化工节能技术之热偶精馏（隔壁塔）
正在如火如荼确定模拟工艺的化工设计小伙伴们，你们的模拟路线中是否涉及多塔热量耦合的工艺呢？热偶精馏是我们平时较少接触的一类特殊精馏，为了给辛苦备赛的你们提供一些指导方向，协会外援学长闪亮登场，blingbling~
赵恺学长是本校13级本科生，保研至天津大学化工学院，第十届化工设计大赛全国一等奖与华北区特等奖得主，其Aspen Plus流程模拟中涉及隔壁塔精馏的详细模拟。
切回正文，来看外援学长的讲解。
热偶精馏之定义
在常规精馏塔中，塔内的气液两相流动是靠塔顶冷凝器提供液相回流和再沸器提供的气相回流来实现的。在多个精馏塔的设计中，如果从某一个塔中引出液相作为另一个塔的塔顶回流，或者引出气相作为另一个塔的气相回流，则在这些塔中避免使用冷凝器与再沸器，从而实现热量的耦合，这也就是所谓的热偶精馏。热偶精馏在热力学上是最理想的系统结构，既可以节省设备投资，又可以节省能耗。
经典的热偶精馏结构如图1所示：（a）、（b）分别是含有侧线精馏和侧线汽提塔的精馏结构；（c）是著名的Petlyuk塔，也称之为完全耦合塔。
图1 经典热偶精馏的结构
隔壁塔之定义
隔壁塔（Diving Wall Column，简称DWC）在分离原理和计算方法上与热耦合精馏塔相同，在热力学上等同于一个Petlyuk塔。
对于传统的三元混合物分离, 若采用简单塔分离序列,至少需要2个精馏塔才能使其得到有效分离。而图2所示的隔壁塔，利用隔壁将普通精馏塔从中间分割为两部分, 隔壁巧妙的使用实现了两塔的功能及三元混合物的分离。
图2 隔板塔的结构
在隔壁塔中，进料侧为预分离段，另一侧为主塔，混合物A、B、C在预分离段经初步分离后为A、B和B、C两组混合物，A、B和B、C两股物流进入主塔后，塔上部将A、B分离，塔下部将B、C分离，在塔顶得到产物A，塔底得到产物C，中间组分B在主塔中部采出。同时，主塔中又引出液相物流和气相物流分别返回进料侧顶部和底部，为预分离段提供液相回流和初始气相。这样，只需1座精馏塔就可得到3个纯组分，同时还可节省1个蒸馏塔及其附属设备，如再沸器、冷凝塔、塔顶回流泵及管道，而且占地面积也相应减少。
隔壁塔之节能原理
如图3所示在常规两塔分离序列中，塔1提馏段内随着轻组分A浓度的降低，中间组分B的浓度逐渐增加，但在靠近塔釜处,由于重组分C浓度增加，中间B组分浓度在达到最大值后逐渐减小，即组分B在该塔中发生返混，这也是该塔分离效率较低的重要原因。
图3 简单塔中B组分浓度分布
与之相反，如图4所示，在隔壁塔中，经预分离段分离后的A、B和B、C两组混合物进入主塔后做进一步分离。其中，中间B组分在塔中浓度达到最大时采出，这就有效避免了两塔流程中的返混现象，显著提高体系的热力学效率、大幅度降低能耗。这也是隔壁塔节能的主要是原因。
图4 隔壁塔中B组分浓度分布
隔壁塔之模拟方法（重点）
Aspen Plus流程模拟软件中并没有直接模拟隔壁塔的模块，但是可以通过隔壁塔在热力学上等同于一个Petlyuk塔这一性质来实现隔壁塔的模拟。主要的模拟方法有两种。一是通过两个RadFrac模块进行内部物流的连接如图5，从而建立与隔壁塔热力学等价的两塔模型进行模拟。二是直接利用Multifrac模块模拟隔壁塔如图6。除此之外，还可以利用3个，4个或者给更多的RadFrac模块进行连接，只要物流连接正确合理，与隔壁塔热力学等价，就可以实现对隔壁塔的稳态模拟。
图5 两个RadFrac模块模型
图6 Multifrac模块模型
由于隔壁塔模型的存在许多自由度，这些变量的初始值可以根据以下方法进行估计，然后在此基础上进行调整优化，使得流程收敛，得到可靠地运行结果。
1. 建立传统的两塔精馏分离模型作为基础；
2. 设置全塔的理论板数等于传统两塔分离模型理论板数之和的80%；
3. 将隔板塔的平均分为三部分，将隔板位置放置中部；
4. 隔板塔的冷凝器和再沸器的负荷分别等于传统两塔分离模型冷凝器与再沸器负荷之和的70%；
5. 采用相等的气相与液相的分配比。
根据以上方法只是得到一个操作参数的接近值，还需要根据每次模拟的结果对参数进行调整，以实现流程的收敛。在收敛之后，还需利用设计规定对参数进行优化，以实现最小的能耗与设备费用。
以上就是对于隔板塔的介绍，模拟过程中的具体问题可以参考以下文献和书籍。
[1] 冯霄, 王彧斐. 化工节能原理与技术[M]. 第4版. 北京: 化学工业出版社，2015.
[2]William L L. Aspen模拟软件在精馏设计和控制中的应用[M]. 马后炮化工网译. 2版. 上海: 华东理工大学出版社, 2013.
[3] 孙兰义, 李军, 李青松. 隔壁塔技术进展[J]. 现代化工. 2008; (09): 38-41+43.
[4] 孙兰义.化工流程模拟实训—Aspen Plus教程[M].北京：化学工业出版社，2017.
[5] 包宗宏,武文良.化工计算与软件应用[M].化学工业出版社,2013.
[6] I.Dejanović, Lj. Matijašević, Ž. Olujić. Dividing wall column—A breakthrough towardssustainable distilling[J]. Chemical Engineering & Processing ProcessIntensification, 2010, 49(6):559-580.
本期编辑：曾伟