【摘 要】
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特殊精馏作为共沸混合物分离的一种重要手段,被广泛应用于石油化工、冶金轻工、食品医药等领域。然而精馏过程热力学效率较低,在现代工业发展中,高能耗、低热力学效率的常规精馏已经不能满足绿色生产需求。因此,开发一种经济、可持续的精馏过程强化技术成为当前亟需解决的难题。隔壁塔（DWC）通过将两塔集成在一个塔内进行操作,相比于传统的两塔精馏减少了冷凝器和再沸器的使用,避免了中间组分间的返混现象,降低了精馏过程
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特殊精馏作为共沸混合物分离的一种重要手段,被广泛应用于石油化工、冶金轻工、食品医药等领域。然而精馏过程热力学效率较低,在现代工业发展中,高能耗、低热力学效率的常规精馏已经不能满足绿色生产需求。因此,开发一种经济、可持续的精馏过程强化技术成为当前亟需解决的难题。隔壁塔（DWC）通过将两塔集成在一个塔内进行操作,相比于传统的两塔精馏减少了冷凝器和再沸器的使用,避免了中间组分间的返混现象,降低了精馏过程能量消耗及资本投入,有效地减少了精馏分离过程CO2的排放,因此近年来受到了各界的广泛关注。目前,DWC的设计和模拟主要是基于Petlyuk塔模型,模型忽略了隔壁两侧传热对分离过程的影响,使得理论模型与实际过程存在偏差,给DWC设计和操控带来不确定性。为此,本研究提出了采用虚拟中间换热器的方法,用于设计带传热的DWC模型,并以丙炔醇（PA）-水为例来验证提出的方法。本文以二元共沸混合物PA-水体系为研究对象,设计了常规两塔萃取精馏（ED）工艺,来对PA进行分离回收。在此基础上,对ED工艺进行强化设计,提出了分壁式萃取精馏（EDWC）工艺,并对ED及EDWC工艺进行能量集成设计。过程优化中,针对多变量操作过程,传统的序贯迭代优化过程繁琐,因此本研究采用遗传算法对全局进行寻优。该算法通过遗传、交叉、变异等过程方式,来保证种群的多样性,过程采用优胜劣汰机制,具有参数随机搜索、剔除重复解及无效解等几大显著优势,在过程寻优中具有良好的适用性。整个过程通过ActiveX控件实现Matlab和Aspen Plus的联用,来对操作参数进行优化,结果以Excel形式输出。通过对ED、EDWC、热集成萃取精馏工艺（HI-ED）、热集成分壁式萃取精馏工艺（HI-EDWC）过程中的塔板数、进料位置、溶剂流量、塔顶采出流量、回流比等多个变量进行优化,最终获得较小的能耗、资本投资及CO2排放。对比四种优化工艺可以发现,EDWC工艺较ED工艺的设备投资费用降低15.44%,操作费用减少0.910×10~5$/y,总年度成本TAC和CO2排放分别降低15.18%和12.48%;HI-ED和HI-EDWC两种热集成工艺具有更小的能量消耗、TAC及CO2排放。在EDWC遗传算法优化过程中,分析了隔壁位置及侧线采出物料流率对过程能耗的影响,以此获得最优操作参数及TAC,并作为EDWC跨壁传热模型设计的初始数据。在此基础上,保持相同的操作条件及气液分配比,采用Aspen Plus模拟软件,搭建EDWC跨壁传热模型,来分析隔壁两侧传热对分离过程能耗的影响。传热优化设计后,通过对考虑跨壁传热的EDWC模型和绝热EDWC模型的塔板温度剖析,发现EDWC隔壁左侧（主塔侧）右侧（侧线采出段）均有高温,两侧均有热量传递,而二者传热温差较小,两侧温度变化也较小。由于塔板温度的变化,造成侧线流股PA的组成降低,为了达到分离效果,再沸器负荷上升。研究结果表明:跨壁传热对EDWC过程能耗存在影响;相较于绝热过程,跨壁传热会引起隔壁两侧塔板上的物流交互作用发生改变,引起过程能耗发生变化。
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