萃取精馏隔壁塔三种等价模型分离乙腈-水体系流程模拟与优化
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LI Cheng-shuai, SHI De-qing, LIU Bo-wen, SHI Hui-long
(Shengli College, China University of Petroleum, Dongying 257061, Shandong, China)
Abstract: Three equivalent models of the dividing wall columns were used to simulate the separation of acetonitrile-water with
Aspen Plus. Through the analysis of sensitivity, TA C and energy consumption, the applicability of different equivalent models in
separating azeotropic systems was studied. The results show that for the extractive distillation, the three equivalent models of the dividing wall columns can be used to simulate the separation of acetonitrile-water system. Each model reflects the energy-saving effect, compared with the traditional extractive distillation column, the two-tower model saves 12.62% , the three-tower model saves 22.28% , and the four-tower model saves 14.10% . In terms of total cost, the three-tower model is 11.73% less than the two-tower model, and 15.26% less than the four-tower model.
with feed stage of raw material
2.1.2萃取剂进料位置优化
萃取剂的加入直接影响到精馏塔的分离效果。
萃取剂的进料位置会影响塔内物质的浓度。以塔T1 的萃取剂进料位置为横坐标，以塔顶产品乙腈的纯
度和再沸器热负荷为纵坐标，得到结果如图5所示。
1.000
4860
0.998
994 992
第3期
李成帅等：萃取精馏隔壁塔三种等价模型分离乙腈-水体系流程模拟与优化
95
为适合稳态模拟。在此基础上，王晓红等冏提出三塔 模型模拟萃取精馏隔壁塔，用于研究正丙醇-水体 系，证明了三塔模型可以合理地模拟隔壁塔。对于 四塔模型,方静等［9］研究发现等价四塔模型可以用 于探索分离正己烷、正庚烷和正辛烷的混合物（为 非共沸体系）。四塔模型可以真实地反映隔壁塔，但
能14.10% ；总费用方面，三塔模型比两塔模型减少11.73%，比四塔减少15.26%。
关键词：萃取精馏；精馏隔壁塔;等价模型；乙腈-水体系；能耗
中图分类号：TQ028 文献标志码：A
文章编号：1001-9219(2021)03-94-06
Simulation and optimization of acetonitrile-water separation with three equivalent models of extractive distillation dividing wall column
Keywords: extractive distillation; distillation dividing wall column; equivalent model; acetonitrile-water; energy consumption
隔壁塔(Dividing-wall column, DWC)精馏工艺， 是在精馏塔中添加一个垂直隔壁将其分为预分馏 塔和主塔,工作原理与热耦合精馏塔相同，由于减 少了返混，节能效果明显叫此外，由于减少了一个 再沸器和冷凝器，降低了成本叫同时，由于隔壁塔 能克服热泵精馏、多效精馏、热耦合精馏等的不足， 因而研究其节能减排具有十分重要的意义％
收稿日期：2020-11-10；修改稿日期：2021-02-01。 基金项目：东营市科学发展基金(2020017)。 第一作者：李成帅(1987-)，硕士，讲师，研究方向为化工过程模拟及膜分离，电话:15624022896，E-mail: 710973829@o 通讯作者：史德青(1972-)，博士，教授，研究方向为化工过程模拟及膜分离，电话:13562258056，E-mail: 147925073@ 0
