精馏是化工中首选的分离过程, 虽然有许多优点, 但是能耗特别大, 为节能, 国内外已研制出一些节能型耦合精馏塔: 像反应与精馏耦合的塔;精馏与其他分离过程耦合的塔(吸附- 精馏耦合、结晶- 精馏耦合等) ; 精馏- 精馏耦合的塔: 热耦精馏塔( Petlyuk Column) ; 内部热耦合精馏塔( ITCDIC); 分隔壁精馏塔(Dividing wall col2umn 简称DWC)) 。
DWC 是在精馏塔内部设一垂直隔板, 将精馏塔分成上段、下段、及由隔板分开的精馏进料段及中间采出段四部分。由于DWC 与热耦精馏分离的原理及计算方法是一致的, DWC 在热力学上等同于一个Petlyuk 塔, 比传统的两塔系统节约了30 %的投资费用。因此有人把DWC 归为耦精馏塔的特例,但因DWC 比热耦精馏塔少一台精馏塔及相应管路, 因此投资及占地面积比热耦精馏塔少 。
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DWC 与热耦精馏分离及其传统精塔的流程比较见
表1 单塔或多塔组合分离多组分表
DWC 分离3 组分混合物时, 只需1 个精馏塔就可得到3 个纯组分, 这就节省了1 个精馏塔及其附属设备, 如再沸器、冷凝器、塔顶回流泵及管道。虽然DWC 比原有2 塔流程的每个精馏塔大,但总的设备投资会降低许多。DWC 是热力学上最理想的系统结构, 在分离3 组分混合物时, 用相同的理论板数, 完成同样的分离任务, 采用DWC 比传统的两塔流程需更少的再沸热量和冷凝量, Lestak指出, 对于某些给定的物料, 分隔壁式精馏塔和常规精馏塔相比需更小的回流比, 故操作容量增大, 节能最高可达到60 %以上, 可能省设备投资30 %。
DWC 能广泛地应用于石油精制、石油化工、化学品及气体精制。在DWC 中, 物料在再沸器中只被加热1 次,它在高温区的停留时间相应较短。故该塔型既适于多组分物系中轻组分为热敏物系的分离, 又适于重组分为热敏物系的分离, 同时还适于挥发度居中的热敏物系的分离。
DWC 所采出的中间产品的纯度比普通精馏塔侧线出料的纯度大, 因此, 当希望得到高纯度的中间产品时, 应先考虑使用DWC。若分离A、B 和C 3 个组分, 且相对挥发度依次递增时, 进料混合物中组分B 的量最多时, 采用DWC 的分离效果将最好, 且能耗最小。采用DWC 具有的节能优势最明显。
由于采用DWC 时, 分离3 组分混合物是在1个塔内完成的, 故整个分离过程的压力不能改变。当需要改变压力时, 只能用常规的双塔精馏流程。
在DWC 中分离3 组分混合物时, 在精馏塔中设置1 块垂直的隔板- 分隔壁, 分隔壁的长度、放置的位置及离精馏塔的上、下部的距离都会影响此塔的分离效果。
分离3 组分混合物时, 若将分隔壁向精馏塔的底部延长, 则可有效的阻止轻组分从分隔壁下部进入该塔的中间出料一侧, 但中间组分从下端进入中间出料一侧也变得困难起来。这样会使更多的中间组分从分隔壁的上端进入中间出料一侧或者需要增加塔的下部(分隔壁下部的提馏段) 的分离能力来分离中间组分和重组分。同样的, 若将分隔壁向精馏塔的上部延伸, 阻止了重组分从分隔壁的上端进入中间出料一则, 但同时也增加了中间组分从上端进入中间出料一侧的困难。
采用DWC 分离3 组分混合物时, 从塔底上升的蒸汽在分隔壁两侧分为两部分, 若蒸汽在分隔壁的两侧分配量不相等时, 根据进料及中间出料情况, 在某种情况下具有热力学优势。
DWC热力上的高效率
要想使分隔壁两侧的汽相流量不相等, 一般有两种方法: ①分隔壁不放置在塔的中间; ②通过内部设置使分隔壁一侧的压降大于另一侧。控制分隔壁两侧的汽相流量主要通过两侧的压降完成的, 要使两边的压降不同可以通过设计一些特殊可控制大小的节气阀来实现, 或者使分隔壁两侧的结构不同。不管采用哪种方法都需要非常精确的压降关联式。分隔壁两侧的液体流量分布成为此类塔设计及优化操作的一个关健。一般在分隔壁的上方可设计一个流量分配器来控制液体流量; 在分隔壁的下方可设计一个流量分配器来控制气体流量使进入隔板两侧的流量不同, 从而达到所需的中间产品、塔顶及塔釜的分离要求。
近年来，随着资源短缺、环境保护和碳减排的压力越来越大，使用先进的过程强化技术来降低能耗、降低碳排放已成为研究的热点。精馏技术是化学工程的核心内容之一，对炼油、煤化工、石化、精细化工等行业的可持续发展具有十分重要的意义。DWC 技术是具有独特作用的精馏。它在化学工业中的应用越来越广泛, 将取得的成果逐步加以推广, 必将创造极大的经济效益。
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