（化学工程专业论文）循环全回流间歇精馏操作与模拟计算研究.pdf

中文摘要 循环全回流间歇精馏操作方法是近年来开发的问歇精馏新型操作方法之一。 这种操作方法是由全回流浓缩，出料，无回流充液三个步骤组成，反复循环直到 操作结束。同传统的间歇精馏过程相比具有分离效率高、控制简便，对扰动不敏 感，易于操作的优点。该操作方法于2 0 世纪9 0 年代提出，但目前的研究基本上 集中在操作方法优化的理论研究方面，而缺少对其自动控制和工业化装置的实验 研究。 本文建立了双温度控制循环全回流操作的实验装置，研究了该实验装置的流 体力学特性，提出了用塔中和塔顶温度交替控制间歇精馏操作的方法，在采出产 品阶段，通过塔顶和塔中温度交替控制产品的采出和塔顶的回流，结果表明引入 塔中温度控制使产品数量、质量及操作时间优于单独用塔顶温度控制，并且双温 度控制操作弹性更高；在过渡馏分采出阶段，采用时间脉冲控制过渡馏分的采出， 并研究了在过渡馏分段中不同的采出时间、不同的回流时间对采出过渡馏分量和 整个精馏过程所用时间的影响。本文以异丙醇正丙醇为实验物系对该操作进行 的实验研究，结果表明本文提出的操作方式是完全可行的，并使循环全回流间歇 精馏操作更加紧凑连贯，并且各组分的采出也非常容易实现自动控制。本文建立 了计算间歇精馏过渡馏分量的数学模型，并与实验得到的过渡馏分量进行了对 比，表明了该计算方法的可靠性。 关键词：间歇精馏 脉冲控制法 循环全回流操作双温度控制 模拟计算 a b s t r a c t c y c l i ct o t a lr e f l u xo p e r a t i o n i so n eo f t h en e w o p e r a t i n gm o d e so f b a t c h d i s t i l l a t i o n i ti n v o l v e st h r e ep e r i o d s ：t o t a lr e f l u x ，d u m p i n ga n df i l l i n gu p c y c l i ct o t a l r e f l u xo p e r a t i o nh a ss e v e r a la d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a lo p e r a t i o nw i t hh i 【g h e f f i c i e n c y ，e n e r g ys a v i n ga n dc o n v e n i e n tc o n t r o l l i n g i tw a sp r o p o s e di n t h e1 9 6 0 s a n dd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h e1 9 9 0 s h o w e v e r , s o m et h e o r yp r o b l e m s ，f o re x a m p l e ， t h ef l u i dd y n a m i c sa n dm a s st r a n s f e rd u r i n gt h ef i l l i n gu pp e r i o dw h i c hc o u l dn o tb e d e a l tw i t hi nc o n v e n t i o n a ld i s t i l l a t i o nt h e o r i e sh a sb e e nr e m a i n e du n s t u d i e d t h em o d e l sf o rc y c l i ct o t a lr e f l u xo p e r a t i o nw e r ee s t a b l i s h e di nt h i s 球l p 盯a c o n t r o l l i n gm e t h o do ft o t a lr e f l u xb yi n t r o d u c i n gt e m p e r a t u r e so fm i d d l ep a r ta n dt o p p a r ti nb a t c h d i s t i l l a t i o nc o l u m n a n di s o p r o p y la l c o h o la n dn p r o p y la l c o h o lw a su s e d t oc o n d u c tt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h i so p e r a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es t a t e s w i t c ho ft o t a lr e f l u xa n dt o t a lw i t h d r a wb yc o n t r o l l i n gd o u b l e t e m p e r a t u r ei nc y c l i c t o t a lr e f l u xo p e r a t i o np r o c