分壁精餾塔分離苯_甲苯_二甲苯的模擬工藝研究_何西濤

1、2012年3月Mar2012化CHEMICAL學(xué)工業(yè)與AND工程第29卷Vol29第2期No2INDUSTRYENGINEERING文章編號：10049533（2012）02005107分壁精餾塔分離苯/甲苯/二甲苯的模擬工藝研究11，2*，何西濤，干愛華陳寧1，2（1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072；2.天津大學(xué)精餾技術(shù)國家工程研究中心，天津300072）摘要：分壁精餾塔（簡稱分壁塔）在節(jié)能和節(jié)約投資方面都有很大的優(yōu)勢和潛力，因此近幾年來人們對它的深入研究也越來越多。以等比例的苯、甲苯和二甲苯為原料，通過模擬工藝流程，研究分析了分壁塔的進(jìn)料位置、隔板位置、回流比、側(cè)線采出位置以及液汽相分

2、流比與能耗、組分純度的分壁塔的最適宜液相分流比和汽相分流比分別為0.65和0.45，與常規(guī)精餾關(guān)系。研究結(jié)論顯示，塔相比，分壁塔分離所得的苯、甲苯和二甲苯的純度高，冷凝負(fù)荷和熱負(fù)荷分別比常規(guī)精餾塔降低31.0669%和34.1675%。關(guān)鍵詞：分壁精餾塔；常規(guī)精餾塔；完全熱耦合精餾；汽液分流比中圖分類號：TQ202文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ASimulationofSeparatingBenzene/Toluene/XylenewithDividingWallColumn22HEXi-tao1，GANAi-hua1，CHENNing1，（1.SchoolofChemicalEngineeringandTec

3、hnology，TianjinUniversity，Tianjin300072，China；2.NationalEngineeringResearchCenterforDistillationTechnology，TianjinUniversity，Tianjin300072，China）Abstract：Dividingwallcolumnhasalotofadvantagesandpotentialinenergysavingandinvestmentsav-ing，therearemoreandmoreresearchesondividingwallcolumninrecentyears

4、.Withequalproportionofbenzene，tolueneandxyleneasrawmaterialsandprocesssimulation，therelationshipsbetweenfeedstage，wallposition，refluxratio，side-drawpositionsplitratiosofliquidandvapor，andenergyconsump-tion，componentspuritywereanalyzed.Resultsshowthat，thebestliquidsplitratioandthebestvaporsplitratioa

5、re0.65and0.45respectively.Comparedwithconventionaldistillationtowers，benzene，tolu-eneandxyleneobtainedfromdividingwallcolumnaremorepurer，andthecondenserdutyandreboilerdutyofdividingwallcolumnarereducedby31.0669%and34.1675%，respectively.Keywords：dividingwallcolumn；conventionaldistillationtower；comple

6、telythermalcouplingdistil-lation；splitratiosofliquidandvaporDWC（DividingWallColumn）稱為分壁塔，或者隔壁塔，就是在精餾塔中加入1個隔板，使原料在塔相當(dāng)于將預(yù)分離塔與精餾塔在同一個內(nèi)分開精餾，塔內(nèi)完成，屬于兩個塔的完全熱耦合精餾。圖1為DWC的示意圖。Luster就已經(jīng)提出了早在20世紀(jì)30年代，12-6DWC的概念，并申請了美國專利。Glinos等通過研究發(fā)現(xiàn)，分壁塔與常規(guī)精餾塔相比，降低能收稿日期：20111107作者簡介：何西濤（1985），男，山東汶上人，碩士研究生，現(xiàn)從事分壁精餾塔的工藝研究。E-mail

7、：ganaihuatjueducn。聯(lián)系人：干愛華，電話：（022）27404701，52化學(xué)工業(yè)與工程2012年3月zene）、甲苯（Toluene）和二甲苯（Xylene）的工況為例使用ChemCAD軟件對分壁塔分離BTX的工藝進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬研究，并與工廠中常規(guī)雙塔分離工藝進(jìn)行比較。表1為原料參數(shù)及分離要求。表1Table1進(jìn)料參數(shù)及分離要求Paramentsoffeedandrequirementsofseparation原料參數(shù)組分流率/（kg·h1）溫度/壓力/kPaBenzeneTolueneXylene453.6453.6453.637.8137.931分離要求塔頂XBe

