作者：张毅
近年来以“绿色化学”为特征的生物转化法发展迅速，该法利用可再生资源进行清洁生产，即以适当的有机物质为底物，利用某些微生物的发酵作用将其转化为PDO，经过分离提纯，获得满足工业纯度要求的产品。
精馏过程的能耗问题一直以来是化工行业节能的焦点，其关键是如何充分利用塔内物流的热量。作为一种非传统的精馏系统，间壁塔( DWC)及其热力学等效系统——完全热耦精馏塔，通过塔间物流的直接接触，充分地实现能量的集成与综合利用，大大降低能耗。其突出特点是通过预分离塔实现对多组分进料的非清晰分割，轻组分和部分中间组分从预分离塔顶部进入主塔，重组分和其余中间组分从塔底进入主塔，通过主塔的分离与提纯，最后轻重组分分别从塔顶和塔底采出，中间组分通过侧线采出。预分离塔的塔顶液相回流和塔釜气相回流分别从主塔某一位置导入。传统多组分精馏分离效率受限的主要原因是返混的影响，预分离塔的非清晰分割大大降低了返混，同时，由于可以适当调节中间组分在塔顶和塔底的分配，使进料组成更为接近某一塔板上的组成。有研究表明，这两大特点使之与传统精馏序列相比节约能耗可达30%。
1原料的预处理
本研究以来自甘油发酵生产1，3-丙二醇的发酵液为原料，对已加热灭菌的发酵液进行预处理。得到的原料液组成如表1所示。
适合热偶精馏的进料组成一般应满足中间组分含量最多，轻组分和重组分含量较少且相当的情况，尤其当中间组分的分离要求较高时热偶精馏的节能优势可以更充分地体现出来。分析该进料组成可知，1，3-丙二醇为中间组分，质量分数为73. 35%，要求其质量分数达到99.5 %以上，同时轻组分、中间组分、重组分的质量比约为1：6：1，理论上应比较适合采用热偶精馏进行分离提纯。
2 简捷计算与优化
DWC与传统精馏序列相比，在节能和减少设备投资方面具有很大的优越性，然而由于主塔和预分塔互连物流的复杂性，传质和传热更加复杂，增加了其设计与操作难度。采用Carlberg等提出的同Petlyuk塔等效的三塔模型，结合适当的设计规定，从而减小系统的自由度，其结果可以作为严格计算的初值。
三塔等效模型如图1所示，其中塔1相当于DWC的预分离塔，塔2精馏段和塔3提馏段相当于DWC的塔顶和塔底部分，塔2提馏段和塔3精馏段相当于DWC的间壁部分。塔2的塔釜出料和塔3的塔顶出料相当于DWC的侧线出料，在塔1上添加部分冷凝器和再沸器，互连流股对应关系如图1所示。
本研究所用进料为低压下极性非电解质物系，故采用NRTL物性方法，简捷计算采用Aspen Plus中的DSTWU模块，使用Fenske改善后的Winn方程估算最小理论板数；通过Underwood方程计算最小回流比，并采用Gilliland关联曲线来确定实际回流比与实际所需理论板数的关系。通过调试使之满足以下约束条件：塔1的理论板数等于塔2提馏段与塔3精馏段的理论板数之和；塔2提馏段的气相流率等于塔3精馏段的气相流率；B2出料与D3出料中的中间组分PDO含量相同；PDO的回收率满足要求。简捷计算结果如表2所示。
3 DWC的严格模拟与RSM优化
严格模拟采用Aspen Plus中的Multifrac -Petly-uk模块，该模块对于多个多级精馏装置相互连接的系统具有较高的精确度。严格模拟初值通过简捷算法获得，主塔理论板数相当于塔2和塔3的理论板数之和，预分塔理论板数相当于塔1的理论板数，主塔回流比采用塔2的回流比，主塔和预分塔的连接位置即为塔2和塔3的进料位置。即主塔理论板数50，回流比5. 74；预分塔理论板数27，泡点进料，进料量为1 000 k mol/h，进料位置为第13块板，预分塔塔顶和塔底分别与主塔第1 1块板和第38块板相连，互连物流L12为40 k mol/h，V12为500 k mol/h。将以上参数作为初始值运行模拟，然后根据分离要求，通过塔内浓度分布曲线初步确定主塔理论板数为26，预分塔理论板数为15。
