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Kaibel隔壁塔用于四组分精馏的模拟优化和实验研究

更新时间:2009-03-28

隔壁塔(DWC)作为概念被提出最早见于1933年LUSTER[1]裂解气的分离过程中。1949年,隔壁塔作为一种节能和节约设备投资的新型结构被WRIGHT[2]正式提出。隔壁塔的内部结构相当于在普通精馏塔内安装一块竖直隔板、从而达到一塔内实现多组分高纯度分离的目的,实现一塔内完成传统多塔的分离任务。对隔壁塔结构进行较早理论研究的主要有PETLYUK课题组、KAIBEL课题组、TRIANTAFYLLOU和SMITH课题组以及WOLFF和 SKOGESTAD课题组[3-6]。隔壁塔是目前设备集成、设备强化研究趋势下的一个前沿研究热点[7-8]。对于特定进料组成,LESTAK等[9]指出,和传统精馏塔相比,隔壁塔节能最高可达60%以上,设备投资可节省约30%。对于分离四组分混合物而言,1987年,KAIBEL[10]提出在具有一块隔板的单个隔壁塔(Kaibel divided-wall column,KDWC)内可实现四组分混合物的分离。1997年CHRISTIANSEN等[11]对可用于分离高纯度四组分混合物的隔壁塔结构进行了详细阐述。2010年KVERNLAND等[12]对Kaibel塔分离四组分提出了一种基于离线数学模型的模型预测控制方案,并通过严格模拟证实了该控制方法的可行性。2011年 GHADRDAN等[13]针对 Kaibel隔壁塔分离四组分混合物提出了一种基于最小能耗图的简捷设计方法。2012年DWIVEDI等[14]通过调节可控的气相分配实现能量最优化的控制并对此进行了实验研究。

国内近些年来对隔板塔的研究也取得了诸多成果。蔺锡玉等[15-16]对比研究了隔板塔相对于传统塔的节能效果,并对醇类体系进行了稳态模拟研究;王二强等[17-18]利用ASPEN PLUS中DSTWU模块对Kaibel塔进行了简捷计算,表明分汽比和分液比的变化对Kaibel塔产物纯度有重要影响,是操作和控制时需要重视的因素;孙兰义等[19]提出了针对于反应精馏的一种简捷计算方法;方静等[20-21]进行了隔壁塔四塔模型的简捷计算并分析和研究了隔板间传热对隔壁塔节能效果的影响。

KDWC结构如图1所示,相当于在普通精馏塔中安装一垂直隔板。由于隔板的存在,整个塔被分为4个部分:预分馏段2、公共精馏段1、公共提馏段3以及侧线采出段4,相比于隔壁塔分离三组分而言,其在结构上的最大特点是同时具有两个侧线采出位置。本文以甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇为例,对 KDWC结构分离四元混合物进行了模拟和实验研究。分析了绝热隔壁塔的热力学性质并建立了热力学等效模型“四塔模型”,通过实验塔内温度分布对模型的准确性进行了验证;实验表明液相分配比对塔的实际操作有很大影响;通过与传统精馏序列进行能耗比较,表明 KDWC结构具有明显节能优势;同时,以再沸器能耗为依据优化了全塔结构并确定塔的适宜操作参数。

1 “四塔模型”的建立

1.1 传统精馏序列的热力学分析

  

图1 Kaibel塔结构示意图

 

1-公共精馏段;2—预分馏段;3—公共提馏段;4—侧线采出段

4组分精馏的传统序列流程有多种,现选取其中一种为例分析其热力学性质,流程如图2所示。采用甲醇(M)、乙醇(E)、正丙醇(P)和正丁醇(B)为原料,在塔1中M由塔顶采出,E、P、B由塔底采出,继而在塔 2中塔顶采出 E、P,塔 2塔底采出B,最后塔3的塔顶采出E、塔底采出P,产品纯度均达到96%(摩尔分数)。

  

图2 传统精馏序列流程

根据热力学第一和第二定律,如式(1)、式(2)。

 

消耗的能量(WLoss)是由于精馏塔在传质和传热过程中的不可逆性造成的,如式(3)、式(4)。

 

