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        回流比對隔板精餾塔多定態(tài)解數(shù)目影響分析

        2018-09-12 09:41:32張耀昌王二強
        山東化工 2018年16期
        關(guān)鍵詞:側(cè)線分液精餾塔

        張耀昌,王二強

        (1.中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心,河南 洛陽 471000;2. 中國科學(xué)院大學(xué) 化學(xué)科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

        隔板塔(Dividing Wall Column, DWC),又稱為隔壁塔或熱耦合精餾塔,是通過插入一塊或多塊豎直隔板,將一個塔體內(nèi)部分割成多個部分。以分離三組分隔板塔(如圖1)為例,在塔體內(nèi)部放置一塊豎直塔板將塔體分成6個 部分:公共精餾段(隔板上側(cè))、公共提餾段(隔板下側(cè))、預(yù)分餾部分上下段(隔板左側(cè)進料位置上下部分)和側(cè)線采出上下段(隔板右側(cè)采出位置上下部分)。其中,隔板左側(cè)預(yù)分餾塔段又稱為副塔,公共精餾段、公共提餾段及側(cè)線采出段合稱為主塔。傳統(tǒng)精餾分離過程,單個精餾塔僅實現(xiàn)雙組分的分離,即分離三個組分需要兩個塔串聯(lián)(如圖2,其中2a和2b分別代表直接序列和間接序列)。與傳統(tǒng)精餾分離工藝相比,隔板精餾塔分離工藝具有明顯的優(yōu)勢,如減少設(shè)備投資和占地面積。此外,隔板塔可以有效避免中間組分返混,提高熱力學(xué)效率,大大節(jié)省能耗[1-2]。隨著能源、環(huán)境及土地問題的凸顯,隔板精餾技術(shù)逐漸走進人們的視野,且越來越受到工程師及研究學(xué)者的關(guān)注[1-8]。目前,該技術(shù)也越來越受到國內(nèi)研發(fā)設(shè)計單位的關(guān)注[9-15],且先后在2016年、2017年分別在長沙和天津舉辦隔板精餾技術(shù)專題交流會。

        文獻[16]曾報道過Petlyuk塔的多定態(tài)特性,指出在滿足產(chǎn)品純度的要求下,固定回流比和塔釜產(chǎn)品流率,存在兩組內(nèi)部耦合流股滿足要求。關(guān)于隔板塔內(nèi)部多重定態(tài)特性(輸入多定態(tài),即相同的進料和出料對應(yīng)多組內(nèi)部分氣比、分液比滿足產(chǎn)品純度分離要求),Wang課題組[17-19]進行了系列研究,并探索出多解尋找的簡捷方法和首次提出將多定態(tài)現(xiàn)象引入到設(shè)計流程中?;亓鞅仁蔷s操作中的重要參數(shù),其取值的好壞直接影響到設(shè)備參數(shù)及操作能耗。同時,不同操作穩(wěn)態(tài)(除內(nèi)部分氣比、分液比外,其它參數(shù)均相同)對隔板塔內(nèi)部水力學(xué)影響不同,直接影響到對外部擾動的抗性強弱。因此,該文借助Aspen流程模擬軟件來系統(tǒng)分析回流比對多穩(wěn)態(tài)數(shù)目的影響。

        圖1 隔板塔Fig.1 Dividing wall column

        a,b分別代表直接序列和間接序列圖2 雙塔串聯(lián)分離工藝Fig.2 Two-column series module

        1 簡捷設(shè)計

        本文選擇正戊烷-正己烷-正庚烷三組分物系,進料條件為:總物質(zhì)流 F=100kmol/hr, 正戊烷:正己烷:正庚烷=3:4:3(摩爾比),進料壓力為1atm,飽和液相進料,常壓操作。產(chǎn)品純度要求:塔頂產(chǎn)品中正戊烷、側(cè)線中正己烷和塔釜產(chǎn)物中對正庚烷的摩爾分?jǐn)?shù)分別為為95%,90%,95%。借助于Aspen Plus流程模擬軟件,采用三塔模型[20]對該分離物系進行簡捷設(shè)計(如圖3)。

        圖3 三塔簡捷設(shè)計模型Fig.3 Shortcut method using three-column module

        得到簡捷設(shè)計結(jié)果如表1所示。

        表1 簡捷設(shè)計結(jié)果Tab.1 Values from shortcut method

        由于塔板數(shù)及進料位置均為整型參數(shù),對 塔板參數(shù)進行取整計算且隔板兩側(cè)塔板數(shù)目取相等,得到隔板塔參數(shù)如圖4所示。

