胡雨奇，方 靜，李春利

（河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130）

隔壁塔設(shè)計(jì)與控制的研究進(jìn)展

胡雨奇，方 靜，李春利

（河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130）

隔壁塔作為一種利用完全熱耦合技術(shù)的精餾塔，其在一個(gè)塔殼內(nèi)實(shí)現(xiàn)多組分的清晰分離，避免了在常規(guī)精餾塔序列中出現(xiàn)的返混現(xiàn)象，具有熱力學(xué)效率高、能耗低、投資費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn).著重闡述了隔壁塔在設(shè)計(jì)與控制方面的研究進(jìn)展，包括初值估算設(shè)計(jì)、嚴(yán)格模擬設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制方案、參數(shù)控制操作性等，指出在模擬和應(yīng)用中隔壁塔的設(shè)計(jì)與控制存在的問題及后續(xù)研究的方向.

精餾；隔壁塔；設(shè)計(jì)；控制；工業(yè)應(yīng)用

在石油和化工產(chǎn)業(yè)中，精餾是分離混合物最普遍的方法，但精餾塔也是耗能最多的操作單元，其能耗占整個(gè)化工工業(yè)用能的40%左右[1-2].在能源危機(jī)之后，精餾節(jié)能技術(shù)成為可持續(xù)發(fā)展的主要努力方向[3]，受到全球工業(yè)所需設(shè)備數(shù)量和規(guī)模持續(xù)增長的驅(qū)動(dòng)，如今的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)符合可持續(xù)發(fā)展以及低經(jīng)濟(jì)投資的精餾系統(tǒng)[4].近年來，完全熱耦合技術(shù)作為利用熱力學(xué)第二定律來降低精餾系統(tǒng)能耗的典型技術(shù)而受到廣泛關(guān)注，應(yīng)用完全熱耦合技術(shù)而建立的塔結(jié)構(gòu)包括完全熱耦合精餾塔和隔壁塔.在現(xiàn)有研究中，隔壁塔的設(shè)計(jì)與控制一直都是過程系統(tǒng)工程研究的主要問題.隔壁塔的設(shè)計(jì)方法與控制方案比傳統(tǒng)精餾塔要復(fù)雜得多，其復(fù)雜性主要是由于隔壁塔具有更多設(shè)計(jì)自由度，設(shè)計(jì)參數(shù)間又存在復(fù)雜的交互作用關(guān)系，造成隔壁塔的設(shè)計(jì)與控制具有特殊性.由于設(shè)計(jì)方法影響模擬仿真，控制方案又決定實(shí)際應(yīng)用，為此本文主要介紹隔壁塔的設(shè)計(jì)方法、控制方案、工業(yè)應(yīng)用以及存在的問題，以期為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)和方向.

1 隔壁塔簡介

相比于常規(guī)精餾塔序列，應(yīng)用完全熱耦合技術(shù)而建立的塔結(jié)構(gòu)（圖1所示）的能耗更低，以完全熱耦合精餾塔（如圖1（a）所示，簡稱Petlyuk塔）為例，在Petlyuk塔中由于存在預(yù)分餾塔對(duì)物流的初級(jí)分割作用、中間組分在預(yù)分餾塔中的近似均勻分布以及在主塔中中間組分產(chǎn)品在濃度最大處的側(cè)線采出，這些特性使得以進(jìn)料位置和側(cè)線采出位置為分界點(diǎn)，塔內(nèi)各部分中近乎只存在兩組分的分離，避免了在常規(guī)精餾塔序列中出現(xiàn)的中間組分返混現(xiàn)象[5-6]并降低了由此產(chǎn)生的熵增與有效能損失，這是提高分離過程熱力學(xué)效率最有效的手段[7-10]；而且對(duì)于多元混合物以及沸點(diǎn)接近混合物的分離，Petlyuk塔同樣適用并具有一定的節(jié)能潛力[11-13].

雖然Petlyuk塔可以降低分離能耗，但由于其作為理想結(jié)構(gòu)而無法實(shí)踐應(yīng)用，直至1985年BASF公司率先應(yīng)用完全熱耦合技術(shù)建立隔板焊接式填料隔壁塔來實(shí)現(xiàn)工業(yè)混合物系的分離，隔壁塔才得以發(fā)展，如圖1（b）所示.在塔內(nèi)設(shè)置一豎直隔板，進(jìn)料側(cè)稱之為預(yù)分餾塔，起到非清晰分割物流的作用，另一側(cè)稱之為主塔，預(yù)分餾塔與主塔之間存在多股耦合物流的傳質(zhì)與傳熱過程，耦合物流使得隔壁塔的不可逆性大大降低；不同于帶有側(cè)線采出的簡單精餾塔，隔壁塔不僅可以在一個(gè)塔殼內(nèi)實(shí)現(xiàn)三組分的完全清晰分離而且還繼承了Petlyuk塔的節(jié)能優(yōu)勢(shì).研究表明，對(duì)于不同物系的分離，隔壁塔可節(jié)約能耗10%～60%，節(jié)省設(shè)備投資10%～50%[14-15].當(dāng)在隔壁塔內(nèi)設(shè)置多塊隔板時(shí)，隔壁塔也可實(shí)現(xiàn)四組分甚至更多組分的清晰分離.

