分隔壁共沸精馏塔分离叔丁醇水混合物的模拟研究
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收 稿 日 期 ：收 稿 日 期 ：2009-04-01； 作 者 简 介 ： 叶 青 （1968-）， 女，副教授，电话 13815066967，电邮 yeqing@。
越精馏边界线。虚线部分为环己烷和水的液-液部分 互溶区，其间的连线是液、液相平衡线，点划线为剩 余曲线。 由图 1 可知，叔丁醇和水位于精馏边界线 AB 的两端， 而一个精馏塔的产物是无法越过此精 馏边界线，故无法得到这两个物质，但由于加入环 己烷后能形成三元非均相共沸物，经过冷凝冷却后 分为两相，这两相跨越了这条边界线，故可通过增 加一个分层器和精馏塔得到叔丁醇和水。
Fig.7
图 7 分隔壁共沸精馏塔主塔液相组成分布 Liquid composition Profiles in main column in DWC-A distillation column
Fig.9
图 9 分隔壁共沸精馏塔副塔液相组成分布 Liquid composition profiles in auxiliary column in DWC-A distillation column
从分层器分层的富水相，还有部分从主塔直接进入
副塔的物料，这股物料中由于有部分环己烷，经分
离后，塔顶出料应为两元恒沸物及少量三元恒沸物
的混合物，塔釜得到纯水。
3.4 常规共沸精馏流程与分隔壁共沸工艺的比较
用 ASPEN 模拟了常规共沸精馏流程和新工艺
流程,这两种流程所采用的共沸剂均为环己烷，结果
见表 1。
第5期
叶 青：分隔壁共沸精馏塔分离叔丁醇水混合物的模拟研究
17
分隔壁共沸精馏塔分离叔丁醇水混合物的模拟研究
叶青
（江苏工业学院化工系，江苏 常州 213164）
摘 要 ： 提 出 了 一 种 单 塔 共 沸 精 馏 分 离 叔 丁 醇 水 混 合 物 的 新 工 艺 ， 新 工 艺 采 用 分 隔 壁 共 沸 精 馏 塔 （DWC-A） 替 代 常 规 共 沸 精
图 1 叔丁醇-水-环己烷剩余曲线 Fig.1 Residual curve map for tert-butanol-water-cyclohexane
2 采用分隔壁精馏塔进行共沸精馏 的新工艺
以环己烷为共沸剂分离叔丁醇-水的常规共沸 精馏流程如图 2 所示。 叔丁醇和水的混合物从共沸 精馏塔的中部进料， 共沸剂环己烷从分层器进料。
参考文献
[1] Ennenbach F, Kolbe B, Ranke U. Divided Wall Columns: A novel distillation concept[J].Process Technol Quart,2000, 5 (3): 97-103.
[2] Abdul M I, Smith R.Operation and control of dividing wall columns[J]. Chem Eng Res Des, 1998,76(3): 308-334.
18
天然气化工
2009 年第 34 卷
在共沸精馏塔的塔釜得到纯的叔丁醇，塔顶得到三 元共沸物，该三元共沸物为非均相共沸物，经过冷 凝冷却后进入分层器分为两个液相，富含环己烷的 液相回流回塔中， 富水相进入回收塔中进行分离， 回收塔底得到纯水，塔顶同样得到共沸物进入分层 器。
图 2 常规萃取精馏流程 Fig.2 Conventional azeotropic distillation process
表 1 常规共沸精馏流程与 DWC-A 塔模拟结果 Table 1 Simulation results of DWC-A and conventional
azeotropic distillation process
常规塔
分隔壁共沸精馏塔
理论板数 回流量 /kmol/h 塔顶 x(叔丁醇) /%
x(水) /% x(环己烷) /% 塔釜 x(叔丁醇) /% x(水) /% x(环己烷) /% 冷凝器的热值 /106kJ/h 再沸器的热值 /106kJ/h
20