        2 回流比對多穩(wěn)態(tài)數(shù)目的影響

        本節(jié)基于第一部分得到的隔板塔初始參數(shù),進行隔板塔嚴(yán)格模擬,分析回流比對多穩(wěn)態(tài)解數(shù)目的影響。多解尋找方法采用Wang[18]提出的方法,該方法簡單快捷,具體操作如下:

        利用Aspen Plus的靈敏度分析模塊,在回流比、側(cè)線采出、塔釜采出及設(shè)備參數(shù)不變條件下,分析塔頂苯、側(cè)線采出甲苯及塔釜采出二甲苯隨分氣比和分液比變化情況。然后利用Origin軟件中等高線圖模塊得到滿足目標(biāo)產(chǎn)品要求的分氣比、分液比數(shù)值即:Z1=f1(x, y), Z2=f2(x, y), Z3=f3(x, y),其中Z1代表塔頂產(chǎn)品中苯的摩爾分?jǐn)?shù),Z2代表側(cè)線產(chǎn)品中甲苯摩爾分?jǐn)?shù),Z3代表塔釜產(chǎn)品中二甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)。最后,根據(jù)Z1,Z2,Z3三條曲線的交點個數(shù)判斷穩(wěn)態(tài)解數(shù)目情況。

        采用隔板塔四塔等效模型(如圖5)進行模擬分析研究。四塔模塊中的精餾塔均選用Aspen Plus中的嚴(yán)格模塊(RadFrac模塊):1個提餾塔T4(不含冷凝器)、2個平行吸收塔T2和T3(不含再沸器和冷凝器)和1個精餾塔T1(不含再沸器);其中,T1,T2,T3和T4分別等效隔板塔的公共精餾段、隔板左側(cè)預(yù)分餾段、隔板右側(cè)側(cè)線采出段和隔板公共提餾段。物性方程選擇Chao-Sea. 參數(shù)如下:公共精餾段共3塊塔板;預(yù)分餾段10塊塔板,第5塊為進料板(以預(yù)分餾段為基準(zhǔn));側(cè)線采出段10塊塔板,第8塊采出側(cè)線(優(yōu)化參數(shù),以主塔為基準(zhǔn));公共提留段共7塊塔板。

        圖4 隔板塔初始參數(shù)Fig.4 Initial parameters of DWC

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

        采用Aspen Plus中的靈敏度分析模塊,并借助等高線圖法得到多穩(wěn)態(tài)解數(shù)目隨回流比變化的趨勢如圖6所示。

        圖6 多穩(wěn)態(tài)解數(shù)目隨回流比的變化

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

        由圖6可知,隨著回流比變化,多穩(wěn)態(tài)解的數(shù)目也隨之變化。RR=4.5時,存在四組解(A,B,C,D四點)。隨著回流比增大,D點逐漸消失,變?yōu)槿M解(RR=6),回流比繼續(xù)增大,D點逐漸消失,變?yōu)閮山M(RR=20),回流比繼續(xù)增大,由變化趨勢可以判斷A、D兩點也會逐漸先后消失,即當(dāng)回流比達到一定數(shù)值后,單純調(diào)節(jié)分氣比、分液比(其它參數(shù)固定不變)不能達到產(chǎn)品純度分離要求;RR<0.45,隨著回流比減小,多穩(wěn)態(tài)解數(shù)目也逐漸減少,達到最小回流比后,單純調(diào)節(jié)分氣比、分液比(其它參數(shù)固定不變)不能達到產(chǎn)品純度分離要求。

        3 結(jié)論

        本文對隔板塔中存在的多重定態(tài)特性進行簡單分析,并分析不同回流比對多穩(wěn)態(tài)解數(shù)目的影響。通過分析多穩(wěn)態(tài)解數(shù)目隨回流比取值變化趨勢,可以發(fā)現(xiàn),隨著回流比的變化,滿足產(chǎn)品分離純度的內(nèi)部耦合流股(分氣比和分液比)的組合數(shù)目隨之變化,即存在四組、三組、兩組、單組解、無解等。回流比直接影響到分流操作費用,而內(nèi)部耦合流股不同組合又會影響到隔板塔體內(nèi)部流場分布等??偠灾?,本文研究可為后續(xù)隔板精餾塔設(shè)計優(yōu)化的進一步深入研究提供一種新思路。

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