注：本文主要觀點和數(shù)據(jù)來自馮霄老師的《化工節(jié)能原理與技術》和包宗宏老師的《化工計算與軟件應用》一書，由于作者水平有限,，如果要深入學習,，推薦參考這兩本書。本文涉及到的模擬均為原創(chuàng),，模擬過程相對比較復雜,，有興趣學習的同學可以在本文文末獲取Aspen源程序文件,。

熱偶精餾原理及應用

 1. 熱偶精餾工作原理 

熱偶精餾就是一種通過氣、液互逆流動接觸來直接進行物料輸送和能量傳遞的流程結構,。

在設計多塔時,，為了避免在某些塔中使用冷凝器或者再沸器，可以從某個塔內引出一股液相物流作為另一塔的塔頂液相回流,，也可以引出一股氣相物流作為另一塔的塔釜的氣相回流,，從而實現(xiàn)熱量的耦合，達到節(jié)能的目的,，這就是熱偶精餾的工作原理,。熱偶精餾一般用于分離三組分體系的分離。

 2. 熱偶精餾分類 

熱偶精餾基本上可以分為不完全熱偶精餾和完全熱偶精餾,。

不完全熱偶精餾分為側線蒸餾流程和側線提餾流程,，它比常規(guī)的雙塔流程減少一個冷凝器或者再沸器，汽液流量相對好控,。

完全熱偶精餾也叫Petlyuk熱偶精餾,，在工業(yè)上常將Petlyuk結構放在一個塔內，所以又叫隔壁塔（DWC）,，較常規(guī)的雙塔精餾流程減少了冷凝器和再沸器,，大大提高了熱力學的分離效率。

2.1 不完全熱偶精餾

圖1是不完全熱偶精餾的側線蒸餾流程，在側線蒸餾塔流程中,，可減少一個再沸器,。

圖1 側線蒸餾流程

圖1(a)在第一個塔塔底得到最輕的組分A，塔底采出重組分塔底釜液B和C的的液體混合物,，進入第二個塔,，完成B和C的精餾過程，第一個塔的氣相回流為第二個塔引出的氣相B和C的混合物,，從而實現(xiàn)三個不同組分的分離,。另一種側線蒸餾構造如圖1(b)所示，在主塔的塔頂?shù)乃追謩e得到最輕的組分A和最重的組分C,，在加料板下方引出B和C重組分的氣相混合物,，在側塔進行分離，得到中間組分B,，側塔的液相回流物流側塔冷凝器冷凝回流,。

側線提餾流程也是不完全熱偶精餾流程，在側線提餾塔流程中,，可減少一個冷凝器,，其精餾流程如圖3(a)、(b)所示,。

圖2 側線提餾流程

圖3(a)在第一個塔塔底得到最重的組分C,，塔頂采出輕組分塔底釜液A和B的的氣體混合物，進入第二個塔,，完成A和B的精餾過程,，第一個塔的頁相回流為第二個塔引出的液相A和B的混合物，從而實現(xiàn)三個不同組分的分離,。  另一種側線提餾構造如圖3(b)所示,，在主塔的塔頂?shù)乃追謩e得到最輕的組分A和最重的組分C，在加料板上方引出A和B輕組分的氣相混合物,，在側塔進行分離,，得到中間組分B，側塔的氣相回流物流側塔再沸器加熱蒸汽回流,。

2.2 完全熱偶精餾（DWC）                             

完全熱偶精餾（DWC）是最常見的熱偶精餾結構,，其用主塔和副塔組成的復雜塔代替常規(guī)精餾塔序列，是具有可逆混合特性的理想熱力學系統(tǒng),。圖3（a）是熱偶精餾流程,，副塔的作用是將混合物進行初步分離，輕關鍵組分（A和B的混合氣體）全部由塔頂分出,，而重關鍵組分（Ｂ和Ｃ的混合液體）完全由塔釜采出,，中間組分在塔頂,、塔底之間分配。主塔的作用則是對副塔塔頂和塔底的物料進一步分離,，在塔頂?shù)牡阶钶p的組分Ａ,，在塔底部得到最重的組分Ｃ，中間組分在主塔中部采得,，實現(xiàn)了混合產(chǎn)物的分離,。在熱力學上與完全熱偶精餾塔完全相同的是分隔壁精餾塔,如圖3（b）所示，分隔壁精餾塔在精餾塔中間部分部設一垂直壁, 將精餾塔分成上段,、下段及由隔板分開的精餾進料段及中間采出段四部分, 這一結構

圖3 完全熱偶精餾流程

可認為是完全熱偶流程的的主塔和預分塔置于同一塔內,，分別位于分隔壁的兩側。

 3.熱偶精餾的應用 

熱偶精餾常用于分離三組分的系統(tǒng),，已成功應用在工業(yè)上,。本次模擬是分離乙醇-正丙醇-正丁醇體系，部分數(shù)據(jù)參考包老師的《化工計算與軟件應用》P153內容,，大部分屬于原創(chuàng),。