8、nzene99.99%側(cè)線XToluene塔底甲苯XBottom-Toluene99.9%0.1%圖1Fig.1DWC示意圖Schematicdiagramofdividingwallcolumn1分壁精餾塔的設(shè)計分壁精餾塔可以等效成1個預(yù)分離塔（prefrac-耗和節(jié)省投資均在30%左右。對于一些特殊的物1系分離，節(jié)能可達(dá)到50%60%。目前，該領(lǐng)域tionator）和1個主塔（maincolumn）的雙塔系統(tǒng)13。圖2為分壁塔分離模型。通過采用Fenske-Under-wood-Gilliland方法得到預(yù)分餾塔塔板數(shù)為30，進(jìn)料板為15，主塔塔板數(shù)為55，側(cè)線采出為第30塊板。由于進(jìn)料組

9、分均為烴類并且是常壓分離，因此熱力學(xué)方程采用SRKM模型。液分壁塔的最大特點(diǎn)就是增加了2個變量相分流量和汽相分流量。在此自定義分壁塔的液相分流率、汽相分流率、分流比、液相分流比和汽相分流比。單位時間內(nèi)由隔板頂部液相液相分流量分流器流入主塔部分的液相流量。在圖2中表示為Ls。單位時間內(nèi)由隔板底部汽相汽相分流量分流器流入主塔部分的汽相流量。在圖2中表示為Vs。分流比=流入主分餾塔的分流率流入預(yù)分餾塔和主塔的總流率液相或汽相分流率分流器中的總流率進(jìn)入主分餾塔的液相流率流入預(yù)分餾塔和主塔的總液相流率液相分流率液相分流器中的總流率進(jìn)入主分餾塔的汽相流率流入預(yù)分餾塔和主塔的總汽相流率汽相分流率汽相分流器中

10、的總流率的核心技術(shù)主要掌握在BASF公司。當(dāng)其它公司成功的研發(fā)出分離高純度3組分物系的DWC技術(shù)由BASF公司建造的第1座DWC裝置運(yùn)行已經(jīng)時，超過了10年。Becker和Schultz分別在2001年和2002年報道了有關(guān)DWC技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用的成功案例7-8。到2008年為止，全球分壁的塔數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了80座，其中有70多座填料分壁塔是由BASF公司設(shè)計建造，同時，分壁塔的數(shù)量仍在迅速增加9。根據(jù)美國化學(xué)工程2004年報道，Uhde公采用Mor-司已經(jīng)把分壁塔與抽提蒸餾組合在一起，phylane工藝來分離不同原料中的苯和甲苯或者二甲苯。第1套工業(yè)裝置于2004年秋季在德國Gelsenkir

11、chen的Aral芳烴公司投產(chǎn)，可生產(chǎn)甲苯30000t/d，純度高達(dá)99.9%以上。與雙塔方案比較，節(jié)省投資25%，節(jié)能20%。盡管分壁塔在節(jié)能和減少投資上有很大的潛力，然而，苛刻的操控條件卻成為了該技術(shù)在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的瓶頸10。研究發(fā)現(xiàn)，在所有的精餾塔11DWC是最難控制的器中，。Halvorsen等3運(yùn)用簡捷法對DWC的能耗做了研究分析，他們發(fā)現(xiàn)，DWC比普通精餾塔額外的增加了2個自由變液相和汽相分流比（liquidandvaporsplitrati-量os），并且這2個變量對于DWC的節(jié)能起到至關(guān)重要的作用。國內(nèi)在分壁塔方面的應(yīng)用研究較少，尚無工業(yè)實(shí)施案例12液相分流比=汽相分流比=。

12、本研究以某工廠車間中分離苯（Ben-第29卷第2期何西濤，等：分壁精餾塔分離苯/甲苯/二甲苯的模擬工藝研究53Kij=Kaij+Kbij/T+Kcij/T2Kji=Kaji+Kbji/T+Kcji/T2（8）（9）3分壁塔的工藝參數(shù)分析在分壁塔分離BTX工藝中，主要研究進(jìn)料位置、側(cè)線采出位置、回流比和分流比對塔的能耗及分離效果的影響。3.1進(jìn)料位置的影響其它條件不變，改變分壁塔的進(jìn)料位置，觀察分壁塔的能耗及分離效果的改變。圖3為進(jìn)料位置與能耗及各組分純度的關(guān)系圖。通過進(jìn)料位置由第18塊板改變到第38塊板，我們發(fā)現(xiàn)，進(jìn)料位置在2330塊板時分離效果達(dá)到最佳。進(jìn)料位置低于第23塊板或高于第30塊板

