（化学工程专业论文）动态累积间歇精馏操作与模拟计算的研究.pdf

摘要 动态累积循环操作是近年来开发的间歇精馏新型操作方法之一。这种操作方 法是由全回流浓缩、出料、无回流充液三个步骤构成，反复循环直至操作结束。 同传统的间歇精馏操作方法相比，动态累积循环操作具有控制简便、分离效率高 等突出的优点。虽然该操作方法早在2 0 世纪6 0 年代就已经被提出，但目前的研 究基本集中在操作方法优化的理论研究上，而缺少对其自动控制和工业化装置的 实验研究。特别是传统精馏理论无法涉及的塔内无回流充液阶段的浓度变化问题 一直没有得到很好解决，导致了以往动态累积循环操作法的数学模型和模拟计算 只能以与塔内真实状况相差很大的简化假设为基础，这严重地阻碍着动态累积循 环操作法的迸一步发展。 本文建立了动态累积循环操作自动控制实验装置，研究了该实验装置的流体 力学特性，提出了用两个较小的累积罐进行交替切换的操作方法，在采出产品阶 段，通过温度控制累积罐之间的切换，在过渡馏分采出阶段，采用时间脉冲控制 过渡馏分的采出。实验也研究了投料浓度、投料体积的变化对实验过程的影响。 本文以异丙醇正丙醇为实验物系对该操作进行的实验研究，结果表明本文提出的 操作方式是完全可行的，并使动态累积间歇精馏操作更加紧凑连贯，并且各组分 的采出也非常容易实现自动控制。另外本文还对动态累积循环操作的无回流阶段 进行了实验研究，分析了不同相对挥发度、不同进料浓度对无回流阶段塔顶浓度 的影响。最后本文建立了动态累积循环操作全过程的数学模型，并求解了模型方 程。本文模型与文献模型的主要区别在于针对无回流充液阶段，前者考虑了流体 力学关系的变化，取消了以往恒摩尔流和恒摩尔持液的简化假设。模拟结果与实 验结果的比较表明本文的数学模型能够更准确的模拟动态累积循环操作。 关键词：间歇精馏 动态累积循环操作温控自动切换 时向脉冲控制无回流充液过程 模拟计算 a b s t r a c t d y n a m i c - a c c u m u l a t i o nc y c l i co p e r a t i o n ( d a c o ) i so n eo ft h en e wo p e r a t i n g m o d e so fb a t c hd i s t i l l a t i o n i ti n v o l v e st h r e ep e r i o d s ：t o t a lr e f l u x ，d u m p i n ga n df i l l i n g u p d a c oh a ss e v e r a la d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a lo p e r a t i o nw i t l lh i g he f f i c i e n c y ， e n e r g ys a v i n ga n dc o n v e n i e n tc o n t r o l l i n g i tw a sp r o p o s e d i nt h e19 6 0 sa n d d e v e l o p e dr a p i d l yi nt h e19 9 0 s h o w e v e r ，s o m et h e o r yp r o b l e m s ，f o re x a m p l e ，t h e f l u i dd y n a m i c sa n dm a s st r a n s f e rd u r i n gt h ef i l l i n gu pp e r i o dw h i c hc o u l dn o tb ed e a l t w i t hi nc o n v e n t i o n a ld i s t i l l a t i o nt h e o r i e sh a sb e e nr e m a i n e du n s t u d i e d a n dt h e s i m u l a t i o na n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sh a v et ob em a d eb a s e do ns o m ea s s u m p t i o n s ， w h i c ha r ed i f f e r e n tf r o mt h ea c t u a ls i t u a t i o no b v i o u s l y t h e r e f o r et h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to fd r c o w a sr e s t r a i n e di nt h ep a s ty e a r s t h em o d e l sf o rd a c ow e r ee s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r t h ef l u i