式中,Wmin是混合物分离所需的最小分离功。

Kaczmarz迭代算法是一种针对过采样线性等式系统设计的迭代型算法,适用于求解大规模线性等式系统.由于其具有使用简单、速度快、内存占用率低等优点,已被广泛应用于数字信号处理、医学成像等应用领域.在求解线性一致等式系统Ax=b时,Kaczmarz迭代算法循环遍历矩阵A的所有行,并将当前迭代x投影至由矩阵A中当前选择行所对应的超平面上,即

 

则分离四组分混合物的传统精馏序列的热力学效率如式(5)。

从图1可以看出,生理盐水组、高剂量组、中剂量组和低剂量组大鼠的体重均在持续增长。通过单因素方差分析或非参数检验,可以得出,与生理盐水组比较,高、中、低剂量组无论是雄性大鼠还是雌性大鼠的体重增长率均无显著性差异(P>0.05),可以认为润光养生美容酒对大鼠的体重没有明显的影响。

 

1.2 完全绝热隔壁塔的热力学分析

采用优化后的 KDWC结构进行严格模拟,并与传统分离的三塔流程进行能耗比较。保持甲醇、正丁醇含量为1∶1,乙醇、正丙醇含量为1∶1(均为摩尔比),分别对进料组成中中间组分(乙醇和正丙醇)摩尔分数为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%的进料进行了严格模拟,产品纯度规定为96%,能耗结果如图15,能耗比较为表3。由图可知,中间组分摩尔分数在 20%~80%范围内,KDWC结构均显示出了较好的节能效果,且随中间组分含量的增加,节能效果越来越明显。表3结果是中间组分含量为80%,泡点进料时的能耗计算值,结果显示 KDWC结构可比传统直接三塔序列节能35.65%。同时对中间组分含量为80%的进料进行了热力学效率的计算,结果列于表4中。

  

图3 完全热耦合精馏塔

因其只有一个冷凝器和一个再沸器,且隔壁完全绝热,因此热力学性质可由式(6)~式(8)表示。

 

分离四组分混合物的完全绝热隔壁塔的热力学效率如式(9)。

这样的照片有几个特点:1.崇尚唯美主义,讲求形式美感。2.不强调传统的光影对比,而代之以统一而高度平匀的光线,肤纹柔和、肌理细腻。3. 照片背景模糊,画面朦胧。布光柔和,反差适度,适当运用色光。4.眼神、身段和姿态体现出迷人的魅力,使画面充满神秘、浪漫的色彩。在80年代中后期,明星照引发了最早的“套系”商业模式。

 

式(5)和式(9)的热力学效率表达式表明了理想功占实际输入有效能的比率。当进料状态和分离要求确定时,所需的理想功或ΔH-T0ΔS是确定的,此时的热力学效率仅取决于有效能损失WLoss的大小;有效能损失越小,热力学效率越高。进行相同分离任务时,且采用相同的加热介质和冷却介质式(5)和式(9)两式中分子项(最小分离功)是相同的,热负荷(QREB1+QREB2+QREB3)或 QREB越小,则热力学效率越高。

完全绝热型Kaibel隔壁塔结构可由“四塔模型”等价替代,模拟流程如图4所示:其中T1为预分馏段,T2为公共精馏段,T3为公共提馏段,T4为侧线采出段。甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇的混合物料F首先进入预分馏塔中,在预分馏塔中完成中间组分乙醇和正丙醇的分离,轻组分甲醇和中间组分乙醇流向公共精馏段,重组分正丁醇和中间组分正丙醇流向公共提馏段。公共精馏段及乙醇采出位置(侧采位置1)以上塔段完成甲醇和乙醇的分离,公共提馏段及正丙醇采出位置(侧采位置 2)以上塔段完成正丙醇和正丁醇的分离,塔顶采出甲醇产品,侧采段上侧采出乙醇产品,下侧采出正丙醇产品,塔釜采出正丁醇产品。以自制小试实验塔进行了KDWC(完全绝热型)的实验研究,并进行了稳态模拟分析,通过塔内温度分布对“四塔模型”准确性进行了验证。

  

图4 KDWC严格模拟流程图

2 实验验证模型准确性

本实验利用自制玻璃隔壁塔(完全绝热型隔壁塔)进行实验,实验装置如图5所示,实验塔参数见表1,对应的流程模拟参数如表2所示。采用甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇的混合物系,考察了一定条件下不同的液相分配比以及进料组成对隔板两侧温差的影响,由塔内温度分布对“四塔模型”准确性进行了实验验证。

