探索多隔板塔中可实现的最大产品纯度

《AIChE Journal?AIChE》：Exploring maximum achievable product purities in a multiple dividing wall column

基于乌尔姆大学首台试点规模多壁分凝柱（mDWC）的实验与模拟研究，提出通过液相分割比优化（R_L,LS1=0.50，R_L,LS2=0.73）和Vmin图分析确定最佳操作点，实现四组分混合物的高效分离，各产品纯度达95%以上，验证了mDWC在复杂分离中的可行性。

　　在化工领域，蒸馏仍然是一个至关重要的分离技术，尽管其较高的能耗一直是其面临的主要挑战。随着全球气候变化和能源价格的上升，开发节能型的强化工艺变得尤为重要。其中，分馏壁柱（Dividing Wall Column, DWC）作为一种强化蒸馏技术，已经被证明在理论上和实验上能够实现高纯度的分离。然而，DWC通常仅适用于三元混合物的分离，为了进一步扩展其应用范围，科学家们提出了多分馏壁柱（Multiple Dividing Wall Column, mDWC）的概念。理论上，mDWC能够处理任意数量的组分混合物，但随着产品数量的增加，其设计和操作的复杂性也随之大幅上升。因此，当前的研究主要集中在四组分的mDWC上，这不仅是因为其在实际应用中的可行性，也因为四组分体系在工程设计中已经具备较高的节能潜力。

Ulm大学的研究团队率先设计并建造了世界上首个中试规模的mDWC，并成功投入运行。这一装置为研究该类分馏壁柱的运行特性提供了宝贵的实验平台。与传统的蒸馏装置不同，该mDWC的设计并未针对某一特定的分离任务，而是为了保持高度的灵活性，能够处理多种不同的进料混合物。因此，在设计时，许多操作参数如操作压力、理论塔板数以及蒸汽分流比例已经被固定，无法再进行调整。这使得在设计新的分离流程时，需要采用不同于传统方法的策略，仅能通过调整能量输入、产品流量以及液相分流比例来优化操作条件。

为了找到适合该装置的运行点，研究团队采用了一种系统化的步骤。首先，他们对所用填料的分离效率进行了测量，然后结合模拟计算，评估不同液相分流比例对能量需求的影响，并通过实验验证所选操作点的可行性。最终，他们确定了一组能够实现产品纯度超过95%的运行参数，同时实验结果与模拟预测之间显示出高度的一致性。

在实验过程中，研究人员发现，实际测得的填料分离效率与设计预期存在明显差异。这可能是由于填料在实际操作中受到液相分布不均的影响，特别是在某些区域，如Y形连接处，液相流体会沿着塔壁流动，而不是均匀地分布在整个截面内。此外，填料在实际应用中的表现也与标准二元系统不同，因此必须重新评估其分离性能。通过在不同的液相分布条件下进行实验，研究人员发现，在高F因子（F因子表示气体流速与密度的乘积）区域，液相分布不均对分离效率的影响更为显著，导致HETP（高度等效于理论塔板）值显著上升。这些数据被用于估算各塔段的理论塔板数，并进一步用于调整模拟模型的参数，以提高预测精度。

基于这些分离效率数据，研究人员进一步分析了不同理论塔板数对能量需求的影响。通过绘制Vmin图（最小蒸汽需求图），他们发现，由于实际塔板数低于设计值，总蒸汽需求大幅增加。Vmin图展示了不同分离任务所需的最小蒸汽量，并通过图中出现的峰值和节点来体现关键分离点的蒸汽需求。研究团队发现，在某些情况下，实际的蒸汽需求远高于设计预期，这表明当前的mDWC运行在接近最大负荷的条件下，但尚未达到可能引发液体泛滥或压力升高的极限。

为了寻找最佳的操作点，研究团队在Aspen Plus中进行了液相分流的筛选模拟，其中液相分流比例被设定在一个特定的范围内，而其他操作参数如再沸器负荷和蒸汽分流比例则保持不变。模拟结果显示，在某些液相分流比例组合下，可以实现较高产品纯度，而某些区域则纯度较低。进一步地，他们通过将不同纯度要求下的液相分流比例叠加，确定了一个可行的区域，该区域内的所有分流比例组合均能满足产品的纯度要求。最后，他们选择了一个特定的液相分流比例组合，并通过实验验证了该操作点的可行性。

在实验中，研究人员使用了多种传感器和控制手段，以确保操作的稳定性和准确性。这些包括温度、压力和流量传感器，以及一个过程控制系统（Process Control System, PCS），该系统能够与现有的安全控制设备连接，确保在紧急情况下能够及时停机。此外，实验中还考虑了再沸器的热损失，因此再沸器的负荷被设定为5.30 kW，这比模拟中设定的有效热输入更高，但仍然保持在可接受的操作范围内。实验结果表明，所选操作点能够实现产品纯度超过95%，并达到了良好的分离效果。

研究团队还对所选操作点的能量效率进行了评估。通过优化模拟模型，他们计算出在满足相同产品纯度要求的情况下，所需的最小能量输入。结果显示，实验中实际使用的热输入仅比理论最小值高出约10%，表明该操作点在能量利用方面具有较高的效率。同时，他们发现，在某些情况下，存在多个液相分流比例组合能够实现相同的产品纯度，这表明mDWC具有一定的操作灵活性，可以适应不同的工艺需求。

最终，研究团队得出结论，通过系统化的步骤，可以在现有的mDWC装置中找到一个能够实现高产品纯度的运行点。实验结果与模拟预测之间表现出良好的一致性，表明所采用的模型能够准确反映实际运行情况。此外，该研究还为未来的mDWC设计和操作提供了重要的参考，特别是在面对复杂的分离任务时，如何在有限的操作自由度下优化分离效果。未来的研究方向可能包括对mDWC的控制策略进行进一步的探索，以提高其运行的稳定性和自动化水平。