dd y n a m i cr e l a t i o n s w e r ei n v o l v e di nt h em o d e l sw i t h o u tg e n e r a la s s u m p t i o n so fc o n s t a n tm o l a rl i q u i df l o w a n dc o n s t a n tm o l a rh o l d u p i ti st h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e no u rm o d e l sa n d l i t e r a t u r e s c a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e d 、i me x p e r i m e n t a lr e s u l t s i ts h o w st h a t o u rm o d e l sa r ec o i n c i d e n t 、瓶t l lt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ea l t e r n a t i o nb e t w e e nt w or e l a t i v e l ys m a l la c c u m u l a t i o nd r u m sw a sp r o p o s e di n t h et h e s i s ，i nw h i c ht h ea l t e r n a t i o no fa c c u m u l a t i o nd r u m sw a sr e a l i z e dv i at e m p e r a t u r e t h ev i a b i l i t yo fc o n t r o l l i n gt h et r a n s i t i o n a lf r a c t i o ns e c to fd a c ob yt i m ei m p u l s ew a s d e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t st o o t h u s ，t h eo p e r a t i o nb e c o m em o r es u c c e s s i v ea n d c o m p a c t ，a n dt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fd y n a m i c a c c u m u l a t i o nb a t c hd i s t i l l a t i o nw a s m a d ee a s y i s o p r o p y la l c o h o la n dn - p r o p y la l c o h o lw a su s e dt oc o n d u c tt h e e x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h i so p e r a t i o n e x p e r i m e n t sa b o u tf i l l i n gu pw e r ec a r r i e do u ti n t h el a b o r a t o r yb a t c hd i s t i l l a t i o nc o l u m n e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n t w i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：b a t c hd i s t i l l a t i o nd y n a m i ca c c u m u l a t i o nc y c l i co p e r a t i o n ( d a c o ) f i l l i n gu pp e r i o d m a t h e m a t i c a lm o d e l s c o n v e r t e db yt h et e m p r a t u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：男各叔萄签字日期：2 贴年2 月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：璐叔韵 导师签名： 签字日期：动嗒年土月刁日 签字日期：动略年2 月1 日 天津大学硕士学位毕业论文 第一章文献综述 1 1 间歇精馏概述 第一章文献综述 随着化学工业向生产特种精细化学品方向的加速转移，化工过程中所采用的 批处理过程也越来越多。间歇精馏，又称分批精馏过程，是批处理过程中的一个 很重要的分离过程，常常被用来作为中间产品和最终产品分离和提纯的手段。