塔T1代替隔壁塔的左边部分，塔T2代替隔壁塔的右 边部分，塔T3代替隔壁塔下部公共部分,流程如图2 所示。含有乙腈和水的混合物从塔T1的中部进入, 萃取剂乙二醇从塔T1上部进入,在塔T1的塔顶分离 出乙腈（w乙腈M 99.0%）,塔T2的塔顶分离出水（w水M 99.0%）,塔T3的塔釜分离出萃取剂乙二醇。
1.00
5025
5000
0.98 4975
96
5O
49
49 2 5
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-'-8 75
0.90
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4825 0.88
4800 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
原料进料位置/块
图4乙腈纯度和再沸器热负荷随原料进料位置的变化
Fig. 4 Purity of acetonitrile and heat load of reboiler change
4900
0.99316
0.99314
蜃 0.99312 轼 腰 0.99310
0.99308
-« 50 -'■g 00 V7 50
0.99306
4700
0.99304
19 20 21 22 23 24 理论塔板数/块
4650
图6乙睛纯度和再沸器热负荷随塔板数的变化
Fig. 6 Purity of acetonitrile and heat load of reboiler change with stage number
with feed stage of extractant 随着进料位置的改变，热负荷和乙腈纯度都会
发生较大的变化。当进料位置为第3块塔板时，乙腈
纯度达到要求，热负荷较低。随着进料位置的增大, 热负荷越来越高，费用增加。考虑乙腈纯度和热负 荷，进料位置设为第3块塔板。 2.1.3塔T1理论塔板数优化
理论塔板数是精馏塔的关键参数，其值关系到 塔顶和塔底的组分含量。以塔T1的理论塔板数为横 坐标，以塔顶产品乙腈纯度和再沸器热负荷为纵坐 标,模拟结果见图6。随着塔板数的增加，热负荷变 小，乙腈纯度增加，当塔板数选择为21块时纯度乙 腈达到要求，且热负荷较低，综合考虑塔板数设为 21块。
0.99318
L—-------------- |ETH-OUT|―O
图2三塔模型流程 Fig. 2 Three-tower model flow
1.3四塔模型模拟 四塔模型采用四个RadFrac模块代替隔壁塔,
塔T1为简单非清晰分离塔，塔T2、T3、T4是简单清晰 分离塔，流程如图3所示。含有乙腈和水的混合物从 塔T1的中部进入,萃取剂乙二醇从塔T1上部进入, 在塔T1进行非清晰分割，在塔T2的塔顶分离出乙腈 （w乙腈M 99.0%）,塔T3的侧线分离出达标的水（w水M 99.0%）,塔T4的塔釜分离出萃取剂乙二醇。
1不同模型的分离流程模拟
乙腈-水体系根据文献报道可以选择的物性方 法有NRTL、Wilson、UNIQUAC［19］。根据笔者之前文章 中问的研究可以选择Wilson物性方法用于乙腈-水体 系的模拟，萃取剂选择乙二醇。设置原料各组分为 乙腈含量50%、水含量50%（物质的量分数），流量为 5000kg/ho分离后要求乙腈、水的质量分数均高于 99.0%。 1.1两塔模型模拟
精馏塔原料进料位置不同,会显著改变精馏塔
96
天然气化工一Cl化学与化工
2021年第46卷
塔板上的气液分布情况，进而影响精馏塔的分离效 果，此外原料进料位置还会影响精馏塔热负荷及进 料泵的输送能耗，故研究确定最优原料进料位置对 于精馏塔设计具有重要意义。以原料进料位置为横 坐标，乙腈产品纯度和再沸器热负荷为纵坐标，考 察原料进料位置对精馏塔分离效果的影响，结果如 图4所示。由图4可知，原料(FEED)进料位置为第15 块板时，乙腈纯度达到99.5% (质量分数，下同)，进 一步改变进料位置，乙腈的纯度下降，热负荷增大， 塔设备费用增加。在满足纯度要求下，进料位置为 第15块塔板。
第46卷第3期 2021年6月
・开发应用・
天然气化工一C1化学与化工 NATURAL GAS CHEMICAL INDUSTRY
Vol.46 No.3 Jun. 2021
萃取精馏隔壁塔三种等价模型 分离乙腈-水体系流程模拟与优化
李成帅，史德青，刘博文，石会龙
(中国石油大学胜利学院，山东 东营257061)
是因为物流较多，收敛困难,一般多用于动态模拟㈣。
乙腈是较重要的化工原料［11］，可以用作香料、医 药中间体、有机溶剂［121］等。乙腈-水可以形成共沸