2.1 不同液相分配比下塔内温度分布

  

图5 Kaibel绝热型隔壁塔实验装置图

 

1—调压器;2—电阻丝;3—三口烧瓶;4—水银压力计;5—温度计;6—主塔;7—液相分配比控制器;8—高位槽;9—冷凝器;10—回流比控制器;11—流量计;12—控制阀;13—产品罐;14—公共精馏段;15—公共提馏段;16—预分馏段;17—侧线采出段

 

表1 实验装置参数及实验条件表

  

项目 隔壁塔参数 项目 隔壁塔参数公共精馏段/公共提馏内径50mm 进料位置 预分段中间位置预分馏段/侧采段内径35mm 侧采位置1 侧采段1/3处填料型号 θ环,φ3mm×3mm 侧采位置2 侧采段2/3处公共精馏段填料高度300mm 进料流率 2mL·min-1公共提馏段填料高度300mm 进料温度 26℃预分馏段填料高度900mm 操作压力 1.01×105Pa侧线采出段填料高度900mm

 

表2 模拟参数及模拟条件

  

项目 参数及条件 项目 参数及条件公共精馏段塔板数 5 侧采位置1 侧采段第4块板处公共提馏段塔板数 5 侧采位置2 侧采段第8块板处预分馏段塔板数 12 进料温度 26℃侧线采出段塔板数 12 操作压力 1.01×105Pa进料位置 预分段第6块板处

H—— 焓,kJ

  

图6 不同液相分配比下塔内温度分布图

2.2 不同进料组成下塔内温度分布

  

图7 不同进料组成下塔内温度分布图

(4)本文通过实验和模拟研究,验证了KDWC用于四组分高纯度分离的可行性,为隔壁塔工业应用提供了实验数据参考,同时分析了热力学行为,为其节能优化提供了一定的理论指导。

3 Kaibel塔的优化和节能分析

3.1 Kaibel塔的优化

本文采用相同的分离要求即四产品纯度均达到96%(摩尔分数),以再沸器能耗QR最小为目标,采用“四塔模型”对主塔的理论板数,隔板的位置及高度以及液相分配比等过程变量进行调优。为保证隔壁塔的结构更加稳定,规定预分馏段塔板数与侧线采出段塔板数相同[22]。在实际优化过程中按照液相分配比>主塔理论板数>预分馏段理论板数(侧采段理论板数)>公共精馏段理论板数(公共提馏段理论板数)的顺序依次进行优化。物料条件为进料量为40kmol/h,进料组成为1∶1∶1∶1(摩尔比);操作压力为常压操作。优化流程如图8所示。

(3)随进料中中间组分含量增多,节能效果愈加明显,这主要是由于中间组分含量增多会导致传统塔的返混现象更加严重,而 KDWC结构可以很好地降低中间组分在塔内的返混程度,因此中间组分含量对KDWC的节能效果有很大影响。

  

图8 Kaibel塔模拟优化流程图

3.1.1 液相分配比的优化

隔壁塔做为完全热耦合精馏塔的典型代表结构,其内部流股间耦合程度大,自由度多,故在进行液相分配比优化时,需要首先对塔的一些参数给理论板数一定范围。规定值如下:主塔理论板数96块,预分馏段与侧线采出段理论板数均54块,公共出规定值。为使产品达到纯度要求,需将初始理论板数的设定条件给的相对宽松,以保证其大于最小精馏段和公共提馏段理论板数均为21块,进料位置为预分馏段第26块塔板。Kaibel隔板塔严格模拟采用“四塔模型”。首先固定气相分配比(以RV表示),调整液相分配比(以RL表示),以塔釜能耗为指标,优化结果如图9所示,气相分配比为0.622,液相分配比为0.4时,能耗最小。

3.1.2 主塔理论板数优化

本文规定公共精馏段、侧线采出段以及公共提馏段总称为主塔段。以再沸器能耗最小为依据,气液相分配比为独立变量,减少塔板数的同时保持产品纯度恒定,确定每个塔段的实际塔板数。由图10可知,再沸器能耗最小时,主塔理论板数为84。