e s si sc o m p l e t e l yf e a s i b l e f u r t h e r m o r e ，i n t r o d u c i n gt h e c o n t r o l l i n gp o i n to f m i d d l ep a r tt e m p e r a t u r ei nc o l u m nm a k e st h eq u a n t i t ya n dq u a l i t y o fp r o d u c t i o nb e t t e rt h a nt h a to ft h em e t h o do n l yu s i n gt o pp a r tt e m p e r a t u r e ，a n di t m a k e sc o n t r o l l i n go p e r a t i o nf l e x i b i l i t ym o r eh i g h ，b u ts w i t c h i n gt i m e so ft h en e w m e t h o da l em o r et h a nt h eo l do n e t h ev i a b i l i t yo fc o n t r o l l i n gt h et r a n s i t i o n a lf r a c t i o ns e c to fc y c l i ct o t a lr e f l u x o p e r a t i o nb yt i m ei m p u l s ew a sd e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t st o o t h u s ，t h eo p e r a t i o n b e c o m em o r es u c c e s s i v ea n dc o m p a c t , a n dt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fc y c l i ct o t a lr e f l u x o p e r a t i o n b a t c hd i s t i l l a t i o nw a sm a d ee a s y e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ei ng o o d a g r e e m e n tw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：b a t c hd i s t i l l a t i o n c y c l i ct o t a lr e f l u xo p e r a t i o n c o n t r o l l e db yd o u l e - t e m p e r a t u r e s i m u l a t i o n o n - o f f c o n t r o lp o l i c y ( o o c p ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多们瞎 签字日期：。年痒移日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘望有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名两硅 签字日期：a 一6 年p 月拶日 新魏勾 签字日期：2 押传z 月0 日 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 间歇精馏概述 第一章文献综述 间歇精馏也叫分批精馏，是在制药、轻工及精细化学品等小批量高附加值产 品行业中应用极为广泛的分离技术，其主要特点是： ( 1 ) 能单塔分离多组分混合物，获得多个纯组分的产品； ( 2 ) 允许进料组分浓度在很大范围内变化； ( 3 ) 被分离的物料可以频繁改换，即一塔多用，可适用于不同分离要求的 物料，如相对挥发度及产品纯度要求不同的物料。此外间歇精馏还适 用于高沸点、高凝固点和热敏性等物料的分离。 近年来，随着精细化学品和特殊化学品等高附加值产品行业的迅速发展，以 及由于环保要求和降耗挖潜为目的进行溶剂回收再利用等因素，使间歇精馏受到 前所未有的重视，间歇精馏的应用需求日益增长，对其技术要求也越来越高，国 内外学者对此作了大量的研究。从最早的实验室微分精馏到现代的间歇精馏塔； 从单纯的间歇精馏到间歇反应精馏、间歇共沸精馏、间歇萃取精馏；从正立的间 歇精馏塔到倒立的间歇精馏塔，到存料罐可在塔身任何位置的塔型；从问歇操作 到处理热敏物料的循环釜式的半连续操作，人们对间歇精馏过程的研究和开发使 该项技术有了很大的进步。 从本世纪5 0 年代至今，间歇精馏的研究经历了三个阶段：5 0 年代以模拟计 算为主，6 0 年代至8 0 年代侧重于优化操作及简捷计算，9 0 年代以来为了适应精 细化工分离的新需要，一些新型结构的间歇精馏塔以及操作方式得到了开发，如 动态累积循环操作，提馏式间歇精馏塔，中间储罐间歇精馏塔和多罐间歇精馏塔 操作等。