3.1傳統(tǒng)雙塔精餾模擬

假設有股物流，流量為5000kg/h,質量分數(shù)為乙醇0.2,，正丙醇0.6,，正丁醇0.2，分離要求為各組分的回收率不低于0.99,，物性方程選擇wilson方程,，泡點進料，壓力為常壓,。

在進行精餾模擬前，我們只知道分離要求,，其他操作參數(shù)我們并不知道,，因此我們可以通過DSTWU簡捷模塊獲得其初步的操作參數(shù)。由于篇幅有限,，且比較簡單,，故本文不再詳細介紹，只給出模擬結果,，結果見表3-1,。

表3-1 簡捷模擬結果

由簡捷模擬得出的初步參數(shù)可以作為嚴格模擬的輸入?yún)?shù)，但在大多數(shù)的模擬中簡潔模擬得出的參數(shù)并不精確,，在嚴格模擬時很可能達不到分離要求,，因此我們需要利用其模塊中的設計規(guī)定功能對參數(shù)進行調整，回收率設定為0.99,，過程省略,，結果見3-2,。

表3-2 嚴格模擬結果

分離得到的三種產(chǎn)品質量分數(shù)分別為乙醇0.9706，正丙醇0.9932,，正丁醇0.9709,。

3.2 熱偶精餾（DWC）模擬

按Columns/Multifrac/Petlyuk順序找到Petlyuk模塊（分壁塔模塊），建立如圖4的模擬流程,。

圖4 模擬流程圖

打開如下頁面,，并點擊new，創(chuàng)建副塔2,，如圖5,。

圖5 創(chuàng)建副塔2

完成上述操作后可以依次完成塔的操作參數(shù)。首先是塔1,，塔1仍然可以看作普通的嚴格精餾模塊,，因此其參數(shù)輸入和嚴格精餾模塊的輸入?yún)?shù)一樣，輸入界面如圖6

圖6 塔1參數(shù)輸入

對于理論板數(shù)我們可以根據(jù)前面的傳統(tǒng)雙塔精餾模擬的數(shù)據(jù)進行估算,，這里我們可以估算的大一點,，不妨我們就取前面兩塔的理論板數(shù)之和，即42塊,，其實這個數(shù)字已經(jīng)大于其最優(yōu)的理論板了,，后期可以進行優(yōu)化和分析選取合適的理論板數(shù)，這里不再討論,。根據(jù)上面的模擬結果我們先就選回流比為8,，塔頂釆出乙醇，釆出量為1000kg/h,。此外我們還需要對塔板溫度進行估算,，由于塔頂產(chǎn)品為乙醇，塔底產(chǎn)品為正丁醇,，而且其純度變化不會很大,，故我們可以將傳統(tǒng)雙塔精餾模擬的塔板溫數(shù)據(jù)填進去，只需填第一塊和最后一塊塔板溫度,，如圖7,。

圖7 塔板溫度估算

塔2的相關參數(shù)如圖8所示。

圖8 塔2的操作參數(shù)

接下來是進出物流的參數(shù)如圖9

圖9 進出物流的參數(shù)設置

完成上述參數(shù)后,，還需完成最重要的一步,，即聯(lián)結線的參數(shù)設置。主塔和副塔的聯(lián)結需要4條物流線,，所以我們要創(chuàng)建四條物流線,，2條液相線，2條氣相線,。首先是第一條聯(lián)結線,，如圖10,。

圖10 主塔到副塔的液相線參數(shù)設置

第一條聯(lián)結線即從主塔到副塔的液相線，根據(jù)傳統(tǒng)雙塔流程的參數(shù),，取第8塊塔板為聯(lián)結線所在的塔板位置,，其流率取公共段的液相下降流率的1/3，通過計算可得約為2700kg/h,。

第二條聯(lián)結線即從主塔到副塔的氣相線,，其設置如圖11。根據(jù)上面的結果,，主塔到副塔的氣相線所在的塔板位置為第28塊,，其流率取公共段的氣相上升流率的1/3，計算可得其流量為4500kg/h,。

圖11 主塔到副塔的氣相線參數(shù)設置

第三,，四條聯(lián)結線即從副塔到主塔的氣液相線，其參數(shù)設置如圖12和圖13

圖12 從副塔到主塔的氣相線參數(shù)設置

圖13 從副塔到主塔的液相線參數(shù)設置

完成上述參數(shù)設置后,，便可以直接運行,，運行后結果如圖14。由圖14可以看到其基本達到傳統(tǒng)雙塔精餾分離效果,。

圖14 運行結果

 4. 節(jié)能效果比較 

根據(jù)對模擬計算結果,，我們很容易看到熱偶精餾具有很好節(jié)能效果。

表4-3

Aspen 8.4 模擬源文件獲取方式：