Kaibel分壁精馏塔的压力补偿-温度控制

Kaibel分壁精馏塔（Kaibel divided-wall column,KDWC）是分离三组分混合物DWC的进一步强化形式,可在一个塔内实现四组分混合物的高纯度分离。建立有效的控制结构是KDWC的研究关键,研究了KDWC分离苯、甲苯、邻二甲苯和均三甲苯四组分体系的动态过程,首次将压力补偿机制引入KDWC的控制,建立了压力补偿-温度控制结构（PTC）,并考察了该结构与温度控制结构（TC）的控制效果。研究结果表明：TC可实现进料流量或组分发生±15%扰动后的平稳控制,少部分产品纯度不合格,最大余差为-0.007;PTC可实现进料流量或组分发生±20%扰动后的平稳控制,产品纯度均合格,最大余差约为-0.003,且调节时间缩短为5~8 h。压力补偿-温度控制结构通过对下侧线温度控制回路设定值的修正,有效地改善了控制效果。     

Kaibel分壁精馏塔的压力补偿-温度控制

Kaibel分壁精馏塔(Kaibel divided-wall column, KDWC)是分离三组分混合物DWC的进一步强化形式,可在一个塔内实现四组分混合物的高纯度分离。建立有效的控制结构是KDWC的研究关键,研究了KDWC分离苯、甲苯、邻二甲苯和均三甲苯四组分体系的动态过程,首次将压力补偿机制引入KDWC的控制,建立了压力补偿-温度控制结构(PTC),并考察了该结构与温度控制结构(TC)的控制效果。研究结果表明:TC可实现进料流量或组分发生±15%扰动后的平稳控制,少部分产品纯度不合格,最大余差为-0.007;PTC可实现进料流量或组分发生±20%扰动后的平稳控制,产品纯度均合格,最大余差约为-0.003,且调节时间缩短为5~8 h。压力补偿-温度控制结构通过对下侧线温度控制回路设定值的修正,有效地改善了控制效果。     

分壁精馏塔分离芳烃的稳态及动态研究

采用分壁精馏塔（DWC）严格稳态模型,对比苯、甲苯、二甲苯以及均三甲苯四组分混合物的常规分离和分壁精馏塔分离方法,稳态分析结果表明：直接序列分壁精馏塔流程较常规三塔分离序列可减小再沸器负荷18.9%,年度总成本TAC可降低13.0%,DWC有效避免了常规塔器分离过程中中间组分的返混现象。在Aspen Dynamic环境下对最优序列进行组分控制,结果表明组分控制可很好地应对进料流量和组分组成波动。     

Kaibel分壁精馏塔分离醇类四元混合物实验研究

以甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇为研究对象,根据严格稳态模拟结果建成小试实验装置,并考察了KDWC的开车、连续进料和进料组成变化过程。KDWC开车流程可分为3个阶段:全回流、间歇精馏和进料平衡阶段;连续等摩尔进料时四组产品摩尔分数均可达到设计值90%,相同条件下模拟值和实验结果具有良好的一致性,上侧线中甲醇杂质和下侧线中丁醇杂质含量略有偏差;进料组成发生±20%的变化后,可在分液比恒定的情况下实现产品的平稳控制。     

Kaibel隔壁塔用于四组分精馏的模拟优化和实验研究

隔壁精馏塔由于其特殊的结构可在单塔内实现多组分高纯度分离的目的。本文针对Kaibel隔壁精馏塔（KDWC）分离四组分混合物的节能工艺进行了模拟优化和实验研究。以甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇（MEPB）为例,通过热力学分析建立了稳态模拟的“四塔模型”,并以塔内温度分布为依据对模型准确性进行了实验验证。提出了一种基于再沸器能耗的优化流程,以再沸器最小能耗为目标函数,对KDWC的液相分配比（RL）及整体结构进行了优化。分析了KDWC的节能原理并考察了中间组分含量对KDWC节能效果的影响。对比了KDWC与常规传统三塔序列的能耗并对二者的热力学效率进行了计算。结果表明：温度分布的模拟值与实验值趋于一致,且液相分配比（RL）是塔的重要操作参数;KDWC结构相比于传统三塔序列节能的重要原因是有效降低了中间组分（乙醇和正丙醇）的返混程度,且随着中间组分含量的增加KDWC节能效果越来越明显;当中间组分摩尔分数为80%时,KDWC可节能35.65%,可提高热力学效率26.11%。通过本文研究,为隔壁塔用于四组分精馏提供了基础实验数据并为其节能优化提供了理论指导。     