圖1 應(yīng)用完全熱耦合技術(shù)的精餾塔Fig.1 Distillation columns in which the fully thermally coupled technology is applied

2 隔壁塔的設(shè)計(jì)

2.1 隔壁塔的初值估算設(shè)計(jì)

相比于常規(guī)精餾塔序列，隔壁塔的設(shè)計(jì)自由度更多，包括公共精餾段、預(yù)分餾塔、側(cè)線采出段和公共提餾段的塔板數(shù)、進(jìn)料位置、側(cè)線采出位置（NⅠ-NⅥ）、回流比（R）、液相分配比（LⅡ∶LⅢ）、氣相分配比（VⅣ∶VⅤ）、側(cè)線采出流量（S）以及塔釜采出流量（W），如圖2所示.由于設(shè)計(jì)參數(shù)多以及其參數(shù)間耦合作用復(fù)雜，故隔壁塔的模擬需要良好的初值和限制條件才能得以收斂.

圖2 隔壁塔的設(shè)計(jì)自由度Fig.2 Design freedom of dividing wall column

Becker等[16]提出一種可實(shí)現(xiàn)良好初值估算的方法：①設(shè)計(jì)一套常規(guī)兩塔精餾序列（直接序列或間接序列）作為基礎(chǔ)；②采用常規(guī)兩塔精餾序列總塔板數(shù)的0.8倍作為隔壁塔主塔的板數(shù)；③隔板放置于主塔中間、縱向位置為主塔板數(shù)的1/3處；④以常規(guī)兩塔精餾序列總能耗的0.7倍作為設(shè)置內(nèi)部物流流量的考量標(biāo)準(zhǔn)；⑤采用相等的氣、液相分配比.Carlberg等[17]簡化了Petlyuk塔和隔壁塔的模型；在其研究的基礎(chǔ)之上，Triantafyllou等[18]設(shè)計(jì)了一種利用Fenske-Underwood-Gilliland-Kirkbride（FUGK）聯(lián)合方程法建立的隔壁塔簡潔計(jì)算模型，提出了2種簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)自由度的方法，即將氣、液耦合物流的產(chǎn)品流量假設(shè)為凈產(chǎn)品流量，將氣、液耦合物流的熱狀態(tài)視為凈產(chǎn)品流股的熱狀態(tài)；其提出的簡潔計(jì)算模型和回流比計(jì)算方法被以后的研究廣泛采納.Amminudin等[19-20]指出當(dāng)簡潔模擬過渡到嚴(yán)格模擬后，由Kirkbride方程計(jì)算得到的耦合連接位置存在誤差，針對(duì)此點(diǎn)提出了一種利用塔板組成曲線的半嚴(yán)格設(shè)計(jì)方法，此方法延伸了Van Dongen等[21]的工作，相比于FUGK聯(lián)合方程法，該方法提高了隔壁塔初值估算的準(zhǔn)確度.Sotudeh等[22]和Muralikrishna等[23]提出了一種僅基于Underwood方程的設(shè)計(jì)方法，其研究認(rèn)為Fenske方程是基于預(yù)分餾塔塔頂與塔底的氣、液流股組成相同的假設(shè)而提出，故在隔壁塔的設(shè)計(jì)中應(yīng)用Fenske方程并不準(zhǔn)確，該方法為隔壁塔提供了一種更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì).

2.2 隔壁塔的嚴(yán)格模擬設(shè)計(jì)

隔壁塔的嚴(yán)格設(shè)計(jì)需在初值估算的基礎(chǔ)上由嚴(yán)格穩(wěn)態(tài)模型模擬得到，由于在化工模擬軟件（CHEMCAD、Aspen Plus、PROⅡ、HYSYS等）中并不包括隔壁塔模塊，為此一系列替代隔壁塔模塊的精餾塔序列成為嚴(yán)格模擬設(shè)計(jì)的主要對(duì)象，研究中常見的精餾塔序列包括帶泵精餾塔、兩塔序列以及四塔序列.

