，除了通过热集成的方法，集成 多个简单塔，通过塔系之间的热匹配以及采用热集成型的精馏操作来实现，如中间换热 器、热泵等，另一种方式是改变精馏塔结构，突破传统简单塔序列的概念，开发新型精 馏塔，直接构造出能分离多组分混合物的节能型复杂精馏流程。多组分分离的多功能新 型精馏塔结构不仅将大大简化分离流程的复杂性，而且更便于控制和操作，同时也减少 了投资和操作费用。因此，从节约投资和降低能耗的角度出发，具有十分重要的意义。 就是在这种背景下，出现了热耦合精馏技术。热耦合方案早在1 9 3 7 年由b r u g m a 【3 j 提出， 6 0 年代，c a h n 与m i c e l ie 4 1 ，p e t l y u k 、p l a t o n o v 及a v e t v a n 5 】等人做了有关方面的研究。八 十年代，k r o l i k o w s k i ，f i d k o w s k i e 6 7 】等提出了热耦合精馏系统的设计方案，随着化工过 程的不断进展，热祸合精馏方案也越来越趋于成熟，并在实际中得到应用。 1 4 隔壁精馏塔研究进展 过程系统综合是指在给定原料及产品要求的前提下，如何构造出一个理想的工艺流 程( 包括选择过程单元、构造流程结构、确定操作参数、制定控制方案等) 的方法。过程 综合作为过程系统工程学科的核心内容，其目的是将长期以来主要靠设计师经验进行的 化工过程的设计上升到理论，在一定的理论和方法指导下，以一种系统化的方法来实现 化工过程的最优设计。该课题是过程设计中最具创造性和挑战性的工作，是化工过程简 捷设计的理论基础，具有重大的社会和经济意义。 自从r u d d 8 】提出过程综合的系统性理论与方法以来，该问题就一直受到众多学者的 广泛关注。过程综合的热点主要有两个：工艺流程和生产方案的合成，其主要目标是寻 求技术先进可靠、操作优化合理的物料流程；能量系统的集成，其主要是对能量系统进 行热集成，降低能耗。 精馏是以能量为分离剂的分离过程，研究表明，在分离过程的能耗中，精馏约占9 5 。 因此，目前有关分离过程综合的研究9 0 以上集中在精馏系统综合的研究。 当前精馏集成己成为过程集成和过程强化的一个热点，尤其最近几年欧美许多大公 司和高校都投入了相当大的精力来研究，并已取得了一定进展。相比于发达国家，我国 的化工过程强化集成的研究还存有相当的差距。我国的单位产值能源消耗量比世界先进 水平高的多，主要原因就在于分离过程的能耗大大高于发达国家。在多组分精馏过程中 4 中围石油了：学( 华东) 硕十学位论文 合理有效地利用能量，突破传统的简单塔概念来开发新型精馏塔，直接构造出能分离多 组分混合物的节能型复杂塔及精馏流程。开发新型精馏塔结构不仅将大大简化分离流程 的复杂性，而且更便于控制和操作，同时也减少了投资和操作费用。因此，从节约投资 和降低能耗的角度出发，开发多组分分离的多功能新型精馏装置具有十分吸引人的前 景。 隔壁精馏塔是完全热耦合塔的一种特殊结构，对于多组分精馏具有巨大优势。它是 目前国外在设备集成和节能降耗方面的前沿研究热点。隔壁精馏塔与传统简单塔在结构 上主要的不同之处在于隔壁精馏塔内部设置了一个或多个隔壁，把一个精馏塔分成了多 个分离塔段。这种塔结构使得多股物流能够同时在塔内进行传质、换热，从而能在一个 塔壳里完成通常一个常规塔序所能完成的分离任务。因此可以认为是在一个塔壳里集成 了多个简单塔。 1 4 1国内外隔壁精馏塔的发展现状 e r i cwl u s t e r 于1 9 3 3 年因裂解气分离已提出d w c 的概念，并报有美国专利 u s l 9 1 5 6 8 1 【9 】。由于p e t l y u k 在这方面的大量理论研究，这种装置也被称为p e t l y u k 塔，或 称为完全热耦合塔【1 0 , 1 h 。在能源危机之前的科技条件下，两个精馏塔的控制条件被并到 了一个d w c 中，由于其控制回路增加及机械加工等问题，d w c 无法实现工业化。现在 科技已高度发达，d w c 回路控制及机械加工己不成为问题，但精馏的节能却成为相当 严重的问题，故而，国外的d w c 研究自能源危机后益越活跃。 