这些新型塔构造以及操作方式往往是针对分离任务的特点而设计的， 因而其流程和操作方法更符合实际情况，效率更高，更具灵活性，在化工生产中 具有很大的应用前景。 间歇精馏过程中所采用的回流比控制策略总的来讲可分为以下三种： ( 1 ) 恒回流比操作 ( 2 ) 恒塔顶浓度变回流比操作 ( 3 ) 优化变回流比操作 其中恒回流比操作策略是最简单易行的方法，被工业上广泛采用。恒塔顶浓 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 度操作严格来讲只是对于二元间歇精馏过程才具有可行性。优化变回流比操作是 近年来间歇精馏过程中研究的最多的一种操作方法。 从已有的研究文献来看大多以过程模拟和优化操作为研究内容，尤其对分 批精馏的优化操作研究较多。用改变回流比、上升蒸汽率、馏出液组成、塔板持 液量以及其它操作参数“1 1 来实现对分批精馏过程的优化，分批精馏的优化操作 理论对实际生产起到了一定的指导作用。但是，采用优化方法对分批精馏的改善 程度一般仅限于1 0 “, 6 以下，而且由于控制技术水平的局限，使优化操作方法在实 际生产中的应用受到很大的限制。近年来，人们更多将分批精馏作为一个整体来 考虑，尝试对分批精馏过程进行革新，这主要包括两个方面： 第一：作为分离装置，开发了新型结构塔如提馏式分批精馏塔，中间储罐分 批精馏塔以及多罐分批精馏塔。 第二：作为分离过程，着重于改变传统的操作方式，以动态累积循环操作最 有发展前途，加以重点研究。 1 1 1 全回流间歇精馏过程 如在简单蒸馏的加热釜上加上精馏塔段，再配合以适当液体回流，则此间歇 精馏塔就具备有多块塔板的分离能力。全回流间歇精馏过程是在精馏塔顶设置一 个回流存料罐，进行全回流操作，直到回流罐内料液浓度达到或接近平衡后全部 放出的操作过程。由于全回流条件下，塔的分离能力最强，浓缩倍数最大，所以 可以获得最好的精馏效果。又由于全回流操作不需要连续馏出产品，无需控制回 流量，所以操作方便，尤其适用于分离要求回流比变化很大的精馏过程。如果一 种难分离物系难以确定其适宜的回流比，也可采取全回流间歇精馏过程。考虑到 回流罐的尺寸不宜过大，所以该过程较适合于剥除少量轻杂质的情况。该过程的 要点是全回流浓缩无回流出料的重复操作。 1 1 1 1 基本计算 全回流过程的基本计算包括f e n s k e 公式计算和循环周期t 的计算两部分主 要内容。 一、f e n s k e 公式计算： f e n s k e 公式是最简捷的精馏计算式，它在全回流下将精馏塔的理论板数。 ( 下标表示全回流下最少理论板数) 与塔顶浓度b 、釜液浓度直接关联了起 来。 2 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 虬= l l l 口 图1 - 1 全回流操作间歇精馏 f i g 1 一it o t a lr e f l u xo p e r a t i o ni nb a t c hd i s t i l l a t i o n ( 1 一1 ) 它反映了被分离物系的相对挥发度a 的作用。该式虽然简捷但很重要，在精 馏过程的一种极限情况( r = 0 0 ) 下，精馏塔的塔板数。等于物料的分离易度r 。 因此： ( 1 2 ) 分离易度，包含有两层含意，即： ( 1 ) 物料的浓缩倍数g ，它是精馏塔顶的馏出物料浓度工。的比分子分数与釜 液的比分子浓度之比，严格的表达了精馏的提浓倍数，其数值代表着分离要求的 高低。 ( 2 ) 被分离溶液中两组分问的相对挥发度n 的大小，它代表着物料本身具备 掣 = ， 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 的易分离能力的大小。所以： g = 丢竖 ( 1 3 ) i x dx b f e n s k e 公式又可写成另一种形式： q ：# l 丢：口心( 1 - - 4 ) 1 一而1 一h 当n 。= 1 时，浓缩倍数q = 口，上式即为汽液平衡式： j l ：土口 ( 1 - - 5 ) 1 一y 1 一x 这只不过是图1 - - 1 中，从任何一块理论板f 的汽相浓度只与下流液体浓度t 间的关系。因为在全回流浓度平衡以后，物料衡算确定y ，爿卜| ，所以： j l ：丑口 ( 1 - - 6 ) l y ，卜靠1 则有： # l ：粤口州( 卜7 ) 1 一b1 一 在实际生产中应用此操作方法，应根据釜容量的大小及原料组成确定回流贮 罐的容积，而操作的难点在于控制每罐浓缩所需的时间t 。 二、循环周期t 的计算： t = 互+ 正 ( 1 - - 8 ) 式中正全回流浓缩过程所需时间，h 兀无回流全馏出过程所需时间，h 显然，7 ； 五，正是我们求算的主体，可按精馏开工过程建立数学模型，编 程求解。 1 1 1 2 设备结构 一、回流罐的容积 实现全回流浓缩一无回流出料的间歇精馏过程，塔的结构没有太大的变化， 只是要求塔顶设置回流罐，其大小由被剥除的轻组分数量及循环的次数n 决定。 显然： b oo x l o v 聊 则 v ( b o o x l o ) 雄 ( 1 - - 9 ) 式中，1 ，为回流罐的容量；x 加为原料液中易挥发组分浓度。 