當(dāng)帶泵精餾塔（如圖3所示）作為隔壁塔的替代模塊時(shí)，Ⅱ段和Ⅲ段分別代替隔壁塔的預(yù)分餾塔和側(cè)線采出段，Ⅰ段和Ⅳ段分別代替隔壁塔的公共精餾段和公共提餾段，由泵抽取并返回的氣、液物流代替隔壁塔內(nèi)預(yù)分餾塔與主塔間的氣、液耦合物流；相比于其他替代序列，此模塊只涉及一個(gè)簡單精餾塔，計(jì)算更簡單，但塔內(nèi)多塊塔板上存在氣、液物流的抽取和返回，容易造成多塊塔板上物流的干板傾向，從而引起此模塊的收斂問題[16].

圖3 帶泵精餾塔模塊Fig.3 Module of simple column with pump

兩塔序列模塊即Petlyuk塔模塊（如圖1（a）所示），相比于帶泵精餾塔模塊，其更容易建立、靈活性也更強(qiáng)，收斂時(shí)間與其他常規(guī)兩塔序列相比也并無差別.Smith[6]指出當(dāng)采用如下方法時(shí)可確保Petlyuk塔模塊的收斂：①將預(yù)分餾塔與主塔連接的氣相耦合物流的組成設(shè)定為不包括重組分的進(jìn)料物流組成，溫度設(shè)定為給定壓力下的露點(diǎn)溫度；將預(yù)分餾塔與主塔連接的液相耦合物流的組成設(shè)定為不包括輕組分的進(jìn)料物流組成，溫度設(shè)定為給定壓力下的泡點(diǎn)溫度；②將簡潔模型計(jì)算得到的再沸比以及常規(guī)直接精餾塔序列計(jì)算得到的最大回流比作為主塔的輸入?yún)?shù)，僅單獨(dú)模擬運(yùn)行主塔；③僅單獨(dú)模擬運(yùn)行預(yù)分餾塔；④設(shè)定滿足塔頂、側(cè)線和塔釜產(chǎn)品純度的調(diào)節(jié)變量，整體運(yùn)行Petlyuk塔模塊.由多個(gè)精餾塔序列組成的模塊唯一的缺點(diǎn)是產(chǎn)品回收率不能作為塔頂冷凝器和塔釜再沸器的設(shè)計(jì)規(guī)定.

四塔序列模塊（如圖4所示）作為最真實(shí)反映隔壁塔的模塊，其模擬運(yùn)轉(zhuǎn)也最困難，主要原因是各塔段間相互連接的物流過多，任意物流的初值設(shè)定不準(zhǔn)確都會(huì)造成收斂速度緩慢甚至出現(xiàn)收斂問題，然而此模塊可以為各塔段提供最多的設(shè)計(jì)規(guī)定調(diào)節(jié)變量，因此該替代模塊最適合作為隔壁塔的動(dòng)態(tài)模型[24].

圖4 四塔序列模塊Fig.4 Four columns sequence module

2.3 隔壁塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)

隔壁塔的優(yōu)化是對(duì)嚴(yán)格模擬結(jié)果尋優(yōu)的過程，由于隔壁塔各參數(shù)間交互作用較強(qiáng)，參數(shù)尋優(yōu)過程即為非線性偏導(dǎo)方程組的求解過程.Dunnebier等[25]提出了一種隔壁塔優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，即應(yīng)用嚴(yán)格模擬和數(shù)值優(yōu)化方法，簡化了隔壁塔的設(shè)計(jì)操作參數(shù)，此種方法使得優(yōu)化設(shè)計(jì)更加合理可靠.Hernandez等[26]在簡潔模型的基礎(chǔ)上，以實(shí)現(xiàn)最低能耗為目標(biāo)函數(shù)，在計(jì)算得到主塔和預(yù)分餾塔的塔板數(shù)以及確定進(jìn)、出料位置后，采用動(dòng)態(tài)模型優(yōu)化其他操作參數(shù)；其提出的優(yōu)化方法在小試隔壁塔分離苯-甲苯-二甲苯及脂肪醇混合物系中得到良好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.Kim[27]提出了一種嚴(yán)格優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程包括：①計(jì)算預(yù)分餾塔和主塔的塔板數(shù)；②嚴(yán)格模擬，即設(shè)定氣液耦合物流的組成和溫度后，逐步調(diào)節(jié)操作變量使塔頂、側(cè)線和塔釜采出的產(chǎn)品純度符合設(shè)計(jì)規(guī)定，采用靈敏度分析得到最優(yōu)的操作結(jié)果.Fidkowski等[28]以線形簡潔模擬為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一個(gè)以塔釜上升氣量為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)參數(shù)的求解程序.Halvorsen等[29]提出了最佳分割點(diǎn)和平衡分割點(diǎn)2個(gè)定義，其研究指出優(yōu)化平衡分割點(diǎn)無限接近最佳分割點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)隔壁塔最低能耗，其提出的優(yōu)化方法被以后的研究廣泛采納.