物㈣，普通精馏分离困难，萃取精馏是常用的方式。
萃取剂有DMSO问、乙二醇［16］、低共熔溶剂问、离子液 体何等。本文以典型的乙腈和水共沸体系为例，研究 静态模拟时隔壁塔不同模型分离共沸体系在能耗、 经济成本等方面的区别，探索模型的合理性，以期 为后续隔壁塔节能研究和推广应用提供一定的理 论支持。
图1两塔模型流程 Fig. 1 Two-tower model flow
1.2三塔模型模拟 三塔模型采用三个RadFrac模块代替隔壁塔,
图3四塔模型流程 Fig. 3 Four-tower model flow
2不同模型流程的参数优化
2.1两塔模型流程 以塔T1为例，以满足纯度和最小热负荷为目
标，进行灵敏度分析。 2.1.1原料进料位置优化
两塔模型采用两个RadFrac模块代替隔壁，塔 T1代替隔壁塔的主塔部分，塔T2代替副塔部分，流 程如图1所示。乙腈和水的混合物（FEED）从塔T1的 下部进入,萃取剂乙二醇（ETH）从上部进入,塔顶分 离出乙腈（w乙腈M 99.0%），T1侧线采出物流（MIX）进入 塔T2,塔釜分离出高纯度乙二醇；塔T2的塔顶分离 出水（w水M 99.0%）,塔釜的釜液流回塔T1。
摘要：采用精馏隔壁塔的三种等价模型，借助Aspen Plus对乙腈-水分离进行了模拟。通过灵敏度分析、TAC分析和能耗
分析，研究了不同等价模型在分离共沸体系方面的适用性。结果表明：针对萃取精馏，隔壁塔三种等价模型均可用于模拟分离
乙腈-水体系；各模型均体现出节能效果，相较于传统的萃取精馏塔，两塔模型节能1262%，三塔模型节能22.28%，四塔模型节
4855 4850 4845 M
4840 氟
O9 90Leabharlann 4835 接0.988
4830
0.986 0.984
3
4
5
萃取剂进料位置/块
4825 4820
图5乙腈纯度和再沸器热负荷随萃取剂进料位置的变化 Fig. 5 Purity of acetonitrile and heat load of reboiler change
使用Aspen plus模拟隔壁塔时，通常可用RadFrac 模块相互连接来表示，有等价两塔模型、三塔模型、
四塔模型叫目前关于隔壁塔在萃取精馏分离共沸 体系中的应用研究较多，主要集中在等价两塔和等 价三塔模型。如李军等［5］研究了萃取精馏隔壁塔等 价两塔模型分离苯、甲苯、二甲苯流程的设计与控 制。翟健等问发现隔壁塔等价两塔模型与差压热集 成分离苯和环己烷的节能效果明显；叶青等［7］研究 了隔壁塔两塔模型萃取精馏分离醋酸和水的可行 性。大量的研究集中于隔壁塔双塔模型，但是对于 双塔模型而言存在气相分配比不能调节的问题，较
2.1.4塔T1回流比优化 回流比也是塔的关键参数，影响产品的纯度和
(Shengli College, China University of Petroleum, Dongying 257061, Shandong, China)
Abstract: Three equivalent models of the dividing wall columns were used to simulate the separation of acetonitrile-water with
Aspen Plus. Through the analysis of sensitivity, TA C and energy consumption, the applicability of different equivalent models in
separating azeotropic systems was studied. The results show that for the extractive distillation, the three equivalent models of the dividing wall columns can be used to simulate the separation of acetonitrile-water system. Each model reflects the energy-saving effect, compared with the traditional extractive distillation column, the two-tower model saves 12.62% , the three-tower model saves 22.28% , and the four-tower model saves 14.10% . In terms of total cost, the three-tower model is 11.73% less than the two-tower model, and 15.26% less than the four-tower model.