间 歇精馏是指间歇投料，间歇出料或者连续出料的各种精馏过程。近年来有关间歇 精馏过程的文献逐年增加，推动了间歇精馏技术的发展。与连续精馏过程相比， 间歇精馏能单塔分离多组元物系获得各纯组元产品，而且设备简单，适用于工况 多变，一塔多用的场合。除此以外在高沸点和高凝固点物系的真空精馏及热敏物 料的分离上间歇精馏也具有更大的灵活性。近年来，随着高附加值产品的生产与 溶媒回收的迅速发展，间歇精馏也越来越受到前所未有的重视。 间歇精馏过程中所采用的回流比控制策略总的来讲可分为以下三种： ( 1 ) 恒回流比操作 ( 2 ) 恒塔顶浓度变回流比操作 ( 3 ) 优化变回流比操作 其中恒回流比操作策略是最简单易行的方法，被工业上广泛采用。恒塔顶浓 度操作严格来讲只是对于二元间歇精馏过程才具有可行性。优化变回流比操作是 近年来间歇精馏过程中研究的最多的一种操作方法。 在研究回流比优化策略的同时，也有文献对间歇精馏塔的各种结构参数对间 歇精馏过程的影响也进行了研究。j r g o n z a l e z 【i j 等人研究了塔顶液体的流动方式 对开工过程的影响，指出塔顶液体的返混加长了开工时间，并推荐了一种减少塔 顶返混的两罐串联式的塔顶回流装置，改进了开工过程。p i g f o r d l 2 】等人研究了塔 身持液对间歇精馏过程的影响，指出塔身持液除了在少数易分离的情况下可减少 过渡馏分外，总的趋势总是增加过渡馏分，对分离是不利的。李文秀【3 】提出了极 天津大学硕士学位毕业论文 第一章文献综述 限收率的概念并在此概念基础上提出了估算塔板数的计算式及控制持液量的新 操作方法，通过在适当时刻从塔身抽走适量过渡馏分的方法减弱了浓度拖尾现 象，明显的提高了生产效率。 近年来，间歇精馏过程的设计理论也得到了发展，但是有持液间歇精馏过程 的设计计算的研究尚未取得突破，而目前的设计方法均没有考虑持液量的作用、 过渡馏分的处理及收率的因素，所以严格说来，多元物系的较为完善的无持液间 歇精馏过程设计计算方法迄今为止也尚未形成。 从上面的概述可以看出，尽管间歇精馏过程的研究已有近百年的历史了，但 是由于间歇精馏过程的复杂性，这些研究结果还远远不能满足工业过程的需要。 尽管现有的间歇精馏过程的有持液模拟计算方法也有多种，但是多数模拟计算方 法所要求的内存和耗用的机时均较大，以至于在实际的研究和设计中并没有得到 广泛的应用，因此寻找更有效的模拟计算方法仍是当前间歇精馏过程研究中的一 个很重要的课题。 1 1 1 全回流与部分回流的间歇精馏过程 1 1 1 1 全回流间歇精馏过程 全回流间歇精馏过程是在精馏塔顶设置一个回流存料罐，进行全回流操作， 直到回流罐内料液浓度达到或接近平衡后全部放出的操作过程。由于全回流条件 下，塔的分离能力最强，浓缩倍数最大，所以可以获得最好的精馏效果。又由于 全回流操作不需要连续馏出产品，无需控制回流量，所以操作方便，尤其适用于 分离要求回流比变化很大的精馏过程。如果一种难分离物系难以确定其适宜的回 流比，也可采取全回流间歇精馏过程。考虑到回流罐的尺寸不宜过大，所以该过 程较适合于剥除少量轻杂质的情况。 全回流过程的基本计算包括f e n s k e 公式计算和循环周期t 的计算两部分主 要内容。 一、f e n s k e 公式计算： f e n s k e 公式是最简捷的精馏计算式，它在全回流下将精馏塔的理论板数n 。 ( 下标表示全回流下最少理论板数) 与塔顶浓度、釜液浓度直接关联了起 2 天津大学硕士学位毕业论文 第章文献综述 来。 n m =n ( 去导 l n 口 图1 - 1 全回流操作间歇精馏 f i g 1 - 1 t o t a lr e f l u xo p e r a t i o ni nb a t c hd i s t i l l a t i o n 它反映了被分离物系的相对挥发度a 的作用。该式虽然简捷但很重要，在精 馏过程的一种极限情况( r = o o ) 下，精馏塔的塔板数。等于物料的分离易度厂。 因此： ( 1 2 ) 分离易度，包含有两层含意，即： ( 1 ) 物料的浓缩倍数g ，它是精馏塔顶的馏出物料浓度b 的比分子分数与釜 液的比分子浓度之比，严格的表达了精馏的提浓倍数，其数值代表着分离要求的 高低。 ( 2 ) 被分离溶液中两组分间的相对挥发度q 的大小，它代表着物料本身具备 掣 l l r 天津大学硕士学位毕业论文 第一章文献综述 的易分离能力的大小。所以： g ：粤毕 ( 1 吲 卜一x dx b f e n s k e 公式又可写成另种形式： 口：t l ：口| v m ( 1 4 ) 1 1 一x dl x 8 当n 。= l 时，浓缩倍数g = 口，上式即为汽液平衡式： j l ：l a( 1 5 )l = all 一0 ， 1 一y l x 这只不过是图1 1 中，从任何一块理论板i 的汽相浓度y ，与下流液体浓度x ， 间的关系。因为在全回流浓度平衡以后，物料衡算确定y ，= x h ，所以： j l ：兰= 2 口 ( 1 - - 6 ) 1 一y f1 一x ，一1 则有： l ：j l 口m( 1 - - 7 ) 1 一x d1 一x 占 在实际生产中应用此操作方法，应根据釜容量的大小及原料组成确定回流贮 罐的容积，而操作的难点在于控制每罐浓缩所需的时间t 。 