精馏是将液体混合物进行分离提纯或回收有用组分最常用的一种分离方法，其广泛应用于石油化工、医药等行业。精馏过程是一个能耗较大、热力学效率较低的过程，据统计，精馏分离过程能耗约占单位产品能耗的50%-90%。基于精馏过程的基本原理，目前的节能方法主要有以下几类：

（1）充分回收利用过程本身的热能或冷能。（2）改变操作条件和方法（回流比、压力等），减少精馏过程的净功耗。（3）采用双效或多效精馏方法，使精馏过程的能耗降低。（4）通过增设中间再沸器和中间冷凝器来提高精馏系统的热力学效率。归纳起来可总体上分为两种，一种是采用热集成技术；另一种是通过热耦合法，用复杂塔代替常规塔。其中，分壁精馏技术作为热耦合过程的典型代表，可以大幅提高热力学效率，降低分离过程能耗。本文主要介绍该技术的概况、研究现状及应用前景。

1 分壁精馏技术简介

1.1 分壁精馏技术的出现与发展

     1933年，Luster提出了分壁塔的概念，但是由于在结构设计、操作和控制方面存在较大的难度，一直难以进行应用。1946年，Wright提出了一种新型结构型式的精馏塔，将隔板垂直放置在精馏塔的内部，这种结构相对比较普遍，因此被认为是分壁塔的典型结构，如图1所示。Petlyuk等人在1965年提出了完全热耦合塔的概念，即为Petlyuk塔，如图2所示。

由于分壁塔在热力学效率上等同于Petlyuk塔，所以它被认为是在热力学上最理想的塔结构，但由于分壁塔实现了一体式的塔体结构，有人把分壁塔视为是Petlyuk塔的一个特例。

 1987年，Kaibel在Wright基础上，详细介绍了分壁塔的各种结构和特点，并提出了几种特殊的分壁塔结构，因此，在有些文献中也称分壁塔为Kaibel塔。 

1.2 分壁精馏技术的分离过程

以三元混合物（ABC）分离过程中中间组分B的浓度分布规律来进行描述。在常规的双塔分离流程中（如图3所示），塔T1的作用是实现轻组分A与混合组分BC的完全分离，而在塔T1下的提馏段，中间组分B在向塔底趋近的过程中其浓度逐渐增加，在塔T1底部一位置处存在一个浓度最大值，之后由于重组分C的浓度又不断增加，中间B组分又被重组分C冲稀，所以组分B的浓度会降低。由于中间组分B没有在浓度最大值处采出而发生返混，从而使得塔T1分离效率降低。在常规双塔分离流程中，中间组分B的浓度分布规律见图4所示。在分壁塔分离过程中，混合物料进入到分壁塔的进料侧，中间组分B按照一定的比例分别进入进料侧的精馏段和提馏段，在精馏段主要完成组分B与组分C的分离，并保证组分C不出现在分隔板的顶端，在提馏段主要是完成组分A与组分B的分离过程，保证组分A不出现在分隔板的底端。在分壁塔的公共精馏段完成组分A与组分B的分离过程，并在塔顶得到符合纯度要求的产品A，在分壁塔底部的公共提馏段主要完成组分B与组分C的分离过程，并在塔底得到符合纯度要求的产品C。在侧线抽出侧，进行组分B的富集，并在浓度最大处将B组分采出，得到符合纯度要求的产品B。图5所示的是分壁塔内中间组分B的浓度分布规律。

 由此可见，与常规双塔精馏过程相比，分壁塔热效率高的原因，主要是分壁塔能够比较好地解决了常规双塔分离过程 中中间组分的返混问题，在侧线某一合适的位置，当中间组分浓度最大时采出产品，从而降低了整个分离过程的不可逆性，提高了热力学效率，从而实现节约能耗约30%，甚至在某些特殊情况下可达到50%-60%。

1.3 分壁精馏技术的关键

分壁精馏技术从概念的提出到工业应用，中间经历了很长的时间，原因就是分壁塔中内部连接流股的存在，使得分壁塔的自由度比常规塔的自由度要多。增加的自由度主要是隔板两侧的气体分配比、液体分配比和隔板的长度及其位置，这些参数之间相互影响，不能随意设定，这就导致了分壁塔的设计、优化、操作和控制方案比常规精馏塔复杂很多。

分隔板的高度及位置是设计分壁精馏塔的核心因素，分隔板高度越大，所达到的分离效果越好，但塔的投资成本就会增加，同时也增加安装难度。分隔板的位置影响着塔内轻/重组分在隔板两侧的分离精度，它决定着整个塔的分离效果。

分隔板两侧的气体和液体流量分配比是分壁塔设计的一个关键因素。根据进料条件及产品分离要求的不同，隔板两侧的气液相分配比有不同的优化值。同时，为了应对塔内的液体分布变化区间大和实现分隔板两侧不同气体分配比的要求，还需要对塔内件、填料和塔盘等进行一些特殊的设计。

