间歇精馏技术及其模拟优化进展

2012年第15期广东化工第39卷总第239期 · 5 · 间歇精馏技术及其模拟优化研究进展周年忠1，田文广2，顾宇昕1，李雁2*，陶红秀2，解新安2(1．中国电器科学研究院，广东广州 510000；2．华南农业大学，广东广州 510642)[摘要]间歇精馏技术是一种重要的化工分离手段。

文章综述了国内外间歇精馏技术及其常用的数学模型，其中主要阐述了严格模型和简捷模型，简要讨论了降价模型、半严格模型，同时探讨了间歇精馏优化的发展及其应用，并展望了间歇精馏系统的发展趋势。

[关键词]间歇精馏；操作方式；数学模型；优化[中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2012)15-0005-02 Development in Batch Distillation Technology and it’s Simulation and OptimizationZhou Nianzhong1, Tian Wenguang2, Gu Yuxin1, LI Yan2*, Tao Hongxiu2, Xie Xinan2(1. China National Electric Apparatus Research Institute, Guangzhou 510000；2. South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract: Batch distillation is an important unit operation. The research progress on operation model of batch distillation at home and abroad was particularly introduced. Several kinds of mathematical models that are usually used, such as rigorous model and short-cut model, price reduction model, semi-rigorous model were reviewed. And development of batch distillation optimization and its application were discussed; the computer simulation and multi-objective optimization will become a trend.Keyword: batch distillation；operation model；mathematical model；optimization在石油和化工行业生产中，间歇精馏也是较重要的化工分离手段之一[1]。

间歇精馏也叫分批反应精馏，一般用于小规模生产。

与连续精馏相比，间歇精馏是一个动态的过程，其单个塔就可以完成多个组分的分离，能够适应进料组分浓度在较大范围的变化，设计和操作过程非常灵活[2]。

但同时也存在两大问题，一是由于处理原料量较小，使得生产的周期较长；二是操作过程中各参数变化较大，使操作过程的控制比较困难，很难实现自动化管理[3]。

目前，间歇精馏的研究主要集中在两个方面，一方面是关于间歇精馏的数学模型及其计算方法的研究。

由于间歇精馏是一个动态的过程，数学模型中含有复杂的微分方程组，求解比较困难，因此，模拟难度大[4]。

另一方面是关于操作过程的优化研究。

从不同的目标出发，采用不同的方法，得到优化方案和新的操作模式和新的塔结构，虽然缩短了操作时间，但操作起来比较困难，在实际生产中很难得到广泛应用。

因此，对间歇精馏的综合优化问题的研究势在必行[5]。

1 间歇精馏技术的发展1.1 间歇精馏全回流操作1967年，Barb和Block等[6]最早提出了塔顶累积全回流操作。

随着研究的不断发展，Sφrensen等[7]研究了塔顶累积全回流操作的优化问题，与传统的恒回流比和恒塔顶浓度操作方式对比可知，这种操作在分离含有少量轻组分的原料时，可节省大量的操作时间。

白鹏等[8]提出了动态累积全回流操作，目标是使全回流浓缩和无回流内部迁移操作交替进行，并在2000年对间歇精馏的动态累积操作方式进行了改进，提出了无返混动态累积操作，有效降低了塔顶累积罐中组分的返混，极大地缩短了操作时间，提高了间歇精馏的分离效率。

白鹏等[9]在2006年提出了采用塔顶和塔中温度进行控制操作状态转换的全回流间歇精馏控制方法，并以异丙醇-正丙醇为实验物系验证了该方法的可行性，进一步提高了塔的分离效率。

2011年，黄丽丽等[10]人研究发现了通过塔顶、塔中上以及塔中3个温度控制进行操作状态转换的无累积罐循环全回流间歇精馏控制方法，并以理想物系—乙醇-正丙醇混合物为分离物系进行了实验验证。

结果表明，在相同条件下，三温控制方式与双温控制方式相比，前者所用操作时间短、分离效率提高。

1.2 反向间歇精馏塔操作反向间歇精馏又称为提馏式间歇精馏。

1950年，Robinson和Gilliland发现此种操作的最大优点是能在塔顶冷凝器中获得高浓度组分，并简要讨论了利用正常精馏塔去除轻组分，然后利用反向间歇精馏塔去除重组分的可能性。

1991年，Chiotti等[11]在准稳态的基础上建立了数学模型，利用此模型对一般间歇精馏操作和反向间歇精馏操作分离两组分混合物的过程进行了模拟计算；2008年，王超[12]使用塔身分散式加热，对热敏物系的间歇提馏过程进行了操作方式的改进，该方法通过在塔身进行加热，减少了再沸器的加热功率和时间，能有效缩短受热时间，减少热敏物质的损耗。

1.3 中间罐间歇精馏塔操作中间罐间歇精馏塔也叫复合式间歇精馏塔，被认为是常规间歇精馏塔和反向间歇精馏塔的复合体。

1950年，Robinson等[13]提出了中间罐间歇精馏塔操作。

2006年，Thomas A等[14]在前人研究的基础上，将中间罐间歇精馏应用于一个可逆的化学反应过程，即中间罐发生反应的半连续间歇精馏，进一步提高了精馏的分离效率。