一、循环周期t 的计算： t = 正+ 疋 式中 五全回流浓缩过程所需时间，h 疋无回流全馏出过程所需时间，h ( 1 8 ) 显然，正 疋，瓦是我们求算的主体，可按精馏开工过程建立数学模型，编 程求解。 1 1 1 。2 部分回流间歇精馏过程 具有精馏塔段的部分回流间歇精馏是间歇精馏的基本模式，具有广泛的应用 范围。部分回流间歇精馏包括恒定回流比操作和恒定塔顶浓度操作等操作方法。 恒定回流比间歇精馏是工业生产上最常用的操作方法，但是在实际生产中，一个 完整的恒回流比间歇精馏操作过程是由多段恒回流比操作过程组成的。比如在产 4 天津大学硕士学位毕业论文 第一章文献综述 品段之后，进入过渡馏分操作，此时馏出的液体只能作为再精馏的物料收集，此 时应选适宜的回流比操作，以求最大的经济效益。但是恒回流比操作难以保持塔 顶馏出液浓度不变，而塔顶馏出液浓度正是精馏产品的主要指标，于是产生了不 断提高回流比以保证塔顶浓度不变的方法。 1 1 2 间歇精馏的优化操作 间歇精馏是典型的动态过程，在这个过程中塔内各点的组成都在不断的改 变，因而一些操作参数就必须随之做相应的变化，才能保证获得合格的塔顶产品 和满意的分离效果。所以寻找最合理的操作参数变化方案一直是间歇精馏研究的 热门课题。c o n v e r s e 和g r o s s t 4 l 在1 9 6 3 年最早开始应用最优控制理论来研究间歇 精馏的优化回流比变化方案问题。此后，众多学者借助于日益完善的最优控制理 论和不断发展的计算机技术，在间歇精馏的优化操作方面取得了很多成果。以下 详细介绍间歇精馏优化操作问题研究的两个主要方面： 一、优化操作的目标函数 间歇精馏优化操作的三类常用目标函数如下： ( 1 ) 在规定的时间t 内得到规定浓度x d 的产品的产量最大，即： m a x j ：f d d t m a x j d t( 1 9 )= i( 1 9 ) d ( 2 ) 获得规定浓度x d 和产品量d 所花费的时间最少，即： m i n j = f ( 1 1 0 ) 一般来说，f 无法直接表示成控制变量的显函数。 ( 3 ) 过程的经济收益最大，这时只有产品浓度是规定值，产量d 和时间，不定。 这类目标函数的数学表达式虽然很灵活，但一般取为产品经济价值减去有关的成 本费用。例如k e r k h o f 乖lv i s s e r s 的经济收益目标函数为： 朋硎) ：c l d - c z b o g ( 卜一1 1 ) f + t 其中，c 1 为产品单价，c ：战为每釜总原料费用，c 3 为能耗、工资、设备折 旧以及保养费用的j 总和，f 。为开工和停工等辅助时间。 天津大学硕士学位毕业论文 第一章文献综述 再例如余国琮和王宇新所取的目标函数则为： m a x j = c 。rd o 妞一r c ：d t ( 1 - - 1 2 ) 等式右端第一项为产品价值，第二项为操作费用的总和。 虽然这三类目标函数形式不同，但它们有着相同之处，即都是用经济效益减 去成本。、 值得注意的是，间歇精馏优化操作问题，都具有相同的终端约束，即操作结 束时产品平均浓度正好等于要求的值： f x t d ( f f d o 枷= 一x d( j 一1 3 ) 这是间歇精馏优化操作问题的一个特点。 从优化求解计算的角度上讲，这三类目标函数的优化问题的难度基本相同， 仅仅是计算量的大小不一样。相比之下，第一类问题计算量最小，第三类问题计 算量最大。因为如果连续变动第一类问题的操作周期t 的值，即对t 进行一维搜 索，总可求得一个丁，使得第三类问题的经济收益目标函数，( 丁) = m a x m 。 k e r k h o f 并 1v i s s e r s 就采用了这种办法求最大经济效益。由此可见，这三类形式不 同的目标函数仅仅是注重于间歇精馏操作的不同侧面，有时可以相互转化。 二、优化操作的控制变量 在间歇精馏操作中，回流比对产品纯度和产量的影响比较明显，人们对变回 流比的优化操作策略研究的最早最多，认识相对来说也最成熟。图l 一2 是优化 回流比策略与两种常规回流比策略( 恒回流比策略和恒塔顶浓度的变回流比策 略) 的比较( 在忽略塔身持液的情况下) ，由图可见，优化回流比策略的回流比 变化大致介于恒塔顶浓度操作和恒回流比操作之间，但是忽略持液必然会带来误 差，而考虑持液将使计算困难大大增加。对于填料塔，当蒸汽流量在操作中改变 时，这时不仅塔的通量发生变化，填料层的等板高度和持液量也随汽速而变化， 此时蒸汽流量起着类似于回流比那样的对间歇精馏过程的控制作用。在杨志才等 的研究中，蒸汽变量矿被取为控制变量之一，并考虑了矿对持液的影响。比较恒 汽速优化回流比操作方法和恒回流比优化汽速操作方法，认为后者更有优越性。 