分壁精馏塔因为分隔板的存在，不可避免的在隔板两侧产生温差，如果隔板两侧的温差较大时，可能会造成比较严重的液体壁流，从而引起返混，影响分壁塔的实际操作，另外，温差较大还会影响到隔板的机械强度，在设计过程中还要考虑因隔板温差带来的其它问题。

1.4 分壁精馏技术的适用范围

虽然分壁精馏塔具有诸多的优点，但并不是所有的场所都可以采用，它对应用场所有一定的限制条件。Agrawal和Fidkowski等分别从热力学的角度，详细分析了最小回流比条件下，三元理想混合物饱和液体进料时分壁塔与常规塔序列的差异，结果发现实现分壁塔最高的热效率是有一定限制条件的，通常，对于一个既定的分离过程来说，判断使用分壁塔是否可行或是否有优势时，有一个基本的原则，主要是考虑进料的热力学性质，待分离物系的组成，以及产品的分离要求。具体包括：

（1）组分含量：当原料中中间组分的含量较高时，如中间组分含量为60%～70%，轻组分和重组分的含量为15%～20%时，分壁塔的分离效果最好。

（2）组分相对挥发度：当物料中组分B含量较多，并且A/B/C之间的分离难度相近时，选用分壁塔非常有优势。当B之间的分离难度大于B/C之间的分离难度时，且B组分含量大于70%时，分壁精馏塔具有一定的优势，但是优势不明显。而当A/B之间的分离难度小于B/C之间的分离难度时，选用分壁塔的热负荷要比采用常规塔的热负荷高，并且随着A/B之间的分离难度和B/C之间的分离难度相差越大，分壁塔的热负荷与常规塔的热负荷的差距越大。

（3）操作压力：如果在双塔分离过程中，一个塔需要在较低的压力条件下来完成，而另一个塔需要在较高压力条件下完成时，则不宜采用分壁塔。因为如果采用分壁塔方案，那么操作压力就要在较高的压力条件，使热负荷增加。

（4）塔体尺寸：完成相同的分离任务，分壁塔所需要的塔板数要小于常规双塔的塔板数，但会大于其中任意一个塔的板数。所以，当分离过程中两个塔均需要大量的塔板数时，对应的分壁塔将会非常高，随之而来的就会存在机械加工和安装方面的问题。

2 分壁精馏技术的研究现状

2.1 计算方法研究

由于分壁塔结构的特殊性，其计算过程一直以来是一个技术难点，随着研究的深入，其计算过程也不断的趋于完善。

Stupin和Cerda等将分壁塔转化为在热力学上完全等价的Petlyuk塔，其模拟计算主要是基于最小回流比下的气相流率，而没有考虑实际理论板数的影响，因此，这些模型还不能作为严格模拟的初值。Fidkowski和Krolikowski提出了一个适合于三元物系在最小回流比条件下的气相流率公式，但只作为理论研究。Carlberg和Wester以含有两个以上中间关键组分的多组分混合物为研究对象，利用Stupin提出的模型详细研究了完全热耦合塔的气相流率。Triantafyllou利用F-U-G简捷算法来处理非清晰分离的多组分混合物。

Amminudin和Smith利用热耦合精馏塔的简化模型和蒸馏塔的平衡级理论，提出了一种半严格模型，从而确定理论塔板数，并以操作成本和设备投资最小为优化目标进行优化设计。Noori等以三塔模型建立了三组分混合物清晰分离的分壁塔计算方法，并通过实例进行了验证。方静等以四塔模型模拟分壁塔的分离过程，通过计算实例确定了塔的结构参数和工艺参数，并分析了分隔板两侧的气/液分配比对能耗的影响。

随着人们对计算方法研究的不断发展，目前对于分壁塔的计算也日趋严密，但由于塔内分隔板的存在，在分隔板顶部和底部连接的位置会出现组分浓度的断层，这就使得在经典精馏塔设计过程中所遵循的法则不能在该塔内进行无缝衔接。同时，目前开发的计算方法也是以已知组分混合物为研究对象，对于像油品这类组成不能完全确定的混合物，还需要依靠经验加实验的方式进行塔的设计。但随着商业计算软件的普及应用，以筒捷计算模型提供的结果作为初值，借助模拟软件进行优化调整，也可以完成分壁塔的设计过程。

2.2 控制方法研究

分壁精馏塔的控制主要包括两个方面：全塔的操作控制和塔内分隔板两侧气液相流体的分配控制。

在全塔操作控制方面，由于分壁精馏塔将常规 两个精馏塔的控制参数合并到一个塔中，因此塔的控制回路更加复杂，控 制方案的选择也更加困难。简单的温度控制虽然可以反映塔内的状态，但还不足以作为一种控制方法来独立使用。Adrian等提出的数学预测前馈控制模型可提高控制的稳定性。Kiss等提供了一些控制方案，从经典的三点控制和PID控制器到模型预测控制（MPC）以及其它先进的控制策略如线性二次高斯控制（LQC）等。工业应用结果表明，分壁塔若采用合适的控制策略并不难控制，其中MIMO控制器在执行能力上优于多回路的PID控制器，而在PI控制器中，回流-侧线-再沸（LSV）模式和塔顶馏出-侧线-再沸（DSV）模式的性能最优，能够在很短的时间内处理连续扰动。另外，分壁塔的节能效果与可控性是一对矛盾共存体，其节能潜力发挥的越大，可控性越差。