2009年，Leipold等[15]对中间储罐间歇精馏多目标的优化建立了模型，并利用进化算法求解，结果显示，中间储罐方法的经济效益更好。

1.4 多罐间歇精馏塔操作多罐间歇精馏塔又叫多效间歇精馏塔，Hasebe和Skogestad 于1995年提出了这种新型的精馏塔。

2005年，Low等[16]对多储罐操作以经济效益最大化为目标进行优化，采用自适应搜索技术，对关键设计和操作参数进行优化。

结果发现，待分离混合物中组分越多，多储罐精馏塔较常规间歇塔就越高效。

2008年，Mahmud 等[17]在特定产量和产品纯度基础上对多储罐间歇精馏进行了优化，对于特定的分离任务，多储罐间歇精馏塔更加节能、环保。

2 间歇精馏的模拟、优化研究2.1 间歇精馏的数学模型间歇精馏过程的数学模拟开始于20世纪60年代，主要包括严格模型、降阶模型、简捷模型、半严格模型。

2.1.1 严格模型1963年，Meadows等[18]提出了第一个严格的多组元间歇精馏模型，它基于两个假设，一是各塔板上液体全混和，二是塔身绝热，恒体积持液量，忽略塔板汽相持汽量。

1981年，Boston等在Meadows模型的基础上，引入了中间加料、中间换热以及汽液相侧线采出，将先前用于求解稳态精馏问题的“由内而外”技术应用到求解间歇精馏问题中来，并证明了该技术是一种有效的的方法，使模型得到进一步完善。

1999年，Furlonge等人[19]提出了更为严格的数学模型，此模型与实际塔非常接近，但计算时所消耗的时间较多。

2007年，美国科学研究者对严格模型做进一步研究，它可以灵活的建立单元模拟流程，也可以自动生成矢量。

2.1.2 降价模型1983年，Cho和Joseph[20]提出了降价模型，间歇精馏分离的模拟过程中，难度较大的就是利用数学模型对多元函数进行模拟分离，而他们两个将原料组成及流量函数近似成塔的高度的连续函数，并采用多项式的形式来表示，而理论板数是离散的整数。

这样，描述系统的微分方程数将大大减少。

在此模型中，配置点的位置及个数直接影响结果的精确度，由于配置点的个数比精馏塔的级数少得多，再加上理论板数不再是离散的整数，又通过多组分系统的分离的间歇精馏装置应用，因此，此模型可较好的应用于填料塔。

2.1.3 简捷模型1991年，Diwekar等[21]在恒塔顶组成和回流比不变的操作条[收稿日期] 2012-09-18[作者简介] 周年忠(1965-)，男，高级工程师，华南农业大学兼职研究生导师，主要从事精细化工产品开发与新工艺研究。

*为通讯作者。

广东化工 2012年第15期· 6 · 第39卷总第239期件下，提出了基于FUG(Fenske-Underwood-Gilliland)方法的多元间歇精馏快捷模型。

这种模型把间歇精馏操作看成是任意时刻连续不断的进料，目前这种精馏方式已经被证实能广泛应用于二元体系和多元体系，并且与严格模型相比，能更好的用于精馏柱的设计及分析。

1994年，Diwekar等[22]在前面研究的基础上加入了分块理论，提出了修正的快捷模型，这一改进减少了塔板持液量的“飞轮效应”和“容量效应”。

2.1.4 半严格模型而所谓的半严格模型，理论上是严格模型的一种延伸。

主要是针对塔板持液量相对于再沸器中溶液量很小、刚性微分方程的方法也不能求解的情况下，假设塔板及冷凝器为准稳态，即零持液量模型。

这个模型能较准确的近似持液量很小的精馏塔。

2004年，H K Young等[23]在严格模型的基础上，提出了一个使用物料衡算和P-R(罗宾逊)方程联立计算的半严格模型，它实际应用于多元组分系统，与常规系统相比，可以减少34.1%的能量需求。

2.2 间歇精馏的优化1996年，E.sorensen等[24]研究了不同的启动时间对优化操作的影响，结果表明找到确切的启动时间意义是有限的。

2008年，Tajalasfia M.M等[25]第一次提出了多目标优化的间歇精馏的设计和操作。

所涉及的问题转化为一个多目标的函数优化问题，优化策略包含不同程序的先后顺序，并允许帕累托最优解。

例子表明与其它非支配程序排序相比下，距离程序排序可以产生最佳的帕累托最优解。

3 小结(1)塔顶动态累积全回流操作能够避免产品的切换，合理利用塔的特性，提高分离效率；反向间歇精馏塔操作主要用于轻组分含量较少的物料分离，与传统精馏操作相比，可以节省操作时间；中间罐间歇精馏是复合式的间歇精馏，具有常规精馏和反向间歇精馏的特点；多罐间歇精馏只要设计合理，就可以有效用于多组分的分离，还可节约能量；其它间歇精馏操作都有其独特的特点，应用在其相应的体系上，具有应用广泛、操作弹性大等优点。