轻组分绝对占优的蒸汽再压缩隔离壁蒸馏塔的最优拓扑结构

隔离壁蒸馏塔（DWC）的双塔多段拓扑结构导致蒸汽再压缩热泵（VRHP）的应用具有多种可能性,包括单VRHP、多VRHP、多级VRHP以及它们的相互组合等复杂结构,这显著加剧了蒸汽再压缩隔离壁蒸馏塔（DWC-VRHP）综合与设计的复杂性与烦琐性。为解决这一问题,针对轻组分绝对占优的三元宽沸点物系的分离问题推演了DWC-VRHP的最优拓扑结构,由此能够有效回避系统综合与设计过程中的结构搜索问题并显著降低模型化与搜索计算的工作强度。轻组分绝对占优与宽沸点物性导致了塔顶冷凝器与预分离蒸馏塔的提馏段是主要的热源与热阱,也决定了DWC-VRHP的最优拓扑结构,即一个二级VRHP与DWC的耦合系统。第一级VRHP用于进料预热,既充分利用温度提升跨度小的特点,又可以通过进料分流强化气液相间的物质传递。第二级VRHP用于加热预分离蒸馏塔的提馏段（或公共提馏段）,能够最大限度地降低分离操作的非可逆性。采用苯/甲苯/邻二甲苯和正戊烷/正己烷/正庚烷两个物系的分离问题对所提出的DWC-VRHP的最优拓扑结构进行了分析与验证。通过与DWC以及DWC-VRHP其他潜在结构的系统性比较,显示了所提出系统结构在稳态性能方面的优越性。     

分壁塔响应面法优化分离芳烃混合物研究

以Hysys软件对分壁塔分离芳烃混合物进行研究,采用Box-Behnken方法对影响分离效果的因素进行了优化,并进行了数学模型的研究,建立了以组分分离纯度为目标值,各工艺参数为因素的二次多项式模型。结果表明:进料温度和液体分配比对整体分离效果的影响显著,气体分配比对苯的分离影响显著,进料温度和液体分配比对甲苯和二甲苯分离交互作用影响显著。分壁塔分离的最优工艺条件为:进料温度122℃、回流比7、液体分配比0.62、气体分配比0.45。     

分壁精馏塔分离苯/甲苯/二甲苯的模拟工艺研究

分壁精馏塔（简称分壁塔）在节能和节约投资方面都有很大的优势和潜力,因此近几年来人们对它的深入研究也越来越多。以等比例的苯、甲苯和二甲苯为原料,通过模拟工艺流程,研究分析了分壁塔的进料位置、隔板位置、回流比、侧线采出位置以及液汽相分流比与能耗、组分纯度的关系。研究结论显示,分壁塔的最适宜液相分流比和汽相分流比分别为0.65和0.45,与常规精馏塔相比,分壁塔分离所得的苯、甲苯和二甲苯的纯度高,冷凝负荷和热负荷分别比常规精馏塔降低31.066 9%和34.167 5%。     

基于隔板塔内在特性的快速设计策略

使用Aspen Plus软件,对隔板塔体系进行了设计优化,开发并验证了一种隔板塔稳态优化的良好策略。通过灵敏度分析等手段分析了各个变量因素的影响,发现固定分气比分液比,四个塔段塔板数有多种分配方案,调整左右两侧塔段塔板数及进料采出位置比例时,公共精馏段和公共提馏段最优塔板数基本不变且最优分气比分液比在一定范围内波动;固定公共精馏段和公共提馏段塔板数,N×(R+1)随着N先减小后增大,存在着最优的选择方案。     

双进料混合二甲苯连续悬浮结晶工艺的优化

甲苯选择性歧化法与传统歧化组合工艺(简称SITDP工艺)得到对二甲苯(PX)含量为90%左右和65%左右的两种混合二甲苯产品,探索将SITDP工艺得到的两种不同浓度PX产品结合成一套分离提纯装置,研究进一步结晶提纯优化方案。通过二甲苯同分异构体三元系固液相平衡实验求取真实二甲苯固液相平衡的模型及数学表达式,结合物料衡算和能量衡算对双进料混合二甲苯连续悬浮结晶工艺进行计算,考察两种含量料液在不同进料比率下的单位质量产品最低能耗QR及其对应的成核区温度T2。计算结果得到最优成核温度的调节范围为248～265K,与实际生产操作工艺中的成核温度调节范围250～266K相当接近。计算结果同时提供了不同进料比率下为获得单位质量产品最低能耗QR时的最优成核区温度T2。     

Optimum design of Petlyuk and divided-wall distillation systems using a shortcut model

An optimization approach for fully thermally coupled distillation systems for the separation of ternary mixtures is presented. The thermally coupled schemes considered here can be implemented in the form of the original Petlyuk arrangement (with an external prefractionator) or the modified Kaibel arrangement (in the form of a divided-wall column). The approach uses a shortcut design method that allows the system to be modeled as a nonlinear programming problem. Given the practical interest in divided-wall column arrangements, special attention is given in this work to this type of structure. Several cases of study are presented to show the applicability of the proposed approach.     

