化工节能技术 | 热偶精馏原理及应用（附Aspen模拟源文件）

注：本文主要观点和数据来自冯霄老师的《化工节能原理与技术》和包宗宏老师的《化工计算与软件应用》一书，由于作者水平有限，如果要深入学习，推荐参考这两本书。本文涉及到的模拟均为原创，模拟过程相对比较复杂，有兴趣学习的同学可以在本文文末获取Aspen源程序文件。

前言

化学工业深入我们日常生活的方方面面，影响着我们的生活质量，是国家的重要支柱产业。化学工业的一个重要特点就是高能耗，但对能量的利用效率比较低，在我国能量的利用效率大约是33%，比发达国家约低10%。目前，人们越来越重视节能，国外已经开发并应用了各种节能技术，作为化工专业的我们有必要了解这些节能技术。

目前比较常见的化工节能技术包括热泵精馏、多效蒸发、多效精馏、侧线出料、热偶精馏（隔壁塔）、夹点技术等。科普化工将陆续推出化工节能技术专题系列，与大家一起交流学习。今天推出第三期：热偶精馏原理及应用。

热偶精馏原理及应用

1. 热偶精馏工作原理 热偶精馏就是一种通过气、液互逆流动接触来直接进行物料输送和能量传递的流程结构。
在设计多塔时，为了避免在某些塔中使用冷凝器或者再沸器，可以从某个塔内引出一股液相物流作为另一塔的塔顶液相回流，也可以引出一股气相物流作为另一塔的塔釜的气相回流，从而实现热量的耦合，达到节能的目的，这就是热偶精馏的工作原理。热偶精馏一般用于分离三组分体系的分离。

2. 热偶精馏分类

热偶精馏基本上可以分为不完全热偶精馏和完全热偶精馏。

不完全热偶精馏分为侧线蒸馏流程和侧线提馏流程，它比常规的双塔流程减少一个冷凝器或者再沸器，汽液流量相对好控。

完全热偶精馏也叫Petlyuk热偶精馏，在工业上常将Petlyuk结构放在一个塔内，所以又叫隔壁塔（DWC），较常规的双塔精馏流程减少了冷凝器和再沸器，大大提高了热力学的分离效率。

2.1 不完全热偶精馏

图1是不完全热偶精馏的侧线蒸馏流程，在侧线蒸馏塔流程中，可减少一个再沸器。

图1 侧线蒸馏流程

图1(a)在第一个塔塔底得到最轻的组分A，塔底采出重组分塔底釜液B和C的的液体混合物，进入第二个塔，完成B和C的精馏过程，第一个塔的气相回流为第二个塔引出的气相B和C的混合物，从而实现三个不同组分的分离。另一种侧线蒸馏构造如图1(b)所示，在主塔的塔顶的塔底分别得到最轻的组分A和最重的组分C，在加料板下方引出B和C重组分的气相混合物，在侧塔进行分离，得到中间组分B，侧塔的液相回流物流侧塔冷凝器冷凝回流。

侧线提馏流程也是不完全热偶精馏流程，在侧线提馏塔流程中，可减少一个冷凝器，其精馏流程如图3(a)、(b)所示。

图2 侧线提馏流程

图3(a)在第一个塔塔底得到最重的组分C，塔顶采出轻组分塔底釜液A和B的的气体混合物，进入第二个塔，完成A和B的精馏过程，第一个塔的页相回流为第二个塔引出的液相A和B的混合物，从而实现三个不同组分的分离。 另一种侧线提馏构造如图3(b)所示，在主塔的塔顶的塔底分别得到最轻的组分A和最重的组分C，在加料板上方引出A和B轻组分的气相混合物，在侧塔进行分离，得到中间组分B，侧塔的气相回流物流侧塔再沸器加热蒸汽回流。

2.2 完全热偶精馏（DWC）

完全热偶精馏（DWC）是最常见的热偶精馏结构，其用主塔和副塔组成的复杂塔代替常规精馏塔序列，是具有可逆混合特性的理想热力学系统。图3（a）是热偶精馏流程，副塔的作用是将混合物进行初步分离，轻关键组分（A和B的混合气体）全部由塔顶分出，而重关键组分（Ｂ和Ｃ的混合液体）完全由塔釜采出，中间组分在塔顶、塔底之间分配。主塔的作用则是对副塔塔顶和塔底的物料进一步分离，在塔顶的到最轻的组分Ａ，在塔底部得到最重的组分Ｃ，中间组分在主塔中部采得，实现了混合产物的分离。在热力学上与完全热偶精馏塔完全相同的是分隔壁精馏塔,如图3（b）所示，分隔壁精馏塔在精馏塔中间部分部设一垂直壁, 将精馏塔分成上段、下段及由隔板分开的精馏进料段及中间采出段四部分, 这一结构