6 天津大学硕士学位毕业论文 第一章文献综述 x d a 一一恒塔顶浓度操作；b 一一优化回流 比 操作；c 一一恒回流 比操作 图l 一2 间歇精馏过程的三种回流比控制策略的对比 f i g 1 2 c o m p a r t i n gc u r v eo ft h r e ec o n t r o lp o l i c i e so f r e f l u xi nb a t c h d i s t i l l a t i o n 1 1 3 塔内持液对间歇精馏过程的影响 塔内持液的影响可用下式反映： 篆耐旯i ，+ 霉n r + 2 l -时恤譬带譬 其中： 九一d x 8 瓦 h 。，h ：塔顶和回流罐持液量 h b 。，h 口釜内初始和结束时的持 液量 x 塔身持液平均浓度 式( 1 1 4 ) 中等号右边方括号 内从左至右三项分别表示着塔身、塔 顶和回流罐持液的作用。如果持液量为零， 7 ( 1 1 4 ) a = 2 n t = 7 l d = 1 0 一 一一 ， 7 f 。 n = 2 2 3 玳= 7 l d = 8 ， 、j - ，-7 a = 3 0 l d = 1 0 l 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 h h b 图l 一3 持液量对过渡馏分量的影响 f i g 1 - 3e f f e c to fh o l d u po ns l o pc u t 一 巫堕嘞酬i 懿 一 p k 4 3 2 i 叭 眦 吼 叽 辅求譬删计教怖衄删求罄窟导 墨堡生鲎堡主堂些兰些鲨苎 兰二空：墨堕! 童堡 x d 一恒塔i 羁浓度操作 ，b 一优化回流比操作；c _ _ 恒回流比操作 圈t 一2 间歇糟馏过程的三种回流比控制策略的对比 f i g 1 2c o m p a r t i n gc u r v oo f t h r e ec o n t r o l p o l i c i e so fr e f l u x i n b a t c h d i s t i l l a t i o n 1 1 - 3 塔内持液对间歇精馏过程的影响 巩 h h 。 其中 塔内持液的影响可用下式反映： 五= h ，h ：塔顶和回流罐持液量 时。k 譬+ 薏譬 h r 。，h 。釜内初始和结束时的持 液量 ；塔身持液平均浓度 式( 1 1 4 ) 中等号右边方括号 内从左至右三项分别表示着塔身、塔 。! 。 ! t - t 一“等i d ，一一 _ 一一 j 壮= t l ，d = b l 扯1 0 o 0 0 2 00 4 0 0 6 口明 h h b 图1 3 持渡量对过渡馏分量的影响 顶和叫流罐持液的作用。如果持液量为零， 顶和回流罐持液的作用。如果持液量为零， 。i g 。3 5 胁。f h 。i d ”p 。“3 1 。9 。“ 7 塾坐b 产k rll“?il 耐 4 3 2 l 0 o 0 0 裁屯毫删亲辎电删啦驻坦廿 鲁 r - 天津大学硕士学位毕业论文 第一章文献综述 则此式右边第二项变为无持液表达式。 除塔内压强过高( 此时气体密度相对于液体密度来说是不容忽视的) 的情况 外，一般常压、减压和真空条件下的间歇精馏的计算均只考虑塔内液相持液( 即 塔顶冷凝器内、回流罐内及管线内持液，塔身的塔板或填料上的液相持液等) ， 而略去气相持料的影响。塔内持液有如下三点作用： ( 1 ) 塔内存有持液，使塔内沿塔身建立浓度梯度的过程需占用一定时间，即 开工时间客观存在。持液越多，开工时间越长。 ( 2 ) 塔内存在持液使分离难度加大。因为开始馏出产品时塔顶、塔身持液占 有已被浓缩的易挥发组分，使釜液浓度比无持液情况降低，故塔顶与塔底浓度差 别大，则获得同样纯度产品所浓缩的倍数增加，分离难度加大。 ( 3 ) 由于塔内持液占有一定的质量，具有组分的“吞吐”作用，宛如回转运 动的飞轮。塔内持液“吞”、“吐”的是某组分的质量，起着延缓塔内浓度变化的 作用。比如，当塔内馏出产品的后期，釜液内易挥发组分( 即产品组分) 浓度一 定很低了，但塔身持液内仍含有较多易挥发组分，塔顶仍可馏出高浓度产品而优 于无持液塔，这就是文献上所谓的“飞轮效应”( f l yw h e e le f f e c t ) ，它使塔顶与塔 底的浓度差在某瞬时大大高于无持液情况，有利于分离。但飞轮效应的积极作用 并不是永恒的，当q 值较小或者持液量较大时，积极作用将消失。这就是人们经 常感到塔内持液不利于分离的原因。因此，塔内持液有助于分离的积极作用是在 一定的条件下( 物料、设备和操作条件的巧妙结合) 才能出现，而大量的、经常 的表现出来的行为还是消极作用。比如：当间歇精馏过程进行到过渡馏分段后期， 即将馏出下一个合格产品时，由于持液的惯性作用而不断吐出残余的前一组分， 而使馏出物呈现轻杂质的“拖尾”现象，迟迟得不到合格产品，增加了过渡馏分 量，降低了产品收率。图1 3 给出了一组反映塔身持液比率( 塔身持液与被分 离料液总量之比) 影响过渡馏分比率( 过渡馏分量与总馏出量之比) 的曲线。曲 线表明某些有持液间歇精馏过程( 如a 点) 优于无持液分离过程的实例，但是 般持液量对间歇精馏分离效率是有不利影响的。 1 2 间歇精馏新型操作方法的研究进展 自六十年代以来，间歇精馏的操作策略一直是众多学者研究的主要课题。从 已有的研究文献来看大多以过程模拟和优化操作为研究内容，尤其对间歇精馏的 天津大学硕士学位毕业论文 第章文献综述 优化操作研究较多。