天然气化工
2009 年第 34 卷
图 8 为常规共沸精馏流程中回收塔组成分布
图，由图 8 可知，经分层器分层后的富水相进入常
规共沸精馏流程的回收塔中，此时环己烷的浓度很
低，经分离后，塔顶主要为叔丁醇及水的二元共沸
物，塔釜为纯水。 图 9 为分隔壁共沸精馏塔副塔的
组成分布图，进入副塔的物料主要的两股，一股为
共沸精馏是一种特殊精馏方法。 它是向不易分 离的混合物中加入共沸剂，共沸剂与原混合物中的 一个组分或几个组分形成共沸物，使难分离组分间 的相对挥发度增大，从而达到所需的分离要求。 叔 丁醇水形成最低均相共沸物，工业上可采用加入共 沸剂环已烷来进行分离[7,8]。 本文将分隔壁精馏塔用 于共沸精馏分离叔丁醇水混合物 ， 经过模拟计算， 获得了支持新工艺技术可行性和节能降耗性能的 定量结果。
3.54
由表 1 可以看出，采用分隔壁共沸精馏新工艺
后，将常规共沸精馏流程的二塔变为一个塔，由于
在分离过程中减少了常规流程中共沸精馏塔塔顶
物料的返混，及由于在分隔壁共沸精馏塔副塔中环
己烷的浓度提高， 导致副塔塔顶的物料温度降低，
故在达到相同的分离要求时，分隔壁共沸精馏塔更
节能，再沸器所需能耗下降了 14.5%。若考虑冷凝器
由图 4、5 可以看出，常规共沸精馏流程中回收 塔与分隔壁共沸精馏副塔的温度分布的趋势基本
第5期
叶 青：分隔壁共沸精馏塔分离叔丁醇水混合物的模拟研究
19
相同， 由于塔釜都得到产物水， 故其塔釜温度为 100℃。 在常规共沸流程的回收塔中，进料为经过分 层器分层后的富水相， 根据其相平衡数据可知，塔 顶出料中除了少量能形成三元共沸物外，大部分均 为叔丁醇与水的两元共沸物，故塔顶温度为 79.6℃， 而在分隔壁的副塔进料中即有从分层器下来的富 水相，还有一部分为从主塔过来的物料，故整个进 料中环己烷的量较多，导致了在塔顶三元共沸物的 量较多，塔顶温度较低为 78.5℃。 在分隔壁共沸精 馏塔中,部分环己烷没有经过分层器，直接进入副塔 中，导致副塔的操作温度比常规精馏塔的回收塔的 操作温度低，从而其能耗较低。
共沸精馏塔 汽提塔
25
10
400
3.0
40.57 60.16
11.00 39.61
48.43 0.23
99.96 0.90
0.04 99.10
－
－
17.88 5.17
20.12 6.48
主塔
副塔
25
10
400
40,55
11.27
48.17
99.96
0.94
0.04 99.06
－
－
18.06
19.21
在常规共沸精馏流程共沸精馏塔中, 自塔釜向 上, 随着叔丁醇的浓度逐渐减少, 水的浓度逐渐增 大；在第三、第四块板处, 水的浓度达到最大, 然后 水的浓度又重新降低，产生返混现象。 返混效应是 精馏过程热力学效率低下的重要原因。 但在分隔壁 共沸精馏塔中，在主塔上部第三、四块板处水的液 相浓度达到最大时, 有部分混合物直接进入副塔中 去分水，故对分隔壁共沸精馏塔可减少组分返混的 问题，同时此时进入副塔的环己烷浓度较高，有利 于副塔塔顶叔丁醇及水从塔顶带出，故达到相同的 分离要求，分隔壁共沸精馏塔应比常规共沸精馏流 程更节能。
在精馏塔的中部，增加一块隔板，隔板的下方 延伸到塔釜，在此塔中，分隔壁将塔分为两部分，此 塔需两个再沸器，但只需一个冷凝器。 在分隔壁共 沸精馏塔中, 分隔壁两侧的塔釜分别得到产物水和 叔丁醇，塔顶得到共沸物进入分层器。 在分隔壁共 沸精馏塔的上部可以减少部分物料的返混产生，同
图 5 分隔壁共沸精馏副塔温度分布 Fig.5 Temperature profile in auxiliary column in DWC-A
本文从进一步节能降耗的角度出发，提出了采 用新的共沸精馏新工艺。 新工艺以分隔壁精馏塔替 代原来的共沸精馏塔及回收塔，在一个分隔壁共沸 精馏塔内完成了两组分的分离。 流程如图 3 所示。
时在塔内可实现能量集成。
3 新工艺性能的模拟研究
3.1 模拟条件 为了对新工艺的节能降耗性能有定量的认识，