4 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 当然上式是近似的，塔顶馏出液的浓度不可能是1 0 0 ，也会有低浓度的过 渡馏分，仅作估算用。 二、回流罐的数量 当全回流结束后，无回流出料时期，不可避免地会出现新冷凝液体与回流罐 内液体的混合，其混和量与出料时间的长短有关。这种混和是有害的，因为新冷 凝的液体是在无有回流液体与之对流传质的上升的蒸气冷凝液，是低浓液体，它 会冲淡回流罐液体。为此，可设置两个回流罐，交替使用，通过阀门开关控制。 如图1 2 所示( 图中未画出阀门) ，在左面回流罐的物料浓缩完成时，通过阀门 联通右面回流罐，同时切断左面回流罐而将左罐料液放出，从而避免了物料混和。 如果为简化设备，只设一个回流罐，则需尽量缩短出料时间忍以减少物料混和， 减少分离效率的降低。 图1 - 2 全回流蒸馏的塔顶结构 f i g 1 - 2 t o ps t r u c t u r e o f t o t a lr e f l u xd i s t i l l a t i o nt o w e r 1 1 1 3 全回流间歇精馏的应用特点 全回流日j 歇精馏适于剥除少量轻组分杂质的情况，或者对于某些未知组分的 分离。因为未知组分的气液相平衡数据不知，难以估计回流比的大小，不便于设 计部分回流间歇精馏塔，而采用全回流塔，可以通过实测适宜的循环周期而操作。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 此外全回流精馏过程的最大优点是无需控制回流比，所以塔的结构简单，操作方 便，只需到达时间后切换阀门即可，在适合条件下，将得到用户的欢迎。 例如某农药中间体( 含氯毗啶化合物) 的同分异构体的分离，易于结晶，又 有刺激性气体，毒性很大，无有相平衡数据，无法计算回流比的大小。则可以采 用全回流间歇精馏塔，避免了物料结晶堵塞管线及回流比难于控制等困难。 1 1 2 部分回流间歇精馏过程 具有精馏塔段的部分回流间歇精馏是间歇精馏的基本模式，具有广泛的应用 范围。部分回流问歇精馏包括恒定回流比操作和恒定塔顶浓度操作等操作方法。 恒定回流比间歇精馏是工业生产上最常用的操作方法，但是在实际生产中，一个 完整的恒回流比问歇精馏操作过程是由多段恒回流比操作过程组成的。比如在产 品段之后，进入过渡馏分操作，此时馏出的液体只能作为再精馏的物料收集，此 时应选适宜的回流比操作，以求最大的经济效益。但是恒回流比操作难以保持塔 顶馏出液浓度不变，而塔顶馏出液浓度正是精馏产品的主要指标，于是产生了不 断提高回流比以保证塔顶浓度不变的方法。 1 1 3 间歇精馏的优化操作 间歇精馏是典型的动态过程，在这个过程中塔内各点的组成都在不断的改 变，因而一些操作参数就必须随之做相应的变化，才能保证获得合格的塔顶产品 和满意的分离效果。所以寻找最合理的操作参数变化方案一直是间歇精馏研究的 热门课题。c o n v e r s e 和g r o s s l 5 1 在1 9 6 3 年最早开始应用最优控制理论来研究间歇 精馏的优化回流比变化方案问题。此后，众多学者借助于日益完善的最优控制理 论和不断发展的计算机技术，在间歇精馏的优化操作方面取得了很多成果。以下 详细介绍间歇精馏优化操作问题研究的两个主要方面： 一、优化操作的目标函数 间歇精馏优化操作的三类常用目标函数如下： ( 1 ) 在规定的时间t 内得到规定浓度x 。的产品的产量最大，即： m a x = j d d t ( 1 - - 1 0 ) ( 2 ) 获得规定浓度z 。和产品量d 所花费的时间最少，即： m i n d = t( 1 1 1 ) 一般来说，t 无法直接表示成控制变量的显函数。 6 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 【3 ) 过程的经济收益最大，这时只有产品浓度是规定值，产量d 和时间f 不定。 这类目标函数的数学表达式虽然很灵活，但一般取为产品经济价值减去有关的成 本费用。例如k e r k h o f 和v i s s e r s 的经济收益目标函数为： 朋枷) 一c , o - c 2 8 0 g ( 1 1 2 ) 、t + t s 。 其中，c l 为产品单价，c ：玩为每釜总原料费用，c ，为能耗、工资、设备折 旧以及保养费用的总和，t 。为开工和停工等辅助时间。 再例如余国琮和王宇新所取的目标函数则为： m a x = c le d ( f 细一e c 2 d t ( 1 - - 1 3 ) 等式右端第一项为产品价值，第二项为操作费用的总和。 虽然这三类目标函数形式不同，但它们有着相同之处，即都是用经济效益减 去成本。 值得注意的是，间歇精馏优化操作问题，都具有相同的终端约束，即操作结 束时产品平均浓度正好等于要求的值： fx , d ( t 净，ed ( t ) d = 石( 1 - - 1 4 ) 这是间歇精馏优化操作问题的一个特点。 从优化求解计算的角度上讲，这三类目标函数的优化问题的难度基本相同， 仅仅是计算量的大小不一样。相比之下，第一类问题计算量最小，第三类问题计 算量最大。因为如果连续变动第一类问题的操作周期t 的值，即对t 进行一维搜 索，总可求得一个r ，使得第三类问题的经济收益目标函数，c 7 1 ) = m a x m 。 k e r k h o f 和v i s s e r s 就采用了这种办法求最大经济效益。