多重穩態現象

在進行Indirect Sequence 的水相回流架構模擬時，發現有時在一樣的操作條件 下，卻會有兩種不同的結果。例如在最適化操作點即水相回流分率(Aqueous Split Ratio,縮寫成 ASR)=0.66 下進行操作，得到的濃度分佈卻可能有兩種，如圖 2-10 與圖2-11 所示：

mol e fra ct io n [-]

Stage

圖 2-10：水相回流最適化架構反應蒸餾塔濃度分佈圖 case α

Stage

HAC

m ole f ra ction [- ]

NF_OH NF_recycle

圖 2-11：水相回流最適化架構應蒸餾塔濃度分佈圖 case β

上面兩張圖是反應蒸餾塔內部的濃度分佈圖：case α 是滿足設計規格的情況，

即乙酸丁酯和乙酸戊酯出料均達到 99mole%，且乙酸丁酯出料中的乙酸濃度低於 50ppm。然而在 case β 的狀況下，乙酸丁酯的出料濃度卻降至 80mol%以下，而且 乙酸丁酯出料中的乙酸濃度超過 1mol%，大幅超過 50ppm。由兩張濃度分佈圖中 的乙酸(HAc)分佈曲線可以看出，在 case α 時，乙酸的濃度分佈曲線有兩個高峰 (peaks)，約在第 27 板及第 48 板附近。然而在 case β 的情況，乙酸分佈曲線的高峰 有一個卻往上移動到約第 6 板附近，造成反應蒸餾塔頂端的乙酸濃度遽增，使反 應蒸餾塔頂出料所含的乙酸濃度大幅提高。結果會造成乙酸丁酯出料中的乙酸濃 度大幅提高，因為反應蒸餾塔中殘留的乙酸在普通蒸餾塔無法藉由反應加以消耗 掉，所以會跟著乙酸丁酯一起流出。故case β 是不想要的操作狀況，應極力避免。

以上這種現象(即在同樣的操作條件下卻有不同的穩態狀況)，稱為多重穩態。

為了瞭解這個現象，在固定其他操作條件只改變水相回流分率(ASR)以及反應蒸餾 塔再沸器負載(Reboiler dutyof RD column)的情況下繪出多重穩態的圖(利用 Aspen Plus 及 Aspen Dynamics 裡面的 Homotopy 功能)，如下面圖 2-12~2-15 所示：

0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1E-8

1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01

0.1 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00

Spec. unsatisfied Spec. satisfied by Homotopy

mole frac. [-]

ASR

HAc conc. in product BuAc

圖 2-12：BuAc 出料的 HAc 濃度對 ASR 之圖

0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 0.70

0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 0.990 0.992 0.994 0.996 0.998

1.000 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00

Spec. unsatisfied Spec. satisfied by Homotopy

AmAc conc. in product AmAc

mole frac. [-]

ASR

圖 2-13：AmAc 出料濃度對 ASR 之圖

0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 0.55

0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.90 0.95

1.00 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00

Spec. unsatisfied Spec. satisfied by Homotopy

BuAc conc. in product BuAc

mole frac. [-]

ASR

圖 2-14：BuAc 出料濃度對 ASR 之圖

0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 20000

40000 60000 80000 100000 120000

140000 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00

Spec. unsatisfied Spec. satisfied by Homotopy

Reboiler duty of RD column

kW

ASR

圖 2-15：反應蒸餾塔再沸器負載對 ASR 之圖

在上述四個圖中，每一個點均代表一個穩態(steady-state)。由圖 2-15 中可看 到，反應蒸餾塔的再沸器負載和水相回流分率基本上是一對一關係，但是圖2-12，

2-13 及 2-14 的乙酸(HAc)、乙酸戊酯(AmAc)及乙酸丁酯(BuAc)濃度對水相回流分 率卻不是一對一關係，亦即同樣的水相回流分率下可能對應有兩個以上的穩態，

此即為多重穩態。圖中三角形實心點是代表可以滿足設計規格的操作點，即乙酸 丁酯和乙酸戊酯濃度超過99mole%，乙酸濃度低於 50ppm 的點：方形實心點則是 代表無法滿足設計規格的操作點。三角形實心點和方形實心點皆是由 Aspen Plus 模擬得到，而圓形空心點則是由Aspen Dynamics 的 Homotopy 功能得到。在圖 2-13 中圓形空心點與方形實心點無法完全接壤，猜測是兩種程式在計算上有誤差所致。

上述圖中，只有三角形實心點是可以滿足設計規格的點，故以下只針對其做 討論。在這些點中ASR 為 0.66 時恰巧位於邊緣一個轉折的位置，而且剛好滿足設 計規格：即乙酸丁酯與乙酸戊酯產品濃度剛好等於 99mole%且乙酸丁酯產品中的 乙酸濃度略低於 50ppm；而其他三角形實心點，乙酸丁酯與乙酸戊酯產品濃度皆 大於99mole%，但反應蒸餾塔再沸器負載也較水相回流分率等於 0.66 時來的高，

亦即這些點較為保守。越遠離水相回流分率等於0.66 的點(即水相回流分率越大)，

其產品的濃度越高，乙酸丁酯產品中的殘餘乙酸濃度也越低，同時反應蒸餾塔的 再沸器負載也越高(越耗能)，也就是越保守。考慮到水相回流分率等於 0.66 的點位 於一個邊緣的轉折位置，能承受的干擾較其他保守的點為低，較難控制，在之後 進行動態模擬時，本研究會先用操作成本較高但是較保守可操作性較好的點先進 行測試，驗證整個穩態設計的動態可操作性，之後再討論動態操作與水相回流分 率之間的關係。