采用 Aspenplus 软件对常规共沸精馏流程及分隔壁 共沸精馏塔的共沸精馏工艺进行了模拟，初步确定 了工艺参数。 案例所需分离的物系为叔丁醇和水， 进 料 中 叔 丁 醇 摩 尔 分 数 为 90% ， 原 料 进 料 量 为 100mol/h，原料为泡点进料，共沸剂为环己烷。 3.2 常规共沸精馏流程与分隔壁共沸精馏塔内温 度的比较
所消耗的能量，则分隔壁萃取精馏流程比常规流程 节能 17.8%。同时，由于将常规流程的二塔变为了一 个塔，设备投资也将下降。
4 结论
提出了以环己烷为共沸剂分离叔丁醇水混合 物的分隔壁S 对该流程进行了模拟。
对于分隔壁共沸精馏的新工艺流程，提出了其 操作的工艺参数：主塔理论板数为 25 块，副塔理论 板数为 10 块板，回流量为 400kmol/h。 在此操作条 件下，比较了常规共沸精馏流程与分隔壁精馏塔内 温度、液相组成及汽液相流量的变化。 并得出分隔 壁共沸精馏工艺相比常规的萃取精馏流程节能 17.8%，并且能降低设备投资。
塔比常规的两塔萃取精馏流程节能 17.8%。
关键词：分隔壁塔；共沸精馏；叔丁醇水混合物；环己烷；流程模拟
中图分类号：TQ 018
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-9219(2009)05-17-04
分隔壁精馏塔（DWC）是在 塔 内 部 设 一 垂 直 隔 板，将精馏塔分成下部公共提馏段、及隔板两边的 精馏进料段和中间采出段三部分。 对于某些给定的 物料，分隔壁精馏塔与常规精馏塔相比，节能最高 可达到 60%以上，可省设备投资 30%[1-3]。 目前，国外 已 有 BASF、Kellogg、BP、Sumitomo 重 工 、Kyowa Yuka、Linde AG 等公司的 40 多座 DWC 成功应用于商 业化生产[4,5]。 此外，将分隔壁延伸至塔顶或塔釜，可 用于萃取精馏过程[6]及共沸精馏过程。
馏流程的共沸精馏塔及回收塔，不仅节省了设备投资，而且降低了总能耗。 利用 ASPENPLUS 模拟软件，对分隔壁共沸精馏塔
及常规萃取流程进行了模拟。 分隔壁共沸精馏塔的操作条件为：主塔理论板数为 25 块，副塔理论板数为 10 块，环已烷为共沸
剂，在此条件下，比较了常规萃取精馏流程与分隔壁精馏塔内温度、液相组成及汽液相流量的变化。 结果表明，分隔壁共沸精馏
图 6 常规流程共沸精馏塔液相组成分布 Fig.6 Liquid composition profiles in conventional azeotropic
Fig.8
图 8 常规流程回收塔液相组成分布 Liquid composition profiles in conventional azeotropic
由于常规共沸精馏流程中共沸精馏塔和分隔 壁共沸精馏塔主塔的塔顶及塔釜的出料组成基本 相同。 故这两个塔的温度分布的趋势基本相同。 3.3 常规共沸精馏流程与分隔壁共沸精馏塔内组 成的比较
图 6、 图 7 为常规共沸精馏流程中共沸精馏塔 和分隔壁共沸精馏塔主塔的组成分布图， 由其可 知，各组分的浓度分布基本相同，塔顶均为接近于 三元共沸物的混合物，塔釜为纯叔丁醇。
在相同的操作条件下，分别得到了两种流程塔 内温度分布、组成分布及汽液相流率分布，结果见 图 4～9。
Fig.4
图 4 常规流程中回收塔温度分布 Temperature profile in conventional azeotropic distillation column
图 3 分隔壁萃取精馏塔 Fig.3 Dividing-wall azeotropic distillation column
1 体系的基本性质
叔丁醇-水能形成均相恒沸物，加入共沸剂环己 烷后可形成三相非均相共沸物。 其剩余曲线图如图 1 所示。 在图 1 中，常压下叔丁醇和水的共沸温度为 87.0℃，三组分非均相共沸物的共沸点为 65.2℃，为 最低共沸点。 最低共沸点与其它三个二元共沸点的 连线为精馏边界线，一般精馏塔的组成分部不能穿
越精馏边界线。虚线部分为环己烷和水的液-液部分 互溶区，其间的连线是液、液相平衡线，点划线为剩 余曲线。 由图 1 可知，叔丁醇和水位于精馏边界线 AB 的两端， 而一个精馏塔的产物是无法越过此精 馏边界线，故无法得到这两个物质，但由于加入环 己烷后能形成三元非均相共沸物，经过冷凝冷却后 分为两相，这两相跨越了这条边界线，故可通过增 加一个分层器和精馏塔得到叔丁醇和水。