1 9 8 5 年以来，b a s f 公司、k e l l o g g 公司、k y o w a y u k a 公司、s u m i t o m o 重工等大公司 已开始使用d w c 。世界上至少已有6 0 座以上d w c 进行了商业运行，大部分属于德国的 b a s f 公司，主要用于分离中间产物含量高的三元混合物。k e l l o g g 公司也和b p 公司合作 设计建造多座d w c n 】，其中一座用于改进一条原先间歇操作的烷基重整流程，改进后 塔的操作能力增加了倍，中间产物的产量比原先简单的中间采出流程增加了5 0 。 s u m i t o m o 重工设计了至少6 座d w c t l2 1 ，其中和k y o w ay u k a 公司合作开发了乙酸乙酯的 生产装置。s u m i t o m o 重工认为：采用了单塔流程后除了减小了设备体积，还节约了 3 0 4 0 的设备费用和能量。l i n d e a g 公司为南非的s o s o l 公司建造了世界上最大的隔壁 式精馏塔【1 3 】，塔高1 0 7 m ，直径5 m 。当然，以上的研究都报了专利。 此外，在隔壁塔中，隔壁的设计尤为重要，隔壁长度、放置位置等都会影响分离效 果，目前，国外的研究已经取得了相当的成就，已从一开始将隔壁焊在塔上发展到可移 动的隔壁。其中，德国m o n t z 公司开发的“非固定”隔壁就是隔壁塔技术上的一项巨大进 5 第1 章绪论 步，“非固定”隔壁由金属板相互拼接而成，重量轻，不需要与塔壁焊接，对于塔壳的偏 心率要求不高，安装方便快捷，特别方便旧塔改造。而且，“非固定”隔壁的灵活性使得 非常规构型隔壁塔的工业实施变得比较容易。另外，在隔壁的设计上，近年来已经有利 用一个隔壁或2 3 个隔壁的组合进行四个纯组分的分离工业实施案例。对塔的安装方式、 塔板放置位置及角度等方面都有专利报道【1 4 。1 8 1 。 采用d w c 分离各类物系的研究也在不断深入【1 9 扎2 8 1 ，u o p 公司设计隔壁式精馏塔已 应用于新的u o p 合成直链烷基苯的路线中，节约了该过程中分离部分9 的能量。k e l l o g g 公司开发了抽提蒸馏与隔壁式塔器技术相结合的工艺，从重整生成油或加氢热解汽油回 收苯。它取消了汽提塔。精馏、汽提和溶剂回收均在一座隔壁式精馏塔中进行，投资比 常规抽提蒸馏装置节减2 0 。此外，还可采用分隔壁式精馏塔从c 4 馏分中分离提纯1 ， 3 丁二烯、从c 5 以上的馏分中提纯含量较高的c 6 c 8 组分。此外，国外的d w c 还用于四 氢呋喃、丁酮与丁二醇、丙烯与丁烯、丙烯与己烯、环戊烷、环戊烯等物质合成过程的 分离。在专利u s 6 5 4 0 9 0 7 中，t o w l e r 等人还提出y f c c 的石脑油用d w c 直接脱硫工艺。 国内仅发现德国、瑞典、日本在中国申报隔离壁精馏塔的专利4 篇，其中2 篇为应用 发明专利，另2 篇是结构的发明专利。其中联邦德国莱沃库森的拜尔公司的b 布拉迪等 人于2 0 0 4 0 1 1 4 公开的c n l 4 6 7 2 0 2 ，引入了隔离壁精馏塔的提纯甲苯二异氰酸酯混合物 的方法。联邦德国的希尔斯股份公司发明了隔壁塔分离对苯二甲酸二甲酯的工艺 ( c n l1 6 9 4 2 1 ，1 9 9 8 0 1 0 7 ) 。另外，联邦德国b a s f 公司公开的c n l1 7 7 5 1 3 ，用于多组分 混合物连续分馏的隔壁式蒸馏塔，是一种利用蒸馏将一混合物分离成3 种或更多种组分 的隔壁式蒸馏塔。 到目前为止，国内只有少数几家高校针对d w c 进行研究，并有数篇文章发表，但是 其研究工作仅停留在数值模拟阶段，目前还没有见到d w c 的实验研究及工业应用报道。 1 4 2 隔壁精馏塔的基本结构与原理 传统的多组分混合物分离要采用一系列简单精馏塔，每一个塔有明确的分离任务。 而且每个塔都有一个冷凝器和再沸器。