在塔内分隔板两侧气液相分配控制方面，也多有见诸报道。分隔板顶部的液体回流分配目前大多采用的是通过在分隔板顶部设置集液箱，将塔内液体通过泵全部抽出，然后再分别返回到塔内分隔板两侧的方式，这种方式比较容易，并且也得到了工业应用。分隔板底部的气相分配则要困难的多，对于分离难度较小的物系，通常不对气相分配做特殊要求，但对于分离难度较大的物系则可以通过设置特殊的塔内件或通过其它方式来进行调整。King等通过在分壁塔底部分隔板两侧设置外置的带调节阀的管路进行气相流量调节方式来完成气体分配。Dwivedi等在分体式小型分壁塔实验装置上设计采用了内置可调节式的气体分配装置。陈祥武等对内置式气体分配技术进行了数值模拟研究。抚顺石油化工研究院开发了一种内置式气体分配控制系统，可以对气体分配进行实时的调节控制，简化了操作过程。

2.3 结构设计研究

分壁精馏塔中的分隔板一般采用的是固定焊接式，在实际加工过程中需要消除焊接应力，作业比较复杂，尤其是在旧塔改造过程中加工难度很大。Kaibel在其一篇发明专利中公开了一种分隔板分段组装式分壁塔（US5914012A），该塔主要由分隔板、气相密封带、液相密封带、隔板安装导轨组成，实现了在填料塔中分隔板的分段组装。Jansen公开了一种分隔板采用榫槽连接结构型式的分壁塔（US6770173B1）。抚顺石油化工研究院开发了一种灵活组装的分隔板，并在芳烃溶剂油分离塔改造的过程中进行了成功的使用。

随着将分壁塔中的隔板设计成非固定式，使得在工艺应用和机械设计加工上有了较大的灵活性，从而使分壁塔的应用范围得到了拓展，分壁塔的研究更加实际与广泛。

3 分壁精馏技术的应用进展

由于结构和控制的复杂性，分壁精馏塔从概念的提出到工业应用经历了很长的时间。1985年，由BASF公司和Montz公司合作建成了世界上第一套分壁塔的工业应用装置。2000年，由德国Linde公司为南非的Sasol公司设计建造的塔盘分壁塔，用于从合成汽油混合物中回收直链烷烃，该塔总高度为107 m，直径5.2 m，是目前世界上最大的分壁塔。随后，美国UOP公司和德国Uhde公司也相继有工业化规模的分壁精馏塔投入生产运行，主要用于汽油馏分脱苯。

随着对该技术研究的深人，分壁塔与其它化工过程耦合的工艺也逐渐得到人们的青睐，如萃取精馏过程、共沸精馏过程和反应精馏过程等。在UOP的PEP工艺中，采用正戊烷作萃取剂，利用一个分壁塔，从C7+烯烃/烷烃/芳烃混合物中分离出需要的C7+芳烃，与传统的两塔萃取精馏工艺相比，可节约投资费用35%，节约能耗50%。Barbe1 Kolbe等以NFM为萃取剂从催化重整汽油中分离苯，使汽油中苯含量控制在1%以下，用分壁塔改造后装置的处理量提高了25%，而能耗只增加8%，苯的回收率也达到了99%以上。

此外，上述提到的应用体系基本上是三目标产品的分离，从理论上讲，多目标产品的分离过程均可考虑使用分壁塔，虽然目前已有文献报道四目标产品的分离过程研究，但还没有这方面的工业化应用报道。

国内对分壁塔的研究已经非常广泛，但工业化应用较少，抚顺石油化工研究院经过多年的研发，目前正在进行分壁塔用于石脑油分离的工业应用。

另外，从公开报道看，华北制药厂采用共沸精馏分壁塔回收头孢曲松、头孢呱酮发酵液废水中的乙腈、二氯甲烷、水和硅醚。另外抚顺石油化工研究院已成功将其灵活型分隔板应用于溶剂油分离改造项目。

4 结束语

从过去几十年的发展来看，分壁精馏技术已经在国外取得了令人瞩目的成果，并且国外也正在加快该技术的工业应用步伐。国内的研究应当在国外现有研究成果的基础上进行拓展，在完成目前常规单塔三组分分离工业应用的基础上，对四组分及以上物系的分离和分壁精馏塔与其它节能工艺或设备的耦合方面进行探索。同时，要加强专利的申请和对知识产权的保护，提高在全球的竞争优势。

总之，应加快这一技术的开发和工业化步伐，缩小与其他国家的差距，这对于节能降耗，降低产品成本，提高技术争力具有重要的意义。

（作者张英，设计院网整理）