某工程地块占地面积约37756.61m2,目前主要为拆迁用地。项目由9栋13个单元22~23层高层建筑及1~4层底商及一栋独立商业组成。地下室均为2层。1#~7#楼突出外墙的线条及构件较多,结构复杂,采用何种外墙涂料至关重要。

3.1.3 预分馏段塔板数优化

为使隔壁塔结构更加稳定,优化过程中保持预分馏段和侧采段塔板数相同,对预分馏段(侧线采出段)的理论板数优化结果如图11所示。当预分馏段塔板数大于48块理论板后,能耗不再变化,因此,预分馏段(侧线采出段)的理论板数为48。

现行的微课教学在质量方面存在较大问题。一是,现阶段很多教师身兼数职、疲于应付的工作状态,降低了微课教学的实际效果。二是,部分小学教师对微课的理解不够全面,进而无法熟练运用微课制作,难以发挥出应有的效果。三是,教师借助微课讲解重点内容时,难以突出教学的层次性,整个课堂教学看起来平淡乏味、模糊不清,小学生难以把握其中的知识点。

3.1.4 隔板位置变化

  

图9 液相分配比的优化

  

图10 主塔理论板数的优化

规定横坐标的值为公共精馏段理论板数与公共提馏段理论板数的差值,负数代表公共精馏段板数少于公共提馏段板数,正数则相反。两者之差,表示隔板位置的变化,负数代表隔板位置偏上,正数则代表隔板位置偏下。由图12可知,随着公共精馏段理论板数减少,能耗先减小再增大,当公共精馏段和公共提馏段的理论板数相同时,能耗最小,故选择公共精馏段(公共提馏段)理论板数为18块。

  

图11 预分馏段(侧线采出段)的优化

3.2 节能分析

图13为中间组分乙醇和正丙醇在传统三塔序列(图2中所示)中的液相浓度分布图,分别表示乙醇在塔C1中的浓度分布以及正丙醇在塔C2中的浓度分布。由图可知,乙醇在传统塔第9~20块塔板和第41~45块塔板存在严重返混现象;正丙醇在塔中第1~3块板和第23~33块板存在严重返混现象。中间组分的返混造成了有效能的额外损失,进而降低了分离过程的热力学效率。

“苦心人,天不负,卧薪尝胆,三千越甲可吞吴。”越王勾践的事迹,妇孺皆知。越国兵败,为了国家和百姓,他沦为阶下囚。但他这并不是向命运低头,而是为了以后的成功积蓄力量。他每天睡薪草,尝苦胆,告诫自己不能松懈,告诫自己必须努力,于是他日复一日地劳作,虚心纳贤,才有了“三千越甲吞吴”的奇迹。

  

图12 公共精馏段(公共提馏段)的优化

  

图13 乙醇和正丙醇在传统塔中的浓度分布

图14为优化以后 Kaibel塔中乙醇和正丙醇(EP)的液相组成分布。液相组成x下角标第一个字母P代表预分馏段、M代表主塔,第二个字母代表相应的物质。

根据2011年中国中西医结合学会消化系统疾病专业委员会达成的《慢性胃炎中西医结合诊疗共识》[5]的诊断标准及2009年中华中医药学会脾胃病分会制定的《慢性萎缩性胃炎中医诊疗共识意见》[6]的辨证分型进行确诊和分型。

  

图14 Kaibel塔中乙醇和正丙醇的浓度分布图

由图 14可以看出:①主塔段乙醇浓度 xM,E从塔顶到第34块板(侧线采出位置S1)不断升高,在 S1处浓度达到最大并采出,避免了主塔段的中间组分乙醇返混。预分馏段塔顶乙醇浓度 xP,E与主塔段第18块板接近,然后从塔顶到第38块塔板(进料位置)浓度不断降低,到第49块塔板缓慢升高,最后到塔底又逐渐降低直至消失。虽然避免了乙醇从预分馏段下部进入公共提馏段(67~84),但是在进料位置处存在一极小值造成额外的能量消耗。②主塔段正丙醇浓度xM,P从塔底到第50块板(侧线采出位置S2)不断升高,在S2处浓度达到最大并采出,避免了主塔段的中间组分正丙醇返混。预分馏段塔底正丙醇浓度xP,P与主塔段第66块板接近,然后从塔底到第38块塔板(进料位置)浓度不断降低,到第37块塔板突然升高,最后到塔顶又逐渐降低直至消失。虽然避免了正丙醇从预分馏段上部进入公共精馏段(2~18),但是在进料板以上邻近位置出现了一极大值造成额外的能量消耗。经浓度分析可知,相比于传统分离序列,KDWC结构可大大降低塔内中间组分的返混程度,从而降低了额外能量的损失,提高了能量的利用率。