如果从某个塔内引出一股液相物流直接作为另一 塔塔顶液相回流或一股气相物流直接作为另一塔塔底气相回流，则在某些塔中，可以避 免使用冷凝器或再沸器，而实现直接的热量耦合，含有这种结构的精馏即热耦合精馏。 热耦合方案有很多种形式，对于三元混合物分离，采用传统的简单塔分离序列需要 二个精馏塔彳能得到所有组分，如图1 2 所示。采用侧线采出方案，只适用于组成在一 定范围内的物系分离，通常不能满足组分分离要求，如图1 3 所示。而隔壁精馏塔( 图1 4 ) 6 中目m ，、誉 # 东1 厩i 学l e z 利j i 一块隔壁把塔中间部分分割为两部分进料侧相当于完全热耦台塔的预分馏塔，另 一端相当于主塔。确壁的巧妙使用实现了两塔的功能，具有显著的节能降耗作用口l 。由 于d w c e 分离原理和计算方法上与热耦台精馏塔相同，在热力学上等同于个p e t l y u k 塔( 图1 - 5 1 。与传统的两塔流程相比，能耗降低3 0 左右m l 。主要原因有以下两点： 酋旷 图l o 传统的两塔分离序列 f i g l - 2c o n v e n f l o n a it w o - c o l u m ns e q u e n c e 8 a 圈1 4 隔壁精馏塔 f i g l - 4d i v i d i n g j ”艚： 图1 - 5 p c t l y u k 塔 p e t l y u kc o l u m n 圈1 两简单培中b 组分浓度分市 f i g l - 6c o m p o s i t i o np r o f i l eo f b i nc o n v e n l i o n a lp r o c e s s 第1 章绪论 塔顶 中间采出 塔底 预分离段底部 7 图1 7 隔壁精馏塔中b 组分浓度分布 f i 9 1 - 7c o m p o s i t i o np r o f f i eo fb i nd w c p r o c e s s ( 1 ) d w c 在热力学上更有效。 分析图1 2 所示的简单塔，对该直接分离顺序，第一塔提馏段组分b 的组成，随组分 a 的降低而增加，再向下又随组分c 组成增加而降低，即组分b 组成在塔内分布有峰值， 导致塔中存在再混现象，图1 - 6 所示。这种简单塔中存在的再混现象是分离效率低下的 原因之一。与之相反，图1 4 中，d w c 中预分馏塔进行初步分离，组分b 同时出现在塔 顶和塔底。预分馏塔上部分离a b 和c ，下部则分离b c 和a ，上下两段只分离各段的产品 组分，图1 7 所示。在主塔中也是如此，有效避免了两简单塔流程中的再混合现象【2 4 1 。 ( 2 ) d w c 的另一个特点是降低了进料板上的混合影响，即减少了进料与进料板组成 不同引起的混和问题。由于在预分馏塔中，b 组分同时出现在塔顶和塔底，因此进料组 成与板上组成近似，降低了进料板处的混和效应。 设备投资方面，隔壁塔与传统的两简单塔分离序列相比，总共只需要一个冷凝器， 一个再沸器，一个塔体，一套控制方案，较小的占地面积，但需隔壁，同时塔体相对单 个简单塔略大。总设备投资降低3 0 左右【2 5 1 。 1 4 3 隔壁精馏塔的设计与优化 由于d w c 在热力学上完全等价于一个p e t l y u k 塔，因此对d w c 的模拟与优化是基于 完全热耦合精馏塔l 1 p e t l y u k 塔的分析与模拟而建立起来的。 虽然隔壁精馏塔有很多优点，但是从概念的提出到应用经历了相当长的一段时间， 比较重要的原因是，隔壁精馏塔的设计比常规精馏塔要复杂得多【2 4 1 ，其复杂性主要来自 系统更多的自由度，这导致了设计与控制的难度增加。如图1 8 所示，描述了常规精馏 塔序与d w c ( p e t l y u k 塔1 设计和操作的主要设计变量。 8 中国油人学( o 仁东) 硕一l 二学位论文 图1 - 8 常规塔序与隔壁精馏塔自由度的比较 f i 9 1 - 8 f r e e d o m c o m p a r i s o nb e t w e e nc o n v e n t i o n a lp r o c e s sa n dd w cp r o c e s s 三组分p e t l y u k 塔的研究内容十分广泛，涉及到系统的热力学分析、参数估算、简捷 设计、模拟和优化等多个方面。