由此可见，这三类形式不 同的目标函数仅仅是注重于间歇精馏操作的不同侧面，有时可以相互转化。 二、优化操作的控制变量 在间歇精馏操作中，回流比对产品纯度和产量的影响比较明显，人们对变回 流比的优化操作策略研究的最早最多，认识相对来说也最成熟。图1 3 是优化 回流比策略与两种常规回流比策略( 恒回流比策略和恒塔顶浓度的变回流比策 略) 的比较( 在忽略塔身持液的情况下) ，由图可见，优化回流比策略的回流比 变化大致介于恒塔顶浓度操作和恒回流比操作之间，但是忽略持液必然会带来误 差，而考虑持液将使计算困难大大增加。对于填料塔，当蒸汽流量在操作中改变 时，这时不仅塔的通量发生变化，填料层的等板高度和持液量也随汽速而变化， 此时蒸汽流量起着类似于回流比那样的对问歇精馏过程的控制作用。在杨志才等 7 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 的研究中，蒸汽变量矿被取为控制变量之一，并考虑了p 对持液的影响。比较恒 汽速优化回流比操作方法和恒回流比优化汽速操作方法，认为后者更有优越性。 xd i t 恒塔硬浓度操作 # b 一优化回流比操作；c 一一恒回漉比摄作 图1 3 间歇精馏过程的三种回流比控制策略的对比 f i g 1 - 3c o m p a r t i n g c u r v e o f t h r e ec o n t r o l p o l i c i e s o f r e f l u x i n b a t c h d i s t i l l a t i o n 1 2 间歇精馏新型操作方式 1 2 1 提馏式问歇精馏操作 8 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 图l - 4 常规问歇精馏塔图l - 5 提馏式间歇精馏塔 f i g 1 - 4r e g u l a r b a t c h d i s t i l l a t i o nc o l u m n f i g 1 - 5s t r i p p e r b a t c h d i s t i l l a t i o nc o l u m n 在间歇精馏中，如果某些重组分是被提取的主要对象，且该组分还有一点的 热敏性，经不起长时间的高温煮沸，此种情况下采用提馏式间歇精馏塔比较合适， 装置如图1 5 所示。这种塔不同于常规分批精馏塔( 图1 - 4 所示) 的是，被处 理物料存于塔顶，产品从塔底馏出。首先馏出的是重组分，相当于连续塔中的提 馏段。开工过程所需时间短，操作周期短，能耗低。提馏式间歇精馏塔最早是由 r o b i n s o n 和g i l l i l a n d ”于1 9 5 0 年提出的。s o r e n s e n 和s k o g e s t a d ”1 对常规间歇 精馏塔和提馏式间歇精馏塔的动态特性及最优操作进行了比较。当进料混合物中 轻组分含量较高时，常规问歇精馏塔优于提馏式间歇精馏塔。而当进料混合物中 重组分含量较高时，使用提馏式间歇精馏塔即显示出明显的优越性。主要原因是 当低含量组分从塔中馏出时，为达到比较高的分离纯度，需要很大的回流比或再 沸比，如进料组成x f = 0 1 ，分离纯度x s p e c = o 9 8 时，为回收进料中的轻组分， 需要回流比很高，而采用提馏式间歇精馏塔，由于大量重组分从塔底馏出，使得 轻组分在塔中和冷凝器中不断累积而增浓，开始时再沸比很低，随着重组分的不 断馏出而升高。s n s c n 的实验结果表明，当轻组分含量低时，用提馏式间歇精 馏塔代替常规闯歇精馏塔可节省一半的操作时间。 1 2 2 中间储罐间歇精馏操作 也叫复合间歇精馏塔。这种操作的装置如图1 石所示。中间储罐间歇精馏塔 同连续塔相似之处是具有精馏段和提馏段，同时出塔底和塔顶产品，中间储罐相 当于连续塔中的进料板。这种塔最早也是由r o b i n s o n 和g i l l i l a n d 6 1 于1 9 5 0 年 提出的。后来，m e s k i 8 1d a v i d y a n 和h a s e b e “”将其用于三组分混合物的分 9 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 离。h a s e b e “”认为中间储罐间歇精馏塔比较适合于中间组分的提纯，当重组分 杂质更容易除去时，这种塔即显示出明显的优越性，轻重组分分别从塔顶和塔底 馏出，直至贮罐内中间组分达到指定浓度即停止操作。 b a r o l o t “1 对于文献中部分优化设计进行了实验验证，提出了双组成控制策略。 他指出，当所有组分都需要回收时，理想的操作策略是同时进行全回流操作和全 再沸操作。当有杂质存在时，根据不同情况有两种操作策略，一种是塔顶全回流 同时控制塔底馏率，另一种是控制塔底馏率以及塔底流入和流出物料速率之比。 d i w e k a r 1 对双组成控制之间的相互影响进行了分析，提出变回流比和变再沸比 策略，并指出精馏段和提馏段上升速率之比q 是另一个重要的控制参数。 对于反应问歇精馏，使用中间储罐间歇精馏塔，由于能将产品不断移走，因 而可提高产品的转化率。 1 2 3 多罐间歇精馏操作 h a s e b en 3 _ “1 于1 9 9 5 年提出了一种新型塔叫多罐间歇精馏塔。