with feed stage of raw material
2.1.2萃取剂进料位置优化
萃取剂的加入直接影响到精馏塔的分离效果。
萃取剂的进料位置会影响塔内物质的浓度。以塔T1 的萃取剂进料位置为横坐标，以塔顶产品乙腈的纯
度和再沸器热负荷为纵坐标，得到结果如图5所示。
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第3期
李成帅等：萃取精馏隔壁塔三种等价模型分离乙腈-水体系流程模拟与优化
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为适合稳态模拟。在此基础上，王晓红等冏提出三塔 模型模拟萃取精馏隔壁塔，用于研究正丙醇-水体 系，证明了三塔模型可以合理地模拟隔壁塔。对于 四塔模型,方静等［9］研究发现等价四塔模型可以用 于探索分离正己烷、正庚烷和正辛烷的混合物（为 非共沸体系）。四塔模型可以真实地反映隔壁塔，但
能14.10% ；总费用方面，三塔模型比两塔模型减少11.73%，比四塔减少15.26%。
关键词：萃取精馏；精馏隔壁塔;等价模型；乙腈-水体系；能耗
中图分类号：TQ028 文献标志码：A
文章编号：1001-9219(2021)03-94-06
Simulation and optimization of acetonitrile-water separation with three equivalent models of extractive distillation dividing wall column
Keywords: extractive distillation; distillation dividing wall column; equivalent model; acetonitrile-water; energy consumption
隔壁塔(Dividing-wall column, DWC)精馏工艺， 是在精馏塔中添加一个垂直隔壁将其分为预分馏 塔和主塔,工作原理与热耦合精馏塔相同，由于减 少了返混，节能效果明显叫此外，由于减少了一个 再沸器和冷凝器，降低了成本叫同时，由于隔壁塔 能克服热泵精馏、多效精馏、热耦合精馏等的不足， 因而研究其节能减排具有十分重要的意义％
收稿日期：2020-11-10；修改稿日期：2021-02-01。 基金项目：东营市科学发展基金(2020017)。 第一作者：李成帅(1987-)，硕士，讲师，研究方向为化工过程模拟及膜分离，电话:15624022896，E-mail: 710973829@o 通讯作者：史德青(1972-)，博士，教授，研究方向为化工过程模拟及膜分离，电话:13562258056，E-mail: 147925073@ 0
塔T1代替隔壁塔的左边部分，塔T2代替隔壁塔的右 边部分，塔T3代替隔壁塔下部公共部分,流程如图2 所示。含有乙腈和水的混合物从塔T1的中部进入, 萃取剂乙二醇从塔T1上部进入,在塔T1的塔顶分离 出乙腈（w乙腈M 99.0%）,塔T2的塔顶分离出水（w水M 99.0%）,塔T3的塔釜分离出萃取剂乙二醇。
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4825 0.88
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原料进料位置/块
图4乙腈纯度和再沸器热负荷随原料进料位置的变化
Fig. 4 Purity of acetonitrile and heat load of reboiler change
4900
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19 20 21 22 23 24 理论塔板数/块
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图6乙睛纯度和再沸器热负荷随塔板数的变化
Fig. 6 Purity of acetonitrile and heat load of reboiler change with stage number
with feed stage of extractant 随着进料位置的改变，热负荷和乙腈纯度都会
发生较大的变化。当进料位置为第3块塔板时，乙腈
纯度达到要求，热负荷较低。随着进料位置的增大, 热负荷越来越高，费用增加。考虑乙腈纯度和热负 荷，进料位置设为第3块塔板。 2.1.3塔T1理论塔板数优化
理论塔板数是精馏塔的关键参数，其值关系到 塔顶和塔底的组分含量。以塔T1的理论塔板数为横 坐标，以塔顶产品乙腈纯度和再沸器热负荷为纵坐 标,模拟结果见图6。随着塔板数的增加，热负荷变 小，乙腈纯度增加，当塔板数选择为21块时纯度乙 腈达到要求，且热负荷较低，综合考虑塔板数设为 21块。
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L—-------------- |ETH-OUT|―O
图2三塔模型流程 Fig. 2 Three-tower model flow
1.3四塔模型模拟 四塔模型采用四个RadFrac模块代替隔壁塔,