Kaibel塔的热力学等效模型如图3所示,相对于分离三组分混合物而言多了一个侧线采出口,隔壁两侧不存在热量传递,则此时的隔壁塔为完全绝热隔壁塔。

  

图15 Kaibel塔与传统三塔流程能耗比较图

 

表3 Kaibel塔与传统三塔序列能耗比较

  

项目 传统三塔序列 Kaibel隔壁塔 节能/%C1 C2 C3 总和塔板数 45 40 40 125 84 QCON /kW 489.15 552.69 457.82 1499.66 964.41 35.70 QREB /kW 492.83 554.99 445.26 1493.08 961.56 35.60

 

表4 传统三塔序列与Kaibel塔热力学效率计算结果对比

  

流程 WLoss /kJ·h-1 Wmin /kJ·h-1 热力学效率/%传统三塔序列 792469 104800 11.68 Kaibel隔壁塔 606696 104800 14.73

计算结果表明,传统三塔序列热力学效率为11.68%,Kaibel隔壁塔热力学效率为14.73%,相对于传统三塔序列流程热力学效率提高了26.11%,说明KDWC结构有效降低了有效能损失。

4 结论

本文对Kaibel塔分离甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇四组分混合物进行了模拟和实验研究,对完全绝热型隔壁塔进行了热力学分析并建立了“四塔模型”,并通过实验验证了模型的准确性。得出以下结论。

《马兰仙子》雕塑作品塑造了一朵迎风吐艳的马兰花,在蓝天中绚丽绽放,花蒂幻化为美艳的马兰仙子,仙乐飘渺之中,翩翩起舞,哈达迎宾,呈现出欢乐祥和、天人合一、和谐共生的神话意境。作品完美诠释了“联合国防治荒漠化第十三次缔约方大会”主旨,也巧妙地表现了主办地鄂尔多斯的市花马兰花。作品是具像和意象的结合,是治理荒漠的宣言——“不经风雨,哪见彩虹”,是用彩虹塑就的治理荒漠的美好愿景,具有“自然”范畴的东方生命美学特征。

(1)当液相分配比发生变化时隔板两侧温差变化明显,因此液相分配比是隔壁塔的重要操作参数。

(2)以再沸器能耗为依据对KDWC结构及操作参数进行了调优,结果表明 KDWC结构相比于传统三塔流程具有明显的节能优势,对于固定进料组成可节能35.65%,热力学效率提高26.11%。

微生物处理土壤中重金属主要基于以下几个方面。部分微生物可以在胞外分泌多聚物与重金属结合生成络合物;部分微生物可以在胞内生成金属硫蛋白把进入胞内的重金属固定在细胞内;部分微生物可以对重金属进行生物转化,以降低重金属生物毒性[16]。另外,部分微生物还可以分泌对石油类污染物具有降解作用的酶来修复石油污染土壤。

图7(a)、(b)和(c)为液相分配比1∶3,回流比为6∶1时,改变进料组成分别为质量比1∶1∶1∶1、2∶3∶3∶2、1∶2∶2∶1,测得隔板两侧预分馏段和主塔段的温度分布。进料组成中突出中间组分含量变化是由于Kaibel隔壁塔结构中预分馏段的主要作用是实现中间组分乙醇和正丙醇的分离,中间组分含量对预分馏段所需分离能耗有很大影响。由图可以看出,隔板两侧存在明显的温度差异,侧线采出段温度均高于预分馏段,隔板下端温差要大于隔板上侧温差;随着进料中间组分含量的增加,隔板两侧的温差稍有增加,但温差变化不明显。这主要是由于随进料中中间组分含量增加,使预分馏段实现中间组分分离愈加困难,导致隔板上侧较中间组分含量低时含有较多的正丙醇杂质,隔板下侧较中间组分含量低时含有较多的乙醇杂质,从而造成了隔板两侧温差的波动。通过以上结果对比可知,实验塔内的温度分布与模拟结果趋势基本一致,从而验证了“四塔模型”的准确性。