主要包括通过改变回流比、上升蒸汽率、馏出液组成、塔板 持液量等操作参数来实现对间歇精馏过程的优化。间歇精馏的优化操作理论对实 际生产起到了一定的指导作用，但是，采用优化方法对间歇精馏的改善程度一般 仅限于1 0 以下，而且由于控制技术水平的局限，使优化操作方法在实际生产中 的应用受到很大的限制。近年来，人们更多将间歇精馏作为一个整体来考虑，尝 试对间歇精馏过程进行革新，这主要包括两个方面： 第一：作为分离装置，开发了新型结构塔如提馏式间歇精馏塔，中间储罐间 歇精馏塔以及多罐间歇精馏塔。 第二：作为分离过程，着重于改变传统的操作方式，以动态累积循环操作最 有发展前途，加以重点研究。 1 2 1 新型结构塔 1 2 1 1 提馏式间歇精馏塔 提馏式间歇精馏塔最早是由r o b i n s o n 和g i l l i l a n d 副于1 9 5 0 年提出的。装置如 图1 4 所示。这种塔与常规间歇精馏塔( 如图1 - 5 所示) 的主要区别是：被处 理物料存予塔顶，产品从塔底馏出。首先馏出的是重组分，相当于连续塔中的提 馏段。s o r e n s e n 和s k o g e s t a d 6 对常规间歇精馏塔和提馏式间歇精馏塔的动态特性 及最优操作进行了比较。结果说明当进料混合物中重组分含量较高时，与常规间 歇精馏塔相比，提馏式间歇精馏塔显示出明显的优越性。而当进料混合物中轻组 分含量较高时，常规间歇精馏塔则优于提馏式间歇精馏塔。因此在实际分离过程 中，如果某些重组分是被提取的主要对象，且该组分还有一定的热敏性，经不起 长时间的高温煮沸，此种情况下采用提馏式间歇精馏塔是最为合适的。 1 。2 。1 。2 中间储罐间歇精馏塔 中间储罐间歇精馏塔同连续塔相似之处是两者都具有精馏段和提馏段，同时 出塔底和塔顶产品，中间储罐相当于连续塔中的进料板。中间储罐间歇精馏塔如 图卜6 所示。这种塔最早也是由r o b i n s o n 和g i l l i l a n d 于1 9 5 0 年提出的。后来 h a s e b e 7 】将其用于三组分混合物的分离。他认为中间储罐间歇精馏塔比较适合于 中间组分的提纯，在精馏过程中轻重组分分别从塔顶和塔底馏出，直至贮罐内中 间组分达到指定浓度即停止操作。另外，对于反应间歇精馏，使用中间储罐间歇 精馏塔，由于能将产品不断移走，因而可提高产品的转化率。 9 天津大学硕士学位毕业论文 第一章文献综述 r e b o i l e r 图1 4 常规分批糖馏塔 7 i g i - 4r e g u l a rb a t c hd i s t i l l a t i o nc o l u m n 斟斟圃 1 2 1 3 多罐间歇精馏塔 剖_ p r o d u c tt a n k s 图1 - 5 提馏式分批精馏塔 f i g 1 - 5s t r i p p e rb a t c hd i s t i l l a t i o nc o l u m n h a s e b e 【8 】于1 9 9 5 年提出了一种新型塔叫多罐间歇精馏塔，也叫多效间歇精馏 塔。在结构上多罐间歇精馏塔可看作是多个塔上下相连而成，装置如图1 - 7 所示。 这种塔通过全回流操作最终可获得纯度很高的产品，建立足够多的中间储罐即能 同时分离多组分混合物。多罐间歇精馏塔同传统的间歇精馏塔相比有两个优势。 首先，由于能够同时采出多产品，全操作过程无产品切换，因而操作简单；其次， 由于该塔在本质上的多效性，所需能量很低。对于多组分混合物的分离，此塔所 需能量同连续塔相近。h a s e b e 等研究了多罐间歇精馏塔的操作控制，提出了全回 流控制策略，通过物料衡算计算出每个贮罐中的持液量，然后将确定的原料量加 入各个贮罐中，保持持液量恒定，直到所有组分都达到指定纯度。w i t t g e n s j 等 提出了全回流反馈控制策略，通过安装在塔的不同部位的n 1 个温度传感器控制 回流量使储罐中累积的产品达到指定纯度。s k o g e s t a d l o 】于1 9 9 7 年又提出了一种 新的优化持液量控制策略，将原料液一次性加入再沸器中，其余储罐中的持液量 则逐渐增加达到最终持液量。优化结果表明：多罐间歇精馏塔优化持液量策略比 传统的间歇精馏操作可节省大约4 7 的操作时间，比恒持液量操作节省大约t 7 7 的操作时间。但是多罐间歇精馏塔装置也并非无懈可击，其主要的缺陷是它的设 计远不如一般间歇精馏塔自由。 1 0 天津大学硕士学位毕业论文 第一章文献综述 c o n d e n s e r r e f l u x d r u m r e f l u xd i s t i l l a t e c o l u m n s e c t i o n 一铡 s c 瞅o l u i 。m n n 囹一围 s e c t i 。