垂直双隔板隔壁塔分离四组分的模拟优化和实验研究

提出了一种垂直双隔板的分离四组分混合物的隔壁塔,对该塔的结构设计进行了详细的介绍和说明,根据新型隔壁塔的塔板结构和分离原理设计了该种塔板的五塔模型并进行了简洁计算。针对烃类体系四组分分离的完全热耦合过程,通过化工流程模拟软件Aspen进行了模拟优化和用能分析,相比一般的序列塔分离工艺,节能最高可达18.6%,节能效果明显。根据工艺模拟结果,以分离戊烷、己烷、庚烷、辛烷为研究对象,对新型塔板进行了小试研究。研究结果表明：影响新型隔壁塔温度分布的主要因素是液相分配比,可通过控制新型隔壁塔主塔段二塔顶冷凝器的回流量来控制主塔段二的温度分布。研究为隔壁塔气相分配的工业化提供了理论依据和设计参考。     

四产品Kaibel隔壁精馏塔分离丙二醇混合物的模拟与节能分析

研究了包含甲醇、水、丙二醇和二丙二醇四组分混合物的分离问题,针对混合物的特征和分离要求,提出四产品Kaibel隔壁精馏塔的分离工艺,并利用Aspen Plus软件对Kaibel塔进行设计与节能分析。首先,设计了分离四组分混合物的三塔精馏流程（TCD）和热集成三塔精馏流程（HTCD）;其次,开展了四产品Kaibel塔分离四组分混合物的模拟研究,取得了满足分离要求的塔设计参数;最后,采用能量衡算和㶲损失分析相结合的方法,对Kaibel塔的用能特征进行了分析和比较。研究表明,与热集成三塔精馏流程相比,四产品Kaibel塔在操作费用方面不占优势,但在设备投资方面具有明显优势,可以实现在一个塔内四组分的分离,总㶲损失可降低9.41%。     

分隔壁精馏塔分离醇类混合物的模拟

以分隔壁精馏塔分离乙醇、正丁醇及正己醇为例,建立分隔壁精馏塔稳态模型。用Aspen Plus软件进行模拟,模拟数据与实验数据吻合良好。同时考察了分隔壁精馏塔内液体分配比对产品含量的影响及正丁醇液相组成分布情况。比较了采用分隔壁精馏塔和常规二塔流程分离此物系的节能情况。结果表明,由于分隔壁精馏塔能极大地减少返混现象的产生,故达到相同的分离要求,分隔壁精馏塔比常规精馏的流程更节能,采用分隔壁精馏塔分离此物系时,中间组分的摩尔分数越高,节能效果越好,当进料组成为n(C2H5O)∶n(C4H10O)∶n(C6H14O)=1∶3∶1时,可节能25.9%。分隔壁精馏塔技术是一种节能、经济的新工艺。     

Remixing Analysis of Four‐Product Dividing‐Wall Columns

Dividing‐wall columns can separate multicomponent mixtures and offer large energy savings over conventional column sequences. The separation of a mixture of four alcohols was studied in a Kaibel column and a fully extended Petlyuk column or Sargent arrangement, respectively. The flow paths of intermediates are different so that the Sargent arrangement could save more energy. Remixing of intermediates is unavoidable in the Kaibel column because each of them cannot detour all around both ends of the dividing wall. The Sargent arrangement exhibits the desired detouring paths and the remixing of intermediates is alleviated but still occurs in the prefractionator and the middle column. Finally, an alternative configuration of the Sargent arrangement is proposed which presents a better thermodynamic efficiency.     

通过调整进出料热状况消除隔离壁精馏塔的黑洞

隔离壁精馏塔在同时控制4个质量指标（塔顶、侧线、塔底产品浓度以及侧线采出杂质比）时会产生设计与操作黑洞,黑洞的产生对隔离壁精馏塔的应用范围带来很大的限制。本文提出了一种通过调整进料和侧线采出的热状况对隔离壁精馏塔的黑洞进行填补的策略。这两个操作变量通过对全塔热平衡的影响,改善预分离塔与主塔之间的耦合关系,进而改善两者分离能力并最终消除黑洞,同时改善了隔离壁精馏塔的动态特性。针对进出料热状况的调整,本文结合牛顿法给出了简单的调整规则,调整会形成3种不同的方案,为不同能量供应条件下填补隔离壁精馏塔的黑洞提供了可能。通过使用Aspen Plus模拟理想三元物系分离,对黑洞填补方法进行稳态分析和动态响应验证,证明采用调整进出料热状况的方法可以有效的填补隔离壁精馏塔的设计与操作黑洞并使其动态特性得到改善。本文所提出的方法完善了填补黑洞的方法体系,增加了隔离壁精馏塔的灵活性与适应性。     

Design and Control of a Fully Thermally Coupled Distillation Column Modified from a Conventional System

A modified fully thermally coupled distillation column is proposed, with utilization of the existing distillation columns of the conventional system, and its control scheme is suggested here. The proposed distillation system is applied to a benzene‐toluene‐xylene (BTX) separation process, of which the system design and control performance evaluation are conducted using the HYSYS software. The performance of the suggested 3 × 3 control is examined in the set‐point tracking of product specification and the regulation for the changes of feed flow and composition. The pairings of three proportional‐integral control loops are the reflux flow and the specification of overhead product, the prefractionator vapor flow and that of the side product, and the vapor boil‐up rate and that of the bottom product. The multi‐variable controllability using various indices is investigated for the proposed control scheme, and the controllability is compared with that of the cross‐pairing between the control loops of the side and bottom products.