3 隔壁塔的控制

3.1 隔壁塔的控制方案

隔壁塔控制的難點(diǎn)即需要解決調(diào)節(jié)變量與控制變量之間極為復(fù)雜的交互作用以及解決受進(jìn)料擾動(dòng)和塔內(nèi)壓力波動(dòng)引起的難穩(wěn)定的問題[30].Halvorsen等[30]在PI反饋調(diào)節(jié)控制中確定了5個(gè)調(diào)節(jié)變量（回流比、側(cè)線采出量、塔釜采出流量、液相分配比以及氣相分配比）和3個(gè)控制變量（塔頂、側(cè)線以及塔釜產(chǎn)品純度），調(diào)節(jié)變量個(gè)數(shù)大于控制變量個(gè)數(shù)，多余的2個(gè)調(diào)節(jié)變量用于實(shí)現(xiàn)最低能耗；其研究中采用隔壁塔的動(dòng)態(tài)模型作為反饋調(diào)節(jié)控制的主體，氣、液相分配比作為實(shí)現(xiàn)最低能耗的調(diào)節(jié)變量，其研究表明PI反饋調(diào)節(jié)方案具有良好的控制性.Mutalib等[31-32]研究了氣、液相分配比對(duì)采用PI反饋調(diào)節(jié)控制方案的隔壁塔動(dòng)態(tài)模型的影響，分析出采用此控制方案的隔壁塔具有可控性但穩(wěn)定性不強(qiáng).Adrian等[33]提出數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)前饋控制模型用于提高控制穩(wěn)定性.Kim[34]采用數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)前饋控制模型得到了較滿意的控制結(jié)果.Serra等[35]分析比較了離散反饋控制方案的高效性和魯棒性，指出隔壁塔的節(jié)能性與可控性存在矛盾，當(dāng)隔壁塔達(dá)到最節(jié)能的狀態(tài)時(shí)，可控性下降.Ling等[24]提出了一種溫差控制方案，其在實(shí)現(xiàn)隔壁塔最低能耗的同時(shí)具有分離三組分的可控性，但方案實(shí)踐可行性不強(qiáng).Wang等[36]提出了一種組成-溫度級(jí)聯(lián)控制方案用于協(xié)調(diào)隔壁塔的節(jié)能性與可控性，此控制方案成功應(yīng)用于具有不同進(jìn)料組成的乙醇-正丙醇-正丁醇混合物的分離.

3.2 隔壁塔參數(shù)控制的操作性

Van Zile等[37]提出了一種隔壁塔液相流量的間接調(diào)節(jié)方法：液相回流量由側(cè)線采出段頂部的溫度予以控制調(diào)節(jié)，側(cè)線采出產(chǎn)品流量由側(cè)線采出段底部的溫度予以控制調(diào)節(jié)，即當(dāng)側(cè)線采出段頂部溫度過低時(shí)，證明大量輕組分仍集中于側(cè)線采出段，為此液相回流量需降低，當(dāng)側(cè)線采出段底部溫度過低時(shí)，證明大量中間組分仍集中于公共提餾段，為此側(cè)線采出產(chǎn)品流量需升高.Stacey[38]提出了一種氣相分配比的調(diào)節(jié)方法，即隔板兩側(cè)的氣相流量分別由預(yù)分餾塔與側(cè)線采出段的壓差梯度予以控制調(diào)節(jié).Kister等[39]和Kaibel等[40]研究了代替不同塔板上的液相物流濃度檢測(cè)的方法，避免由于物流濃度檢測(cè)所造成的控制滯后性問題.