多罐间歇精馏 塔结构上可看作是多个塔上下相连而成，也叫多效问歇精馏塔，装置如图1 7 所 示。这种塔通过全回流操作最终可获得纯度很高的产品，建立足够多的中间储罐 即能同时分离多组分混合物，但它的设计不如一般间歇精馏塔自由。 多罐间歇精馏塔同传统的间歇精馏塔相比有两个优势。首先，由于能够同时 采出多产品，全操作过程无产品切换，因而操作简单；其次，由于该塔在本质上 的多效性，所需能量很低。对于多组分混合物的分离，此塔所需能量同连续塔相 近。h a s e b e “”等研究了多罐间歇精馏塔的操作控制，提出了全回流控制策略， 通过物料衡算计算出每个贮罐中的持液量，然后将确定的原料量加入各个贮罐 中，保持持液量恒定，直到所有组分都达到指定纯度。w i t t g e n s 等“”提出了全 回流反馈控制策略，通过安装在塔的不同部位的n - 1 个温度传感器控制回流量使 贮罐中累积的产品达到指定纯度。s k o g e s t a d “”于1 9 9 7 年又提出了一种新的优 化持液量控制策略，将原料液一次性加入再沸器中，其余贮罐中的持液量则逐渐 增加达到最终持液量。优化结果表明：多罐问歇精馏塔优化持液量策略比传统的 间歇精馏操作可节省4 7 的操作时间，比恒持液量操作节省1 7 的操作时间。 l o 天津大学硕七学位论文第一章文献综述 图1 - 6中间储罐问歇稽馏塔 f i g 1 - 6 m i d d l ev e s s e lb a t c hd i s t i l l a t i o nc o l u m n 1 3 动态累积间歇精馏操作方式 1 3 1 概述 p r o d1 p r o d2 p r o d3 图1 - 7 多罐间歇精馏塔 f i g 1 7m u l t i v e s s e lb a t c hd i s t i l l a t i o nc o l u m n 全回流累积法分离效率高、控制简便，对扰动不敏感，易于操作，可节省大 约3 0 操作时间“”。n o w i c k i 和g o r a k “8 1 和余国琮“钉等相继对全回流累积法进 行了研究，他们的模拟结果均表明该方法只适用于提取含有较少量易挥发组分的 物料，工业上难以应用。以全回流累积为基础的动态累积间歇精馏是一种全回流 浓缩与无回流内部迁移交替进行的过程，具有控制简便，分离效率高的突出优点。 该操作方法于2 0 世纪9 0 年代提出1 ，但目前的研究基本上集中在操作方法优 化的理论研究方面，而缺少对其自动控制和工业化装置的实验研究。目前开发了 的新型结构塔以及多罐间歇精馏塔都是从精馏塔的本身结构着手，虽然效果好， 但是改装塔身势必要加大成本和时间，而且对于蒸馏对象的灵活性会稍显逊色。 我们要优化传统的操作方式，以动态累积循环操作最有发展前途。 1 3 2 脉冲控制法 1 3 2 1 过渡馏分的脉动馏出方式 在多组分间歇精馏过程中，当前一组分合格产品馏出结束时，塔顶馏出物的 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 浓度需要经过一段馏出后逐渐过渡到下一组分合格产品的馏出，一般此段馏出的 过渡馏分主要为前后两组分的混合物，当塔顶及填料层内有一定持液量时，由塔 内持液造成的浓度变化迟钝现象被p i g f o t d 定义为“飞轮效应”，它的作用往往 使前一组分塔顶浓度范围，过渡馏分量较大，不仅影响产品馏出效率，而且增加 操作能耗。过渡馏分脉动式馏出方式是当前一组分馏出结束后，在塔顶设置一定 容量胁的存料点，当它被无回流充满后，开始进行全回流操作，使塔顶存料点 中轻组分迅速浓缩，视其浓缩情况，适时将其放出作为过渡馏分。对于不同的分 离体系、分离要求和设备情况等可视情况安排存料点存料的批数，从而使过渡馏 分随时间脉动放出n ”。 过渡馏分的脉动馏出，将过渡馏分馏出段分成若干个小时间周期，而每一 周期内又由无回流组分转移和全回流增浓两部分组成。组分转移段由于塔内无液 相回流，可使塔内持浓迅速上移。然而分析表明、当前一组分馏出结束后，塔内 残留的轻组分大部分集于填料的持液中，因此，无回流组分转移可迅速将其置于 塔顶存料点，随后的全回流浓缩段，发挥了精馏塔全回流操作分离效率最高的特 点。充分利用了塔设备的分离能力，使存料点进一步增浓。塔内形成的“增浓一 转移”动态循环，克服了“飞轮效应”，必将缩短过渡馏分馏出时间。同时，由 于脉动出塔的过渡馏分其轻组分含量较高，因而必然使过渡馏分的量减少。另一 方面，由于此过程是由无回流和全回流两种回流方式构成，无需给定回流比和调 节回流比，从而简化了操作，为实现间歇精馏自动控制创造了有利条件。 1 3 2 2 全回流一全馏出脉冲控制法 结合最小过渡馏分量的概念，采用了全回流全馏出交替进行的脉冲控制法 处理过渡馏分。工业生产中一般采用较高的恒定回流比操作采出过渡馏分，称为 恒回流比法。该方法周期长、过渡馏分量多，对于沸点差较小的物系尤为严重， 而全回流全馏出交替进行的脉冲控制法可有效解决这些问题，优化操作过程。 为了实现过渡馏分段的分离目标( 即过渡馏分量尽量少，所需时间尽量短) ，在操 作过程中应使轻组分以最快的速度在塔内浓缩并从塔顶排出。由于全回流可获得 最高浓缩效率，全馏出操作具有最大的排出速度，所以将这两种操作方式结合起 来，即全回流一全馏出的脉冲控制法能够尽快蒸出轻组分。