13、都會使能耗增加，同時側(cè)線甲苯的純度也明顯下降，這主要是由于進(jìn)料位置過高或過低都會引起預(yù)分餾塔內(nèi)的液體返混。根據(jù)能耗，最終確定分壁塔的最適宜進(jìn)料位置為第28塊板。3.2圖2Fig.2分壁塔分離模型Divededwallcolumnmodel側(cè)線采出位置的影響側(cè)線采出位置直接影響側(cè)線組分甲苯的純度，具體見圖4。通過圖4，我們可以發(fā)現(xiàn)，第2430塊板為側(cè)線的最適宜采出位置，組分的純度最高。由24到30塊板之間，能耗逐漸下降，因此，第30塊板為最佳的側(cè)線采出位置。同時，當(dāng)側(cè)線在34塊板以下時，塔底組分二甲苯的純度開始迅速下降，而側(cè)線采出位置對塔頂組分的影響并不大。因?yàn)槿叩南鄬]發(fā)度為B：T：X=7.

14、544：3.680：1.000，苯的相對揮發(fā)度最大，在塔頂易分離，因此側(cè)線位置對苯的純度影響不明顯。而當(dāng)側(cè)線位置過于偏會導(dǎo)致大量未于分壁塔下部（第34塊板以下）時，分離的甲苯進(jìn)入塔底與塔底的二甲苯混合，從而導(dǎo)致塔底二甲苯的純度下降3.3回流比的影響回流比的影響見圖5。由圖5可以看出，當(dāng)進(jìn)料位置與側(cè)線采出均處于最適宜位置時，隨著回流比的增大，再沸器的能（5）（6）塔底的二甲苯的純度也不斷增大，塔耗逐漸增大，頂苯的純度是先升高，當(dāng)回流比達(dá)到3.5以后趨于恒定。然而，側(cè)線采出中的甲苯的純度卻是逐漸減小。這是由于回流比的增大導(dǎo)致了回流量的增大，進(jìn)而增大了分壁塔側(cè)線采出所在的隔板一側(cè)的返混，使得甲苯的純

15、度降低?？紤]3組分純度的綜合132化工熱力學(xué)模型由于原料為芳烴，在模擬中對于芳烴的分離一般推薦使用由混合規(guī)則PanagiotopolousReid定義SRK方程的SRKM熱力學(xué)模型4。SRKM狀態(tài)方程與SRK方程一致可以表示成：RTa（T）P=（1）VbV（V+b）22其中，a（T）=0.42748RTC/pC×（T）；b=0.08664RTC/pC（2）（3）在SRKM方程中，C（C1）C1×（1Tr）（4）（T）=Tr32exp式中，Tr為對比溫度；C1C2C3為由純組分的性質(zhì)。決定。SRKM狀態(tài)方程適用的混合規(guī)則：am=bm式中，aij=（aiaj）0.5xxa=xb

16、ijiiijxi1Kij+（KjiKij）xi+xj()（7）Cij54化學(xué)工業(yè)與工程2012年3月3.54.5為回流比的最適宜范圍。低于3.5因素，時，苯和二甲苯的純度會明顯降低，高于4.5會使再沸器能耗增大，側(cè)線甲苯純度降低。經(jīng)過確切的計3.5082為最適宜的回流比。算可知，3.4分流比的影響液相和汽相分流是分壁塔的最大特點(diǎn)。由于液相比汽相更容易收集和分布，因此在這2個變量中液相分流相對于汽相分流更容易控制。液體在上端精餾段（圖2中的）被收集后通過液相分流器在隔板頂部兩側(cè)（圖2中的和頂端塔板）按比例進(jìn)行分配。汽相在塔底下端提餾段（圖2中的）被收集后通過汽相分流器在隔板底部兩側(cè)（圖2中的和的

17、底端塔板）按比例重新分配。汽液相它也是的分流直接影響到能耗和組分的分離效果，分壁塔控制的重要變量。圖6顯示了在不同汽液分流比下能耗和各組分的分離純度。通過圖6c）、圖6d）、圖6e）和圖6f）中不同分流比下各組分純度的投影，我們可以看出，在液相分汽相分流為0.400.45范圍流比為0.650.90，3組分的純度分別為XB99.99%，XT內(nèi)，99.90%，XX99.90%，均可達(dá)到分離要求，即XB99.99%，XT99.90%，XX99.90%，XBottom-T0.10%。由所能達(dá)到分離要求的分流比區(qū)域可以看汽相分流比控制范圍較窄，這也正是分壁塔不出，易操作和廣泛推廣的主要原因。根據(jù)圖6a）