Fig.7
图 7 分隔壁共沸精馏塔主塔液相组成分布 Liquid composition Profiles in main column in DWC-A distillation column
Fig.9
图 9 分隔壁共沸精馏塔副塔液相组成分布 Liquid composition profiles in auxiliary column in DWC-A distillation column
从分层器分层的富水相，还有部分从主塔直接进入
副塔的物料，这股物料中由于有部分环己烷，经分
离后，塔顶出料应为两元恒沸物及少量三元恒沸物
的混合物，塔釜得到纯水。
3.4 常规共沸精馏流程与分隔壁共沸工艺的比较
用 ASPEN 模拟了常规共沸精馏流程和新工艺
流程,这两种流程所采用的共沸剂均为环己烷，结果
见表 1。
第5期
叶 青：分隔壁共沸精馏塔分离叔丁醇水混合物的模拟研究
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分隔壁共沸精馏塔分离叔丁醇水混合物的模拟研究
叶青
（江苏工业学院化工系，江苏 常州 213164）
摘 要 ： 提 出 了 一 种 单 塔 共 沸 精 馏 分 离 叔 丁 醇 水 混 合 物 的 新 工 艺 ， 新 工 艺 采 用 分 隔 壁 共 沸 精 馏 塔 （DWC-A） 替 代 常 规 共 沸 精
图 1 叔丁醇-水-环己烷剩余曲线 Fig.1 Residual curve map for tert-butanol-water-cyclohexane
2 采用分隔壁精馏塔进行共沸精馏 的新工艺
以环己烷为共沸剂分离叔丁醇-水的常规共沸 精馏流程如图 2 所示。 叔丁醇和水的混合物从共沸 精馏塔的中部进料， 共沸剂环己烷从分层器进料。
参考文献
[1] Ennenbach F, Kolbe B, Ranke U. Divided Wall Columns: A novel distillation concept[J].Process Technol Quart,2000, 5 (3): 97-103.
[2] Abdul M I, Smith R.Operation and control of dividing wall columns[J]. Chem Eng Res Des, 1998,76(3): 308-334.
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在共沸精馏塔的塔釜得到纯的叔丁醇，塔顶得到三 元共沸物，该三元共沸物为非均相共沸物，经过冷 凝冷却后进入分层器分为两个液相，富含环己烷的 液相回流回塔中， 富水相进入回收塔中进行分离， 回收塔底得到纯水，塔顶同样得到共沸物进入分层 器。
图 2 常规萃取精馏流程 Fig.2 Conventional azeotropic distillation process
表 1 常规共沸精馏流程与 DWC-A 塔模拟结果 Table 1 Simulation results of DWC-A and conventional
azeotropic distillation process
常规塔
分隔壁共沸精馏塔
理论板数 回流量 /kmol/h 塔顶 x(叔丁醇) /%
x(水) /% x(环己烷) /% 塔釜 x(叔丁醇) /% x(水) /% x(环己烷) /% 冷凝器的热值 /106kJ/h 再沸器的热值 /106kJ/h
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天然气化工
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图 8 为常规共沸精馏流程中回收塔组成分布
图，由图 8 可知，经分层器分层后的富水相进入常
规共沸精馏流程的回收塔中，此时环己烷的浓度很