设t 时间段内为全回 流操作，当轻组分增浓到一定程度时将操作方式切换为全馏出，设操作时问为6 。 全回流浓缩是全塔趋近于平衡的过程，但在轻组分全馏出阶段，由于塔内无回流 液，轻组分的浓度随着过程的进行不断下降，当降到某一值时将操作方式改为全 回流，两种操作交替进行。由于二者的切换是瞬间完成的，故称为脉冲控制法。 可见t 与6 的确定是该法的关键旺2 1 。 天津大学硕十学位论文第一章文献综述 间歇精馏的过渡馏份一般是在比较高的恒定回流比下馏出，往往占用时间较 长过渡馏份量也较多，对于沸点差小的物系尤其严重：实际上，过渡馏份的馏 出机理与产品馏份的馏出是很不相同的，后者是为了收集平均纯度不低于产品指 定纯度要求的馏出液，只要适当的控制回流比，保持符合要求的馏出液纯度即可， 然而过渡馏份操作却是以去除塔内剩余的轻组分为目的。因此要求过渡馏份段的 时间要短，且过渡馏份量要少2 1 。图1 8 是过渡馏份阶段塔顶浓度的变化曲线， a 曲线是轻组分浓度变化曲线，b 曲线是重组分浓度变化曲线。假设在过渡馏份 段塔顶只含相邻的两个组元( 对于多组元可处理成两组元) ，在a 时刻塔内轻组分 的浓度降低到使塔顶再也无法维持指定的馏出浓度，但此时塔顶及塔内上半部分 塔板的持液中轻组分的浓度却远远大于釜内轻组分的浓度，我们需要做的是尽可 能把这些轻组分蒸出去以便下一组分的浓度沿b 曲线在塔顶较快地上升。到达b 时刻，塔顶的重组分浓度达到产品要求，过渡馏份段结束，这样从a 时到到b 时到就完成了过渡馏份的馏出。由于全回流能获得最高的浓缩效率，可把轻组分 在塔顶快速浓缩，而全馏出具有最大的排出速度，可在短时间内将轻组分馏出， 所以在a b 段采用全回流全馏出循环重复的方法取出过渡馏份。这就是脉冲 控制法。过程的液气比变化规律可用图1 - 9 表示。 t 图1 4 塔顶浓度变化示意图 f i g i 8v a r i a t i o no f c o n c e n t r a t i o na tc o l u m nt o p 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 氢 善 1 0 0 0 图1 - 9 脉冲控制的液气化变化图 f i g 1 9v a r i a t i o no f l i q u i d - g a sc o n t r o l l e db yo n - o f f t - 显然，全回流时间f 和全馏出时间6 之间的比例将决定塔内汽液传质的状况。 塔顶回流具有3 种状态： 状态1 ：全回流( l b - o ，= 矿) 只浓缩不排出，浓缩速度最快； 状态2 ：部分回流( d o ，l v ) 浓缩和排出同时进行，这是传统的流出方 式 状态3 ：全流出( d = n 三= o ) 只排出，不浓缩，排出速度最大。 普通恒回流比法塔顶回流为状态2 ，而脉冲控制法的塔顶回流是状态l 与 状态3 交叉进行。我们把每一次全馏出时间段f 的轻组分排出速度p 和重组分排 出速度g 之比定义为组分排出速度比，而塔顶总排出速度为d ，则： r = e g ( 1 1 5 ) d = e + g( 1 1 6 ) 图l 1 0 描述了全馏出阶段组分排出速度比随时间变化的示意图，从图中可 看出对于每一个诹全回流) 之后的f ( 全馏出) ，组分排出速度比总是随时问逐渐减 小，在b 点由于塔项和塔上段积累的轻组分大部分已被排出，塔顶轻组分浓度大 大下降，所以组分排出速度比也开始快速下降。全馏出时间长度应该是组分排出 速度比持续最高的那一段时间，因此当其到达最速下降点b 时，应转为全回流。 如何合理的选定d ：f 需要进行充分的理论研究。为了验证脉冲控制操作法，本 文的实验选取j ：f 2 0 ：1 。 1 4 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 3 循环操作的控制 a 0 t 图1 1 0 组分捧出速度比示意图 f i g 1 1 0s c h e m eo f f l o wr a t eo f c o m p o n e n t 1 3 3 1 动态累积循环操作的分类 动态累积循环操作按照循环次数和设置的塔顶储罐的个数不同可分为以下 几种： 一、单累积罐一次循环操作 动态累积操作本质上是一种全回流型操作方法，这种操作方法最早是由 b l o c k 、b a r b 和h o l l a n d 等于1 9 6 7 年提出的，之后n o w i c k i 和g o r a k ( 1 9 8 9 ) ， 余国琮，杨志才，自鹏( 1 9 8 9 ) 等相继进行了研究，他们的研究结果表明在某些 情况下，采用动态累积法能够缩短操作时间。n o w i c k i 和g o r a k 提出了稳态模型， 用来确定循环操作全回流过程的结束，但以上作者仅考虑了一次循环的情况。 二、单累积罐多次循环操作 s o r e n s e n 研究结果表明只有一个循环的操作所用时间最长，因为所有的产 品都必须在一次循环中在塔顶累积罐中浓缩，在他们的优化结果中循环次数为3 次。