4 隔壁塔的工業(yè)應(yīng)用

早期隔壁塔的專利和研究主要針對(duì)于石油工業(yè)，但由于隔壁塔的設(shè)計(jì)自由度過多以及操控特殊性，在BASF公司投入使用隔壁塔之前，其并沒有應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；直至20世紀(jì)90年代中期，隨著BASF公司的隔壁塔技術(shù)與Montz公司的塔內(nèi)件技術(shù)的合作，隔板非焊接式填料隔壁塔的應(yīng)用成為隔壁塔技術(shù)的關(guān)鍵突破點(diǎn)，這由BASF和Montz交付使用的隔壁塔數(shù)量隨年限變化曲線可以看到此關(guān)鍵突破點(diǎn)之后隔壁塔的快速發(fā)展，如圖5所示.非焊接式隔板實(shí)現(xiàn)了隔板在塔內(nèi)縱向位置和偏心度的靈活變化，該隔板結(jié)構(gòu)擴(kuò)寬了適用于隔壁塔分離的物系選擇與物系組成，而且使得常規(guī)精餾塔改造為隔壁塔更容易實(shí)現(xiàn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得其成為隔壁塔發(fā)展的重要進(jìn)步技術(shù).在此突破點(diǎn)之后，隔壁塔的研究更加實(shí)際與廣泛.國外研究集中于隔壁塔的熱力學(xué)分析，針對(duì)于不同物系的適用性評(píng)估以及過程控制；國內(nèi)研究集中于隔壁塔與特殊精餾的結(jié)合以及操作參數(shù)對(duì)操作特性影響的分析.

圖5 隔壁塔交付使用數(shù)量隨年限的變化Fig.5 Changes of delivered quantities of dividing wall columns with years

隔壁塔的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用率先公開于Becker等[16]采用直徑為5.2 m的板式隔壁塔從費(fèi)托合成產(chǎn)物中回收石油化工產(chǎn)品，隨后適用于不同分離過程的隔壁塔技術(shù)予以公開[41-45].目前全球有超過300座的隔壁塔投入工業(yè)使用，隔壁塔的專利技術(shù)主要由BASF和Montz公司掌握，而近年 Sulzer Chemtech、Koch-Glitsch、Kellogg、BP、Linde AG、Uhde以及UOP公司對(duì)隔壁塔技術(shù)的研究也較為活躍.Koch-Glitsch公司成功的將Algeciras煉油廠的一座異己烷溶劑回收塔改造為隔壁塔，相比于原有設(shè)備，隔壁塔節(jié)能40%[46]；Kellogg和BP公司設(shè)計(jì)出適用于烷基重整工藝的隔壁塔，在一個(gè)塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)精餾、汽提和溶劑回收多種過程，其相比于原有工藝的生產(chǎn)能力增加了一倍[47]；Uhde公司采用萃取精餾隔壁塔實(shí)現(xiàn)甲苯回收，其相比于原有工藝的能耗節(jié)約了20%[48]；國內(nèi)隔壁塔工業(yè)化成果較少，僅有報(bào)道華北制藥廠采用共沸精餾隔壁塔回收頭孢曲松、頭孢呱酮發(fā)酵液廢水中的乙腈、二氯甲烷、水和硅醚，其相比于原有常規(guī)精餾塔序列工藝的能耗節(jié)約了32%[49].

5 結(jié)束語

由于隔壁塔具有耗能低、投資費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，隔壁塔技術(shù)已成為替代常規(guī)精餾塔序列分離多元混合物的新型優(yōu)質(zhì)分離工藝，但目前存在的問題是隔壁塔模擬操作點(diǎn)與實(shí)際操作點(diǎn)的差異、操作點(diǎn)可優(yōu)化方向的差異均較大，參數(shù)的擾動(dòng)對(duì)隔壁塔動(dòng)態(tài)模型的影響無法真實(shí)反映實(shí)際過程，即隔壁塔的穩(wěn)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型與實(shí)際過程均存在偏差，限制了隔壁塔的大范圍工業(yè)應(yīng)用，為此后續(xù)研究需要進(jìn)一步提高隔壁塔的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度、建立隔壁塔的專屬控制方案才能實(shí)現(xiàn)隔壁塔科技成果轉(zhuǎn)化，最大程度發(fā)揮隔壁塔的工業(yè)價(jià)值.

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Progress in design method and controllability of dividing wall column

HU Yu-qi，F(xiàn)ANG Jing，LI Chun-li
（School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

Dividing wall column is one kind of distillation column applying fully thermally coupled technology.It can separate multi-components sharply in one shell and avoid the remixing phenomenon appeared in the conventional distillation sequences.It has the advantage of high thermodynamic efficiency，low energy consumption and low equipment investment.In this paper，the progress in design method and controllability of dividing wall column is reviewed，including the initial estimate design，rigorous simulation design，optimal design，control schemes，operability of controlled parameters.The problems of design method and controllability in simulation and practice are pointed out，which provides the reference for further researches.

distillation；dividing wall column；design；controllability；industrial application

TQ028.3

A

1671-024X（2015）03-0041-06

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.03.010

2014-12-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（21306036）

胡雨奇（1988—），女，博士研究生，研究方向?yàn)楦舯谒墓?jié)能優(yōu)化.E-mail：ctsthuyuqi@163.com