低，经分离后，塔顶主要为叔丁醇及水的二元共沸
物，塔釜为纯水。 图 9 为分隔壁共沸精馏塔副塔的
组成分布图，进入副塔的物料主要的两股，一股为
共沸精馏是一种特殊精馏方法。 它是向不易分 离的混合物中加入共沸剂，共沸剂与原混合物中的 一个组分或几个组分形成共沸物，使难分离组分间 的相对挥发度增大，从而达到所需的分离要求。 叔 丁醇水形成最低均相共沸物，工业上可采用加入共 沸剂环已烷来进行分离[7,8]。 本文将分隔壁精馏塔用 于共沸精馏分离叔丁醇水混合物 ， 经过模拟计算， 获得了支持新工艺技术可行性和节能降耗性能的 定量结果。
3.54
由表 1 可以看出，采用分隔壁共沸精馏新工艺
后，将常规共沸精馏流程的二塔变为一个塔，由于
在分离过程中减少了常规流程中共沸精馏塔塔顶
物料的返混，及由于在分隔壁共沸精馏塔副塔中环
己烷的浓度提高， 导致副塔塔顶的物料温度降低，
故在达到相同的分离要求时，分隔壁共沸精馏塔更
节能，再沸器所需能耗下降了 14.5%。若考虑冷凝器
由图 4、5 可以看出，常规共沸精馏流程中回收 塔与分隔壁共沸精馏副塔的温度分布的趋势基本
第5期
叶 青：分隔壁共沸精馏塔分离叔丁醇水混合物的模拟研究
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相同， 由于塔釜都得到产物水， 故其塔釜温度为 100℃。 在常规共沸流程的回收塔中，进料为经过分 层器分层后的富水相， 根据其相平衡数据可知，塔 顶出料中除了少量能形成三元共沸物外，大部分均 为叔丁醇与水的两元共沸物，故塔顶温度为 79.6℃， 而在分隔壁的副塔进料中即有从分层器下来的富 水相，还有一部分为从主塔过来的物料，故整个进 料中环己烷的量较多，导致了在塔顶三元共沸物的 量较多，塔顶温度较低为 78.5℃。 在分隔壁共沸精 馏塔中,部分环己烷没有经过分层器，直接进入副塔 中，导致副塔的操作温度比常规精馏塔的回收塔的 操作温度低，从而其能耗较低。
共沸精馏塔 汽提塔
25
10
400
3.0
40.57 60.16
11.00 39.61
48.43 0.23
99.96 0.90
0.04 99.10
－
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17.88 5.17
20.12 6.48
主塔
副塔
25
10
400
40,55
11.27
48.17
99.96
0.94
0.04 99.06
－
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18.06
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在常规共沸精馏流程共沸精馏塔中, 自塔釜向 上, 随着叔丁醇的浓度逐渐减少, 水的浓度逐渐增 大；在第三、第四块板处, 水的浓度达到最大, 然后 水的浓度又重新降低，产生返混现象。 返混效应是 精馏过程热力学效率低下的重要原因。 但在分隔壁 共沸精馏塔中，在主塔上部第三、四块板处水的液 相浓度达到最大时, 有部分混合物直接进入副塔中 去分水，故对分隔壁共沸精馏塔可减少组分返混的 问题，同时此时进入副塔的环己烷浓度较高，有利 于副塔塔顶叔丁醇及水从塔顶带出，故达到相同的 分离要求，分隔壁共沸精馏塔应比常规共沸精馏流 程更节能。
在精馏塔的中部，增加一块隔板，隔板的下方 延伸到塔釜，在此塔中，分隔壁将塔分为两部分，此 塔需两个再沸器，但只需一个冷凝器。 在分隔壁共 沸精馏塔中, 分隔壁两侧的塔釜分别得到产物水和 叔丁醇，塔顶得到共沸物进入分层器。 在分隔壁共 沸精馏塔的上部可以减少部分物料的返混产生，同
图 5 分隔壁共沸精馏副塔温度分布 Fig.5 Temperature profile in auxiliary column in DWC-A
本文从进一步节能降耗的角度出发，提出了采 用新的共沸精馏新工艺。 新工艺以分隔壁精馏塔替 代原来的共沸精馏塔及回收塔，在一个分隔壁共沸 精馏塔内完成了两组分的分离。 流程如图 3 所示。
时在塔内可实现能量集成。
3 新工艺性能的模拟研究