如图所示的优化结果表明： 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 d r u m h o l d u p d i s m l a l cd f l o w r e f l u x f a n 0 吵 * 一 ；i 1 |r 几 l门 | | i i； 一 1 c 、r t i e ； 2 c v d e ； 3 四c l e 劬i 图l l l 循环三次的问歇精馏操作 f i g 1 一i ic y c l i c o p e r a t i o n w i t h t h r e e c y c l e s i n a r e g u l a r c o l u m n 表l l 二元混合物不同循环次数的操作比较 t a b l e l 1t o t a lo p e r a t i n gt i m ef o rab i n a r ys e p a r a t i o nw i t hp r e s p e c i f i e dn u m b e ro f c y c l e s 对于每次循环塔顶储罐的持液量是不同的，在某些情况下采用循环操作比优 化回流比操作节省的操作时间非常明显，节省的时间与具体的分离问题以及所采 1 6 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 用的优化策略有关。他们的优化结果还说明当循环次数趋近于无限大时，循环操 作与优化回流比操作相当，如表1 一l 所示，所以实际操作过程中循环次数不能 太多，从适用的角度来看，最大循环次数应该在5 1 0 次之间。 g o n z a l e z v a l a s c o ( 1 9 8 7 ) 等的研究表明循环操作比传统的恒回流比操作组 分间的分割更清晰。他们的研究结果是建立在采用2 2 次循环操作来分离具有不 同相对挥发度的三组分混合物。s o r e n s e n 和s k o g e s t a d ( 1 9 9 4 ) 等都相继进行了 大量的研究工作并将优化循环操作与传统的操作方法进行了对比，结果表明循环 操作对于含有少量轻组份的难分离情况具有明显的优势，可显著缩短操作周期。 该方法尤其适用于提取原料液中含量较少的易挥发组分( 少量轻组分的回收在医 药工业和化工溶剂的回收中很常见) 。s o r e n s e n 和p r e n z l e r ( 1 9 9 7 ) 对循环操作 进行了实验研究，分别对回流罐的持液量和全回流时间进行了优化。在他们的实 验中全回流操作与传统方法相比可节省3 0 的操作时间。 三、双累积罐交替循环操作 白鹏1 2 3 1 等于1 9 9 4 年提出了双累积罐交替循环的“动态累积过程”，并将双 累积罐动态累积法与传统恒回流比法作了实验对比，实验条件和实验结果列于表 1 2 中。如图卜1 2 所示，塔顶设有两个可存液的累积罐，首先对罐1 充液，然 后全回流操作使轻组分在罐1 中不断浓缩，达到指定产品浓度后，使罐1 与系统 隔离，与此同时塔顶冷凝液不断流入罐2 ( 塔内无回流) ，当罐2 内积液增加到 指定存液量时，又继续进行罐2 的全回流浓缩操作。他们将双累积罐动态累积法 与传统恒回流比法作了实验对比，塔顶浓度变化曲线如图1 - 1 3 所示( 实验物系 为乙醇一异丙醇，k 值为循环的次数) ，对于相同的分离任务，动态累积循环操 作的总操作时间比传统恒回流比操作缩短了约2 5 。 图卜1 2 双累积罐间歇精馏塔 f i g 1 一1 2s c h e m eo fd a c o 5 t ，h 图1 - 1 3 两种操作法比较曲线 f i g 1 1 2c o m p a r a t i n gc u r v eo f t w oo p r a t i o np o l i c i e s 1 7 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 表1 2实验条件和实验结果 t a b f e l - 2t h ec o n d i t i o na n dr e s u l to f t h ee x p e r i m e n t 智秉乙醇一异丙群异丙酮l 正丙群 v _ 8 仉主1 5 6 m l= 8 口一l i 钿l 相两条件 霉7 7 2 0 m l z l l l l - 0 3 6 6 35 1 2 0 m l ，# - _ 乱0 7 1 d p = 4 0 v1 2 4 0 m l m na p 它3 0 p 置2 1 6 m l ，_ 咖 动态曩飘恒画托比动斋暴积隹回藏比 讲”一0 _ l “乒4 7 r o b 讲”一2 1 g m l 巩1 3 5 m l 不一条件 卯一3 5 5 m i 口一g 5 m l a d a班”叠1 1 0 m bd - 5 啊l r n t n “”= 2 1 7 m l坍”= i i g m l 以”t 1 1 4 m b ， 1 2 5 5 m l1 2 7 m l4 3 0 m 1 4 2 4 啊l 耋 0 6 1 60 6 1 5 10 6 8 1 8仉6 晰 结 r1 8 3 孙乞1 7 铀o 8 7 乩i 5 7 睢 果 n 5 4 4 1 a 0 ，6 9 5 h 2 5 0 2 7 注：实验中持藏量为恒体积持藏( 单位；m l ) 、各种藏量均为恒体积藏量( 单位t m l m l , ) 从已有的研究结果来看，循环操作同传统的操作方式相比有几个优势：( 1 ) 对 控制需要少，对扰动不敏感，操作安全。( 2 ) 充分利用了