n p r o d u c tt a n k s 蔼v e s m i d 刚d l es c e o 咖l u m n n c o l u m n s e c t i o n 1c o l u m n $ h e a t s n o n r e b o i l e r p r o d u c tt a n k s 图1 峭中间储罐分批精馏塔 f i g l - 6m i d d l ev e s s e lb a t c hd i s t i l l a t i o nc o l u m n 1 2 2 动态累积循环操作 r e b o i l e r 图1 - 7 多罐分批精馏塔 f i g l - 7m u l t i v e s s e lb a t c hd i s t i l l a t i o nc o l u m n 作为动态累积循环操作基础的全回流累积法最早是由b a r b 和h o l l a n d 】以及 b l o c k b 2 i 于1 9 6 7 年提出，在2 0 世纪6 0 年代被广泛研究，其特征是在塔顶设置存 液量与产品总量相当的存料罐，在一次加料后，经全回流操作使轻组分在塔顶累 积罐内快速浓缩直至存料罐纯度上升达到预定值后结束操作。该法分离效率高、 控制简便，对扰动不敏感，易于操作、可节省大约3 0 操作时间。n o w i c k i 和 g o r a k i l 3 l 和余国琮1 1 4 j 等相继对全回流累积法进行了研究，他们的模拟结果均表明 该方法只适用于提取含有较少量易挥发组分的物料，工业上难以应用。 动态累积循环操作按照循环次数和设置的塔顶储罐的个数不同可分为以下 几种： ( 1 ) 单累积罐一次循环操作 ( 2 ) 单累积罐多次循环操作 s o r e n s e n l l 5 1 在1 9 9 4 年的研究结果表明只有一个循环的操作所用时间最长，因 为所有的产品都必须在二次循环中在塔顶累积罐中浓缩，在他们的优化计算中， 发现最佳的循环次数为3 次。如图所示的优化结果表明： d r u m h o l d u p d i s t n l a t e d f l o w r e f l u x r a t i o ； 入 7： | _- r _ 1 c y c l e2 c y c l e3 c y c l e ；t i m e 图l 一8 循环三次的间歇精馏操作 f i g 1 8c y c l i co p e r a t i o nw i t ht h r e ec y c l e si nar e g u l a rc o l u m n 表1 1 二元混合物不同循环次数的操作比较 t a b l e l 一1t o t a lo p e r a t i n gt i m ef o rab i n a r ys e p a r a t i o nw i t hp r e s p e c i f i e dn u m b e ro f c y c l e s n u m b e ro f r e f l u xd r u mh o l d u p ( k m 0 1 ) c y c l et i m e s ( h )o p e r a t i n gt i m e ( h ) c y c l e s 2 3 4 h c ，1 觋1 胁1 胁1 h e ，2 h e ，3 h e ，l h c ，2 t t c ，3 h e ，4 1 8 7 5 1 1 6 4 0 7 1 l 1 2 2 6 0 2 9 2 0 3 5 7 0 6 9 0 0 0 5 0 0 4 1 0 0 7 2 5 f c ”1 e ，1 5 c l 勖1 = f c y d c ，2 。 t e y d e ，1 5 t o y c l e ，2 5 f c y c l e ，3 2 。i e ，l ； t c y c i e ，2 5 气v c l e ，3 = t e y d e ，3 = 7 0 9 2 2 4 1 8 - 4 2 3 6 0 6 9 0 9 8 1 2 4 o 1 2 o 8 1 1 8 7 7 0 9 4 0 8 4 0 3 4 0 4 在某些情况下采用循环操作比优化回流比操作明显的节省了操作时间，节省 的时间数量与具体的分离问题以及所采用的优化策略有关。他们的优化结果还说 1 2 天津大学硕士学位毕业论文 第一章文献综述 明当循环次数趋近于无限大时，循环操作与优化回流比操作相当，如表l 所示， 所以实际操作过程中循环次数不能太多，从适用的角度来看，最大循环次数应该 在5 1 0 次之间。 循环操作策略同样可以应用于其它结构的间歇精馏塔，特别是近年来对中间 储罐间歇精馏塔和多罐间歇精馏塔的研究，采用的多是动态累积循环操作，具有 分离效率高，易于控制等优点。s o r e n s e n u 刚比较了两组元混合物在不同结构间歇 精馏塔和不同的操作策略下的分离效果。比较了常规间歇精馏塔、提馏式间歇精 馏塔、中间储罐间歇精馏塔的循环策略和优化回流比策略。对于轻组份含量较 低；等摩尔混合进料；轻组份含量较高，三种进料情况分别作了比较。得出 了如下结论： 对于传统的部分回流操作： x f 较低时：提馏式间歇精馏塔最优 x f 等摩尔时，中间储罐间歇精馏塔最优 x f 比较高时，常规间歇精馏塔最优 对于不同的操作策略： x f 很低时常规精馏塔动态累积循环操作最优 x f 等摩尔时中间储罐优化回流比策略最优 他们得出结论：改变操作策略所节省的时间比改变塔结构所节省的时间要多。 ( 3 ) 双累积罐交替循环操作 白鹏【1 7 】等于1 9 9 4 年提出了双累积罐交替循环的“动态累积过程”，并将双累 积罐动态累积法与传统恒回流比法作了实验对比，实验条件和实验结果列于表1 2 中。塔顶浓度变化曲线如图i - 9 所示( 实验物系为乙醇一异丙醇，k 值为循 环的次数) ，对于相同的分离任务，动态累积循环操作的总操作时间比传统恒回 流比操作缩短了约2 5 。 在循环操作过程中，充液、全回流和出料循环重复，在此过程中需要确定以 下操作参数：循环次数；每次循环中回流罐的持液量；每次循环中全回流 操作的时间。充液阶段和出料阶段的时间由上升蒸汽速率和出料流率决定。而循 环次数和每次循环中选择的持液量则通过优化计算确定。需要注意的是，循环操 作中要求进料组成的测定必须准确，因为这关系到回流罐持液量的计算。如果持 液量偏低，回收的产品量会降低，如果太大，将达不到产品的纯度。最好的控制 方法是根据馏出液的浓度在线调节持液量。如果纯度偏低，降低持液量，反之则 增加持液量。 天津大学硕士学位毕业论文第一章文献综述 表l 一2实验条件和实验结果 t a b l e l - 2t h ec o n d i t i o na n dr e s u l to f t h ee x p e r i m e n t 物系乙醇一异丙醇异丙群一蕞丙醇 v 一8 玑一1 吼6 m l= b 矾一1 1 3 m l 榴两条件i , 一- - - 7 7 2 0 m l 毫；= o 。3 6 6 3 。暑。= z a 0 0 r n l 。轴一o i ) 7 1 d p ；= 0 矿, , = 2 4 0 m l m l n 4 p = 3 0 。t ，= 2 1 6 m l m i n 动态累积恒回蠢比动杏曩积恒回汽比 删 t 5 6 0 m i t 仇一4 批讲”- = 2 1 0 m 1 巩一3 5 m 1 不同条件 讲= 3 5 5 m t ,d - - 9 。5 m l m l nv l i , 一1 1 0 m l ,口- = 5 m l r a i n 口；”= - 2 1 7 m l琊】一1 1 0 m l 秽；1 一1 1 4 m l p1 2 5 5 m l 1 2 4 7 m l 4 3 0 m l4 2 4 m l 蠢 毒0 6 1 6 o b 1 5 l0 6 8 1 80 6 8 0 5 个 1 8 3 2 h2 1 7 6 ho 8 7 5 h1 5 7 0 h 羹 矗o 5 4 4 ho 6 9 5 h 2 o 2 7 注。实验中持藏量为恒体积持渣( 单位t 扣_ l ) 各种藏量均为僚体积藏( 单位t m l m i n ) o 9 5 ：索甍o 8 5 求 盏o 7 5 l b 封o 6 5 o 55 o 4 5 o 35 o o o 51 o 1 52 o2 5 t ，h 图1 9 两种操作法比较曲线 f i g u r e1 - 9c o m p a r a t i n gc u r v eo f t w oo p r a t i o np o l i c i e s 从已有的研究结果来看，循环操作同传统的操作方式相比有几个优势：( 1 ) 对 控制需要少，对扰动不敏感，操作安全。( 2 ) 充分利用了填料层的分离效率和系 统的动态特性，可获得最大分离能力。因此，动态累积循环操作是一种有很大发 展潜力和应用前景的操作技术。 1 4 天津大学硕士学位毕业论文第一章文献综述 1 3 间歇精馏的模拟技术 伴随着间歇精馏操作技术的进步，间歇精馏的模拟技术也得到了巨大的发 展。自从l o r dr a y l e i g h 总结出第一个简单间歇精馏塔的塔釜初始进料量、任意时 刻塔釜持液、塔釜组成和气相组成之间的数学关系式后，已陆续提出了许多关于 间歇精馏的模型。间歇精馏过程的模拟计算按照是否考虑塔顶和塔身持液的作用 分为两类：一类是无持液模拟；另一类是有持液模拟。无持液模拟，主要是建立 在r a y l e i g h 方程的基础上的，使用时要求已知任一釜浓下的顶浓。因为塔顶和塔 身持液的作用被忽略掉了，所以可将无持液间歇精馏过程看成由无数个持续时间 无限短的连续精馏过程所组成的，因而可用连续精馏的算法得到任意釜浓下的顶 浓。间歇精馏的有持液模拟计算最早是在机械模拟计算机上进行的，当时只能计 算很少的几块理论板( 约7 块) 的情况。随着电子计算机的出现，间歇精馏过程 的有持液模拟计算得到了很大的发展。d i s t e f a n o l l l 8 】研究了多种数值方法来描述间 歇精馏过程的微分方程组的稳定性，他推荐采用3 阶a d a m s m o u l t o n s h e l l 预报 校正法，在此以后许多研究者提出了自己的研究方法。g a l i n d z e 等将连续精馏的 模拟计算方法引入间歇精馏过程的模拟计算，h o l l a n d 则采用两点隐含法和收敛 法相结合的办法求解间歇精馏过程。s e a d e r r l 9 于1 9 8 8 年在a