符号说明

D —— Kaibel塔塔顶采出量,kmol·h-1

D1—— 传统塔C1塔顶采出量,kmol·h-1

D3—— 传统塔C3塔顶采出量,kmol·h-1

F—— 混合进料流量,kmol·h-1

图6为进料组成为质量比1∶1∶1∶1,回流比为6∶1时,液相分配比为1∶3、1∶4、1∶5下,测得隔板两侧预分馏段和主塔段的温度分布。由图可以看出,在隔板绝热的状态下,隔板两侧存在明显的温度差。当液相分配比为1∶3时,侧线采出段温度均高于预分馏段,隔板下端两侧温差要大于隔板上侧两端温差;液相分配比逐渐增大时,隔板两侧的温差逐渐减小。这是由于在回流量一定的情况下,液相分配比变大使进入侧采段的液相回流逐渐增多,则进入预分段的液相回流必然减少,当液相分配比达到 1∶5时,液相回流在侧采段和预分段间分配严重不均,绝大部分进入侧采段,导致隔板两侧温差减小,由于液相分配器位于隔板顶部,故对隔板上端两侧温度影响最为灵敏,因此侧采段上侧温度下降程度较大,造成隔板上侧预分馏段温度高于同位置的侧线采出段。证明在不同的液相分配比的条件下,隔板的不同位置温差很大。温差是隔壁塔实际操作中隔板两侧水平传热的推动力,能够进一步影响塔釜能耗,对于多组分精馏而言,隔板不同位置的传热分为有利传热和不利传热[21],为实际操作中塔内件的选择提供一定的理论依据。

由于原发性乳腺肉瘤比较罕见,生物学差异大,临床上很难有统一的治疗模式。手术是该病的主要治疗手段,乳腺肉瘤局部切除术和广泛切除术是目前常用的手术方式。同其它肉瘤一样,乳腺肉瘤对放化疗不是很敏感,放化疗一般用于含高危因素较多的原发性肉瘤的术后辅助性治疗。为进一步探讨乳腺肉瘤的临床特点及合理的治疗方案。回顾性分析安徽省立医院和安徽省肿瘤医院2001年7月至2014年7月共收治的17例乳腺肉瘤患者的临床资料。

基于CRISPR/Cas9技术的SRSF9基因敲除对成胶质细胞瘤生物学功能的影响(汪京京)(11):1011

ΔH—— 焓变,kJ

NM—— 主塔理论板数

NP—— 预分馏段理论板数

NR—— 公共精馏段理论板数

NS—— 公共提馏段理论板数

NSD—— 侧采段理论板数

年终的回馈客户活动,部门领到厂家的30块Swatch赠表。我在晨会上建议,因为赠品有限,最好是配合销售,手表赠送给购买服务器或批量PC机客户,末了,我自鸣得意地说:“Swatch是货真价实的瑞士名表,送给大客户也算是好钢用在了刀刃上。”

QCON—— 冷凝器能耗,kW

QREB—— 再沸器能耗,kW

RL—— 液相分配比

RV—— 气相分配比

“喂,向南!”易非喊了一声,招了招手,又在身旁的长椅上拍了拍,已经长成大人的弟弟仍然会心一笑,三步并作两步走过来,坐到了易非的身边。

S—— 熵,kJ

ΔS—— 熵变,kJ

S1—— Kaibel塔侧采位置1采出量,kmol·h-1

S2—— Kaibel塔侧采位置2采出量,kmol·h-1

T—— 温度,K

W —— 塔釜采出量,kmol·h-1

WLoss—— 能量损失,kJ·h-1

Wmin—— 混合物分离所需最小分离功,kJ·h-1

W3 —— 传统塔C3塔底采出量,kmol·h-1

ηCDiC —— 传统塔热力学效率

ηISDWC —— 完全绝热型Kaibel塔热力学效率

参考文献

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方静,相宁,李晓春,张淑婷,李春利
《化工进展》 2018年第05期
《化工进展》2018年第05期文献
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