塔T1为简单非清晰分离塔，塔T2、T3、T4是简单清晰 分离塔，流程如图3所示。含有乙腈和水的混合物从 塔T1的中部进入,萃取剂乙二醇从塔T1上部进入, 在塔T1进行非清晰分割，在塔T2的塔顶分离出乙腈 （w乙腈M 99.0%）,塔T3的侧线分离出达标的水（w水M 99.0%）,塔T4的塔釜分离出萃取剂乙二醇。
1不同模型的分离流程模拟
乙腈-水体系根据文献报道可以选择的物性方 法有NRTL、Wilson、UNIQUAC［19］。根据笔者之前文章 中问的研究可以选择Wilson物性方法用于乙腈-水体 系的模拟，萃取剂选择乙二醇。设置原料各组分为 乙腈含量50%、水含量50%（物质的量分数），流量为 5000kg/ho分离后要求乙腈、水的质量分数均高于 99.0%。 1.1两塔模型模拟
精馏塔原料进料位置不同,会显著改变精馏塔
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天然气化工一Cl化学与化工
2021年第46卷
塔板上的气液分布情况，进而影响精馏塔的分离效 果，此外原料进料位置还会影响精馏塔热负荷及进 料泵的输送能耗，故研究确定最优原料进料位置对 于精馏塔设计具有重要意义。以原料进料位置为横 坐标，乙腈产品纯度和再沸器热负荷为纵坐标，考 察原料进料位置对精馏塔分离效果的影响，结果如 图4所示。由图4可知，原料(FEED)进料位置为第15 块板时，乙腈纯度达到99.5% (质量分数，下同)，进 一步改变进料位置，乙腈的纯度下降，热负荷增大， 塔设备费用增加。在满足纯度要求下，进料位置为 第15块塔板。
第46卷第3期 2021年6月
・开发应用・
天然气化工一C1化学与化工 NATURAL GAS CHEMICAL INDUSTRY
Vol.46 No.3 Jun. 2021
萃取精馏隔壁塔三种等价模型 分离乙腈-水体系流程模拟与优化
李成帅，史德青，刘博文，石会龙
(中国石油大学胜利学院，山东 东营257061)
是因为物流较多，收敛困难,一般多用于动态模拟㈣。
乙腈是较重要的化工原料［11］，可以用作香料、医 药中间体、有机溶剂［121］等。乙腈-水可以形成共沸
物㈣，普通精馏分离困难，萃取精馏是常用的方式。
萃取剂有DMSO问、乙二醇［16］、低共熔溶剂问、离子液 体何等。本文以典型的乙腈和水共沸体系为例，研究 静态模拟时隔壁塔不同模型分离共沸体系在能耗、 经济成本等方面的区别，探索模型的合理性，以期 为后续隔壁塔节能研究和推广应用提供一定的理 论支持。
图1两塔模型流程 Fig. 1 Two-tower model flow
1.2三塔模型模拟 三塔模型采用三个RadFrac模块代替隔壁塔,
图3四塔模型流程 Fig. 3 Four-tower model flow
2不同模型流程的参数优化
2.1两塔模型流程 以塔T1为例，以满足纯度和最小热负荷为目
标，进行灵敏度分析。 2.1.1原料进料位置优化
两塔模型采用两个RadFrac模块代替隔壁，塔 T1代替隔壁塔的主塔部分，塔T2代替副塔部分，流 程如图1所示。乙腈和水的混合物（FEED）从塔T1的 下部进入,萃取剂乙二醇（ETH）从上部进入,塔顶分 离出乙腈（w乙腈M 99.0%），T1侧线采出物流（MIX）进入 塔T2,塔釜分离出高纯度乙二醇；塔T2的塔顶分离 出水（w水M 99.0%）,塔釜的釜液流回塔T1。
摘要：采用精馏隔壁塔的三种等价模型，借助Aspen Plus对乙腈-水分离进行了模拟。通过灵敏度分析、TAC分析和能耗
分析，研究了不同等价模型在分离共沸体系方面的适用性。结果表明：针对萃取精馏，隔壁塔三种等价模型均可用于模拟分离
乙腈-水体系；各模型均体现出节能效果，相较于传统的萃取精馏塔，两塔模型节能1262%，三塔模型节能22.28%，四塔模型节
4855 4850 4845 M
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O9 90Leabharlann 4835 接0.988
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0.986 0.984
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萃取剂进料位置/块
4825 4820
图5乙腈纯度和再沸器热负荷随萃取剂进料位置的变化 Fig. 5 Purity of acetonitrile and heat load of reboiler change
使用Aspen plus模拟隔壁塔时，通常可用RadFrac 模块相互连接来表示，有等价两塔模型、三塔模型、
四塔模型叫目前关于隔壁塔在萃取精馏分离共沸 体系中的应用研究较多，主要集中在等价两塔和等 价三塔模型。如李军等［5］研究了萃取精馏隔壁塔等 价两塔模型分离苯、甲苯、二甲苯流程的设计与控 制。翟健等问发现隔壁塔等价两塔模型与差压热集 成分离苯和环己烷的节能效果明显；叶青等［7］研究 了隔壁塔两塔模型萃取精馏分离醋酸和水的可行 性。大量的研究集中于隔壁塔双塔模型，但是对于 双塔模型而言存在气相分配比不能调节的问题，较
2.1.4塔T1回流比优化 回流比也是塔的关键参数，影响产品的纯度和