3.1 单因素分析与RSM优化
响应曲面法是一种通过统计学试验设计来优化多个过程变量的方法，该法通过建立连续变量曲面模型，对影响过程的因子及其交互作用进行评价，从而确定各个因子的最佳水平范围。其响应曲面通常是一个多项式：
本研究使用Design Expert软件，以侧线出料中PDO的质量分数为目标函数，以29次模拟试验结果为基础数据，进行二阶多项式及其系数的拟合，得到目标函数的解析式。结合精馏过程实际情况，响应曲面法优化结果为：进料位置为第4块板，侧线出料位置为第14块板，液相流量为88 k mol/h，气相流量为485 k mol/h。其四因子两两交互作用如图2所示。
3.2 回流比对提纯效果及再沸器负荷的影响
回流比R是精馏过程中设计和操作的重要参数，直接影响精馏塔的分离效果和能耗。以PDO的质量分数及再沸器负荷为目标函数，使用Sensitivity模块对R进行灵敏度分析，结果表明，在R允许的范围内，随着R的增加，PDO质量分数基本保持不变，再沸器负荷增加明显。通过简单分析可以发现，1，3 -PDO的质量分数每增加0.01%，再沸器负荷将增加3. 81%，所以，在满足分离要求及操作约束的前提下，R取较小值为宜，综合分析，本研究取R为9。
4 DWC与传统多塔串联流程的对比
多组分的分离一般采用多塔串联流程，分别采用流程1和流程2进行DSTWU模块简捷计算，采用RadFrac模块严格计算并优化，具体流程如图3所示，将其结果与DWC设计结果对比。
对比情况如表4所示，结果表明，流程a需要理论板数50，流程b需要理论板数51，而DWC需要理论板数为26，理论板数的大量减少使设备的投资费用大大降低。
为便于比较，规定3种流程的PDO回收率相同，均为96.7%，流程a、流程b和DWC的产物中PDO质量分数分别达到99. 59 010、99. 76%、99. 82%；反之，即意味着在满足质量分数为99.5%的要求情况下，采用DWC流程可以使PDO的回收率进一步增加。
再沸器负荷一般作为衡量操作过程中能耗的重要指标，在均采用泡点进料，流量为1 000 k mol/h的条件下，流程a再沸器负荷共23 492.6 kW，流程b负荷共25 969.8 kW，而采用DWC流程时，负荷为18 375.4 kW，较之两塔流程降低约25%，节能效果明显。同时，由于只使用了1台再沸器和l台冷凝器，降低了设备费用。
5结论
针对传统分离序列能耗高、设备投资大的缺点，提出采用DWC提纯甘油发酵液中的PDO。通过预分塔对多组分进料的非清晰分割，降低返混，提高了分离效率；通过主塔和预分塔互连物流之间的能量耦合，热量充分利用，能耗降低约25%；同时，由于减少了再沸器和冷凝器的使用，降低了设备费用。该DWC分离流程可以为多组分物料分离的工业化设计和生产提供指导。
6摘要：采用Aspen Plus软件和NRTL物性方法，对间壁塔(DWC)中1，3丙二醇(PDO)的分离精制进行了模拟研究。以预处理后的甘油发酵液为原料，利用三塔等效模型，进行简捷计算，获得了间壁塔的初始参数。采用Petlyuk模块，基于Design Expert软件和响应曲面法( RSM)对进料位置、侧线出料位置、互连物流量L12和V12进行了系统模拟与优化。同时，利用Sensitivity模块，对回流比进行了灵敏度分析。对比传统二塔精馏流程，在回收率相同条件下，PDO的质量分数由99. 59%可提升至99. 82%，再沸器负荷可降低约25%，节能效果显著。
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