Kaibel分壁精馏塔分离芳烃过程的稳态、动态和试验研究

The divided wall column could separate ternary, quaternary or even pentanary mixtures in one distillation column. It is a very energy-intensive process and saves a signi?cant percentage, up to 30%, of plant utility costs and investment. A number of control structures and algorithms have been reported for ternary mixtures separation, but quaternary mixtures separation is still pending. The divided wall column for seperating quaternary mixtures or four compounds mixture in one column is called Kaibel column. This proposal focuses on some frontier issues related to the Kaibel column such as modeling method, separation principle, the key to energy saving and control method. The steady-state and dynamic rigorous simulations will be employed with the identification of the pilot experimental works. Alcohols and aromatics with different relative volatility will be studied, and steady state and dynamic features of the Kaibel column will be researched. Briefly, the main object of the proposal is trying to find the general separating method, general control structure and the key to saving energy. In theory, the interaction or coupling effects of different variables will be studied in order to obtain the separation features of the column. In practice, design method and an advanced self-optimizating control structure for Kaibel column will be developed, which could give a considerable improvement of the control behaviors in respect to deviations of the controlled variables and the time to reach steady state.The results could provide some theoretical and application supports for the development of divided wall column.

分壁精馏塔可以将三组分、四组分甚至五组分混合物在一个精馏塔中实现高纯度分离并节约30%左右的能耗和设备投资。采用分壁精馏塔分离三组分混合物的方法已基本解决，但分离四组分混合物（Kaibel分壁精馏塔）的研究尚属该领域前沿问题。本申请以分离四组分多元混合物的Kaibel分壁精馏塔为研究对象，研究Kaibel分壁精馏过程的建模方法、分离规律、节能关键和控制方法等科学问题。以经典的芳烃和醇两个混合物物系为研究对象，采用稳态、动态严格精馏模型和实验验证等手段，寻找具有针对性和普遍适用性的分离规律和节能关键。旨在理论上获得Kaibel分壁精馏过程的多变量全热耦合及协同作用分离规律，实践上获得先进塔器的建模、设计和控制方法，使其达到大幅节能、响应时间快、应对原料组成波动效果好、自发达到最优能耗状态的标准，为分壁精馏分离多元混合物提供理论和应用依据。

分壁精馏塔可以将三组分、四组分甚至五组分混合物在一个精馏塔中实现高纯度分离并节约30%左右的能耗和设备投资。本申请以分离四组分多元混合物的Kaibel分壁精馏塔为研究对象，研究了Kaibel分壁精馏过程的建模方法、分离规律、节能关键和控制方法等科学问题。以经典的芳烃和醇两个混合物物系为研究对象，采用稳态、动态严格精馏模型和实验验证等手段，获得了具有针对性和普遍适用性的分离规律和节能关键。主要内容和结果如下：.(1) 稳态研究. 以芳烃（BTXH，苯-甲苯-二甲苯-重组分）和醇（MEPB，甲醇-乙醇-丙醇-正丁醇）两个四组分体系为研究对象，采用Aspen Plus中的Radfrac模块及自建稳态KDWC严格精馏模型，通过使用热力学等效模型、耦合流股及撕裂流股的收敛方法，对四组分混合物的KDWC分离过程进行了模拟和优化。优化结果表明：KDWC较常规三塔分离序列平均节能30%左右，年总投资（TAC）下降33.7%。.(2) 动态研究. 基于稳态研究结果，在Aspen Dynamic中建立了KDWC动态控制模型，考察了KDWC分离BTXH的温度，温差和组分控制以及压力补偿-温度控制的控制效果和分离MEPB组分控制的控制效果。控制结果表明：对于BTXH体系，通过增加分气比的方法，改善了控制效果，温度和温差控制回路可应对±10%的流量和进料组成波动，组分控制回路可实现对±15%的流量和进料组成波动的平稳控制，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，具有更好的控制效果，实现了对进料流量或组分发生±20%扰动后的平稳控制；对于MEPB体系，所有增大M/E分离难度的波动，都会使上侧线乙醇产品浓度低于设定值；降低M/E分离难度的波动，都会使乙醇产品浓度高于设定值。.(3) 实验验证. 以MEPB混合物为研究对象，在稳态和动态精馏模拟和优化的基础上，搭建了KDWC小试实验装置，稳态实验结果表明：实验值和严格稳态模拟结果具有良好的一致性，产品的分离纯度可达到90mol.%的设计要求。进料组成变化实验结果表明，KDWC可在分液比恒定的情况下实现进料组成±20%变化的平稳控制，产品纯度处于88.6~92.6mol.%之间。