18、和圖6b），我們可以確定最適宜液相分流比為0.65，汽相分流比為0.45，再沸器的能耗為212.7Mcal/h（1cal=4.18J）。由于汽相相對于液相比較難收集和再分布，因此，在實(shí)際操作中，一般固定汽相分通過調(diào)控液相分流來達(dá)到分離要求。流，錢春健等14通過試驗(yàn)研究分壁塔分離苯、甲苯和二甲苯三組分混合物時發(fā)現(xiàn)，進(jìn)料點(diǎn)分別沿進(jìn)料段由上而下變化時，塔頂?shù)漠a(chǎn)品苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次提高，而側(cè)線產(chǎn)品甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小，最終確定進(jìn)料位置在中間部位。并且還得出了最適宜側(cè)線采出點(diǎn)也處在側(cè)線中部。然而，本次模擬結(jié)果顯示，塔頂苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨進(jìn)料位置由上到下先增大后減小。因?yàn)殄X春健等在試無法全面考察各工驗(yàn)中只

19、取了3個點(diǎn)作為參考，藝條件的變化對產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。但是，總圖3Fig.3不同進(jìn)料位置對能耗和分離效果的影響Effectofdifferentfeedstagesonenergyconsumptionandseparation體來說本次模擬結(jié)果與錢春健等的試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。第29卷第2期何西濤，等：分壁精餾塔分離苯/甲苯/二甲苯的模擬工藝研究55圖5Fig.5不同回流比對分離效果的影響Effectofdifferentrefluxratioonseparation4分壁精餾塔與常規(guī)精餾的比較常規(guī)的雙塔精餾工藝，可以分為2種分離工藝，即優(yōu)先分離苯和優(yōu)先分離二甲苯。由于苯、甲苯和二甲苯之間的相對

20、揮發(fā)度為BTX=7.5443.6801.000，所以選用優(yōu)先分離出苯的雙塔工藝。圖4Fig.4不同側(cè)線采出位置對能耗和分離效果的影響Effectofdifferentside-drawstageonenergyconsumptionandseparation圖7為常規(guī)3組分分離方案的示意圖。常規(guī)精餾工藝同樣采用SRKM熱力學(xué)模型。分壁精餾塔56化學(xué)工業(yè)與工程2012年3月圖6不同汽液分流比下能耗和各組分的分離純度Fig.6Effectofsplitratios和常規(guī)精餾塔分離BTX的工藝比較如表2所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)品純度基本相當(dāng)?shù)那闆r下，分壁塔的冷凝負(fù)荷和熱負(fù)荷分別比常規(guī)精餾塔減少31.

21、0669%和34.1675%。由此可見，分壁精餾塔在節(jié)能方面占有很大的優(yōu)勢。通過模擬分壁精餾塔分離等比例的苯、甲苯和二甲苯三組分物系工藝，以及與常規(guī)精餾塔模擬結(jié)5結(jié)論第29卷第2期何西濤，等：分壁精餾塔分離苯/甲苯/二甲苯的模擬工藝研究574）常規(guī)精餾塔分離結(jié)果比較，在苯、甲苯和二甲苯的組成比例相同時，分壁精餾塔在冷負(fù)荷和熱負(fù)荷方面分別節(jié)能31.0669%和34.1675%，并且塔底甲苯含量減少50%。參考文獻(xiàn)：1史志剛，匡國柱.用分隔壁精餾塔對苯類混合物分離的工藝分析J.（4）：17202GLINOSKA，MALONEMF.Optimalityregionsforcomplexcolumna

22、lternativesindistillationsystemsJ.1988，66ChemicalEngineeringResearchandDesign，（3）：229240圖7Fig.7常規(guī)精餾塔分離BTX模型3HALVORSENIJ，SKOGESTADS.ShortcutanalysisofoptimaloperationofPetlyukdistillationJ.IndustrialandEngineeringChemistryResearch，2004，43（14）：3表2Table2分壁塔與常規(guī)精餾塔模擬結(jié)果ResultsofsimulationofDWCand99439994H

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25、599.995099.920399.950000500099.989992999899929989998301000008BECKERH，GODORRS，KREISH.Partitioneddistil-whenandhowJ.ChemicalEngi-lationcolumns：Why，2001，108（1）：6875neering，9OLUJI'CZ，J DECKEM，SHILKINA，etal.Equipment.ChemicalEngi-improvementtrendsindistillationJneeringandProcessing，2009，48（6）：1089110410DUNNEBIERG，PANTELIDESCC.Optimaldesignofther-mallycoupleddistillationcolumnsJ.Industr