3.1 模拟条件 为了对新工艺的节能降耗性能有定量的认识，
采用 Aspenplus 软件对常规共沸精馏流程及分隔壁 共沸精馏塔的共沸精馏工艺进行了模拟，初步确定 了工艺参数。 案例所需分离的物系为叔丁醇和水， 进 料 中 叔 丁 醇 摩 尔 分 数 为 90% ， 原 料 进 料 量 为 100mol/h，原料为泡点进料，共沸剂为环己烷。 3.2 常规共沸精馏流程与分隔壁共沸精馏塔内温 度的比较
所消耗的能量，则分隔壁萃取精馏流程比常规流程 节能 17.8%。同时，由于将常规流程的二塔变为了一 个塔，设备投资也将下降。
4 结论
提出了以环己烷为共沸剂分离叔丁醇水混合 物的分隔壁S 对该流程进行了模拟。
对于分隔壁共沸精馏的新工艺流程，提出了其 操作的工艺参数：主塔理论板数为 25 块，副塔理论 板数为 10 块板，回流量为 400kmol/h。 在此操作条 件下，比较了常规共沸精馏流程与分隔壁精馏塔内 温度、液相组成及汽液相流量的变化。 并得出分隔 壁共沸精馏工艺相比常规的萃取精馏流程节能 17.8%，并且能降低设备投资。
塔比常规的两塔萃取精馏流程节能 17.8%。
关键词：分隔壁塔；共沸精馏；叔丁醇水混合物；环己烷；流程模拟
中图分类号：TQ 018
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-9219(2009)05-17-04
分隔壁精馏塔（DWC）是在 塔 内 部 设 一 垂 直 隔 板，将精馏塔分成下部公共提馏段、及隔板两边的 精馏进料段和中间采出段三部分。 对于某些给定的 物料，分隔壁精馏塔与常规精馏塔相比，节能最高 可达到 60%以上，可省设备投资 30%[1-3]。 目前，国外 已 有 BASF、Kellogg、BP、Sumitomo 重 工 、Kyowa Yuka、Linde AG 等公司的 40 多座 DWC 成功应用于商 业化生产[4,5]。 此外，将分隔壁延伸至塔顶或塔釜，可 用于萃取精馏过程[6]及共沸精馏过程。
馏流程的共沸精馏塔及回收塔，不仅节省了设备投资，而且降低了总能耗。 利用 ASPENPLUS 模拟软件，对分隔壁共沸精馏塔
及常规萃取流程进行了模拟。 分隔壁共沸精馏塔的操作条件为：主塔理论板数为 25 块，副塔理论板数为 10 块，环已烷为共沸
剂，在此条件下，比较了常规萃取精馏流程与分隔壁精馏塔内温度、液相组成及汽液相流量的变化。 结果表明，分隔壁共沸精馏
图 6 常规流程共沸精馏塔液相组成分布 Fig.6 Liquid composition profiles in conventional azeotropic
Fig.8
图 8 常规流程回收塔液相组成分布 Liquid composition profiles in conventional azeotropic
由于常规共沸精馏流程中共沸精馏塔和分隔 壁共沸精馏塔主塔的塔顶及塔釜的出料组成基本 相同。 故这两个塔的温度分布的趋势基本相同。 3.3 常规共沸精馏流程与分隔壁共沸精馏塔内组 成的比较
图 6、 图 7 为常规共沸精馏流程中共沸精馏塔 和分隔壁共沸精馏塔主塔的组成分布图， 由其可 知，各组分的浓度分布基本相同，塔顶均为接近于 三元共沸物的混合物，塔釜为纯叔丁醇。
在相同的操作条件下，分别得到了两种流程塔 内温度分布、组成分布及汽液相流率分布，结果见 图 4～9。
Fig.4
图 4 常规流程中回收塔温度分布 Temperature profile in conventional azeotropic distillation column
图 3 分隔壁萃取精馏塔 Fig.3 Dividing-wall azeotropic distillation column
1 体系的基本性质
叔丁醇-水能形成均相恒沸物，加入共沸剂环己 烷后可形成三相非均相共沸物。 其剩余曲线图如图 1 所示。 在图 1 中，常压下叔丁醇和水的共沸温度为 87.0℃，三组分非均相共沸物的共沸点为 65.2℃，为 最低共沸点。 最低共沸点与其它三个二元共沸点的 连线为精馏边界线，一般精馏塔的组成分部不能穿