三组分热耦合精馏结构的设计计算一直是过程系统工程 广泛研究的问题，并取得了一些重要的研究成果。 s t u p i n 2 6 】首先对热耦合的设计做了研究，他采用u n d e r w o o d 方程确定最小回流，用 f e n s k e u n d e r w o o d 方程确定整个回流，对三组分分离系统的热耦合方案做了设计，结果 显示热耦合方案所需的气相量比相同条件下的传统分离至少要少2 0 ，但该文献只是对 热耦合精馏塔进行了初步设计，并没有作严格的设计计算，而且他对从主塔到预分馏塔 的汽液相流量做了人为规定。c e r d a 与w e s t e r b e r g t 2 7 】对于包括热耦合模型在内的一系列精 馏塔模型做了研究，并发展了简捷法计算方程，但他们的研究仅局限于清晰分离，而且 计算最小回流比和理论板数的方法没有改进。 第一个系统的优化方法是f i d k o w s k i $ l l k r o l i k o w s 6 】提出来的。他们以p e t l y u k 塔的再 沸气相流率为目标函数，提出了一个简捷模型。f i d k o w s k i 和k r 0 1 i k o w s 【7 】随后又将该方 法扩展到了其它热耦合形式的复杂塔。将气相量减至最小在一定程度上相当于常规精馏 塔在最小回流比下的设计。但是，该方法并不能保证目标函数是否合适，也不能保证模 型对于设计要求是否足够精确。 对于侧线汽提和侧线精馏类型的复杂塔，c a r l b e r g ；g l w e s t e r b e r g 2 9 】提出的最小回流比 计算方法被以后的研究者广泛采纳。首先，他们将复杂塔转化为与其热力学等价的简单 塔流程，其中每个单元塔相当于传统的简单清晰塔。其次，他们提出两个重要的简化系 统设计自由度的方法：( 1 ) 将简化流程中两塔连接的汽、液热耦合物流的产品流率假设为 净产品流率；( 2 ) 将热耦合物流的热状态q ( 进料中液相流率占总进料流率的比值) 视为净 产品流股的热状态。通过此简化方法就可以计算得到各种单元塔的进料流率和热状态， 9 第l 章绪论 进而可以应用传统的u n d e r w o d 方程计算得到最小回流比。 岛 岛 毛 图1 - 9 p e t l y u k 塔设计计算三塔模型 f i g l 一9t h r e e c o l u m nm o d e lo f t h ep e t l y u kc o l u m nd e s i g n 而后，c a r l b e r g 和w e s t e r b e r g t 2 9 1 设计侧线汽提和侧线精馏复杂塔的基础上又提出全热 耦合塔最小回流比的计算方法。首先，他们将p e t l y u k 塔转化为如图1 - 9 所示的“三塔模型”， 其中塔1 相当于一个简单非清晰分离塔，塔2 的塔底再沸器和塔3 的塔顶冷凝器都是“虚拟 的”。依此简化模型，将可以直接应用他们先前提出的简化设计自由度的方法计算各个 单元塔的最小回流比。此外，为了将拆开的两个塔合并为同一塔壳，需要将塔2 提馏段 的汽相流率和塔3 精馏段的汽相流率进行平衡，并将其作为设计计算的等式约束来处理。 此后，t r i a n t a f y l l o u $ 1 1 s m i t h t 2 4 3 提出了一种针对p e t l y u k 塔的基于u n d e n ) l ，o o d 简捷模型 的逐步设计和优化的程序，该方法也是通过连接三个精馏塔而实现的。他们还给出了 p e t l y u k 塔之所以具有较高能效的原因，即防止了分离物系的再混合现象，如前文所述。 与其他研究者不同之处在于，t r i a n t a f r l l o u $ t l s m i t h 没有利用最小回流比或最小气相流率 作为优化的标准，而是提出了逐步优化的计算方法，该方法间接地考虑了塔的费用优化。 在该文献中，他们解决了如何确定