图3 完全热偶精馏流程

可认为是完全热偶流程的的主塔和预分塔置于同一塔内，分别位于分隔壁的两侧。

3.热偶精馏的应用

热偶精馏常用于分离三组分的系统，已成功应用在工业上。本次模拟是分离乙醇-正丙醇-正丁醇体系，部分数据参考包老师的《化工计算与软件应用》P153内容，大部分属于原创。

3.1传统双塔精馏模拟

假设有股物流，流量为5000kg/h,质量分数为乙醇0.2，正丙醇0.6，正丁醇0.2，分离要求为各组分的回收率不低于0.99，物性方程选择wilson方程，泡点进料，压力为常压。

在进行精馏模拟前，我们只知道分离要求，其他操作参数我们并不知道，因此我们可以通过DSTWU简捷模块获得其初步的操作参数。由于篇幅有限，且比较简单，故本文不再详细介绍，只给出模拟结果，结果见表3-1。

表3-1 简捷模拟结果

由简捷模拟得出的初步参数可以作为严格模拟的输入参数，但在大多数的模拟中简洁模拟得出的参数并不精确，在严格模拟时很可能达不到分离要求，因此我们需要利用其模块中的设计规定功能对参数进行调整，回收率设定为0.99，过程省略，结果见3-2。

表3-2 严格模拟结果

分离得到的三种产品质量分数分别为乙醇0.9706，正丙醇0.9932，正丁醇0.9709。

3.2 热偶精馏（DWC）模拟

按Columns/Multifrac/Petlyuk顺序找到Petlyuk模块（分壁塔模块），建立如图4的模拟流程。

图4 模拟流程图

打开如下页面，并点击new，创建副塔2，如图5。

图5 创建副塔2

完成上述操作后可以依次完成塔的操作参数。首先是塔1，塔1仍然可以看作普通的严格精馏模块，因此其参数输入和严格精馏模块的输入参数一样，输入界面如图6

图6 塔1参数输入

对于理论板数我们可以根据前面的传统双塔精馏模拟的数据进行估算，这里我们可以估算的大一点，不妨我们就取前面两塔的理论板数之和，即42块，其实这个数字已经大于其最优的理论板了，后期可以进行优化和分析选取合适的理论板数，这里不再讨论。根据上面的模拟结果我们先就选回流比为8，塔顶釆出乙醇，釆出量为1000kg/h。此外我们还需要对塔板温度进行估算，由于塔顶产品为乙醇，塔底产品为正丁醇，而且其纯度变化不会很大，故我们可以将传统双塔精馏模拟的塔板温数据填进去，只需填第一块和最后一块塔板温度，如图7。

图7 塔板温度估算

塔2的相关参数如图8所示。

图8 塔2的操作参数

接下来是进出物流的参数如图9

图9 进出物流的参数设置

完成上述参数后，还需完成最重要的一步，即联结线的参数设置。主塔和副塔的联结需要4条物流线，所以我们要创建四条物流线，2条液相线，2条气相线。首先是第一条联结线，如图10。

图10 主塔到副塔的液相线参数设置

第一条联结线即从主塔到副塔的液相线，根据传统双塔流程的参数，取第8块塔板为联结线所在的塔板位置，其流率取公共段的液相下降流率的1/3，通过计算可得约为2700kg/h。

第二条联结线即从主塔到副塔的气相线，其设置如图11。根据上面的结果，主塔到副塔的气相线所在的塔板位置为第28块，其流率取公共段的气相上升流率的1/3，计算可得其流量为4500kg/h。

图11 主塔到副塔的气相线参数设置

第三，四条联结线即从副塔到主塔的气液相线，其参数设置如图12和图13

图12 从副塔到主塔的气相线参数设置

图13 从副塔到主塔的液相线参数设置

完成上述参数设置后，便可以直接运行，运行后结果如图14。由图14可以看到其基本达到传统双塔精馏分离效果。

图14 运行结果

4. 节能效果比较

根据对模拟计算结果，我们很容易看到热偶精馏具有很好节能效果。

表4-3

Aspen 8.4 模拟源文件获取方式：

扫下方二维码，添加小编微信，注明“热偶精馏源文件”，小编会将源文件发送给你！

本文作者：花开花落，科普化工团队队员，特此致谢

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