分隔塔型热耦合精馏技术研究-化学工程硕士论文

大连理工大学 硕士学位论文 分隔塔型热耦合精馏技术研究 姓名：史志刚 申请学位级别：硕士 专业：化学工程 指导教师：匡国柱 20090601 大连理工大学硕士学位论文 摘要 精馏是化工领域中应用广泛的单元操作，同时也是工业中能耗和设备投资高的单元 操作，在石油、化工和天然气加工工业中，其能耗占全过程总能耗的一半以上。因此对 精馏过程节能技术的研究具有极其重要的意义。 热耦精馏是用主塔和副塔组成的复杂塔序，它可以降低过程中的不可逆有效能损 失，提高热力学效率。分隔壁精馏塔是热耦精馏的特殊塔结构，具有节能、投资低的优 点。 本文以分离三组分混合物为研究对象，采用化工模拟软件A s p e nP l u s 对三种分隔壁 精馏塔和常规精馏序列进行模拟分析，考察了不同进料组成及分离指数( E S I ) 对各塔 序能耗的影响。 本文还以工业催化重整脱戊烷油中苯、甲苯、二甲苯混合物的分离进行实际应用模 拟，发现进料位置、回流比、侧线采出位置、液体分配比均对分离效果产生影响。并对 比分隔壁精馏流程、常规侧线采出和常规精馏流程，结果表明，分隔壁精馏塔分离效果、 能耗均具有一定优势，并分析了节能原因。 关键词：精馏；热耦精馏；分隔壁精馏塔；节能；模拟 分隔塔型热耦合精馏技术研究 T h e r m a l l yC o u p l e dD i s t i l l a t i o nO f D i v i d e dW a l lC o l u m nR e s e a r c h A b s t r a c t D i s t i l l a t i o n ，w h i c hh a sh i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n dn e e d sc o s t l ye q u i p m e n t ，i s w i d e l y u s e du n i to p e r a t i o ni nc h e m i c a li n d u s t r y I nt h ei n d u s t r yo fc r u d eo i lr e f i n e ，c h e m i c a l e n g i n e e r i n ga n dn a t u r a lg a sp r o c e s s i n g ，i t se n e r g yc o n s u m p t i o ni sm o r et h a nh a l fo ft o t m p r o c e s se n e r g yc o n s u m p t i o n S ot h er e s e a r c ha b o u ts a v i n ge n e r g yo nd i s t i l l a t i o np r o c e s si s s i g n i f i c a n t T h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o ni sak i n do fc o m p l e xc o l u m np r o c e s sw h i c hc o n s i s t so f m a i nc o l u m na n da c c e s s o r yc o l u m n I th a sm u c hl e s si r r e v e r s i b l ee n e r g yl o s sa n dh i g h e r T h e r m o d y n a m i cE f f i c i e n c yi nd i s t i l l a t i o np r o c e s s D i v i d e dW a l lC o l u m ni sk i n do fs p e c i a l c o l u m ns t r u c t u r eo fT h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o n , w h i c hh a sl e s se n e r g yc o n s u m p t i o na n d l e s sc o s ti ne q u i p m e n t n l er e s e a r c hi sa b o u ts e p a r a t i n gt e r n a r ym i x t u r e s ，s t i m u l a t i n ga n da n a l y z i n gp r o c e s so f t h r e ek i n g so fD i v i d e dW a l lC o l u m na n dn o r m a lD i s t i l l a t i o n 晰t hA s p e nP l u ss o f t w a r e ，a n d r e s e a r c h i n go nh o wd i f f e r e n tf e e dc o m p o s i t i o n sa n dE a s eo fS e p a r a t i o nI n d e x ( E S I ) i n f l u e n c e e n e r g yc o n s u m p t i o n o fe v e r yc o l t m a n s e q u e n c e s S i m u l a t i n gt h em i x t u r eo fb e n z e n ea n dt o l u e n ea n dd i m e t h y lb e n z e n ef r o mC a t a l y t i c R e f o r m i n ga n dt a k i n go f fp e n t a n e ，t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ef e e dp o s i t i o n ，r e f l u xr a t i o ，s i d e 一阳wp o s i t i o na n df l o wd i s t r i b u t i o nr a t i oh a di n f l u e n c ei ns e p a r a t i o nr e s u l t C o m p a r i n gt h e D i v i d e dW a l lC o l u m nd i s t i l l a t i o n ，t h et r a d i t i o n a ls i d e - d r a wa n dt h et r a d i t i o n a ld i s t i l l a t i o n s e q u e n c e ，i ts h o w e dt h a tt h eD i v i d e dW a l lC o l u m n d i s t i l l a t i o nw a se x c e l l e n ti nt h es e p a r a t i o n e f f i c i e n c ya n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n da n a l y z e dw h yi tc o n s u m e dl e s se n e r g y K e yW o r d s ：D i s t i l l a t i o n ；T h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o n ；D i v i d e dW a l lC o l u m n ；E n e r g y s a v i n g ；S i m u l a t i o n I I 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 坌涵盥圭垒捆堑整糍基拖盏 作者签名：监：因! 1日期：竺12 年L 月j L 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：兰! ! ! 年L 月上日 日期：J 孕年土月L 日 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着能源日趋紧张和市场竞争的日益激烈，节能降耗在石化行业的运行管理中越来 越受到重视。作为能耗高、操作复杂的精馏塔一直是业界人士和研究人员关注的焦点。 精馏过程中采用的多效精馏技术、泵技术等能有效地降低过程能耗和提高产品回收率， 目前这方面的研究相对来说比较成熟，因此，研究人员开始从其他方面尝试新的办法。 改变精馏塔结构，突破传统的简单塔序列的概念，开发新型精馏塔，直接构造出能分离 多组分混合物的节能型复杂精馏流程成为新的研究方向。 目前，如何在多组分精馏过程中合理、有效地利用能量主要有两种途径。一是通过 热集成的方法【l - 2 】该方法主要是通过塔系之间的热匹配以及采用热集成型的精馏操作 节能，如热泵、中间换热等。二是改变精馏塔结构，突破传统的简单塔序列概念，开发 新型精馏塔，直接构造出能分离多组分混合物的节能型复杂精馏流程p J 。开发新型精馏 塔结构不仅将大大简化分离流程的复杂性，降低精馏过程的能量消耗，同时也减少了投 资和操作费用。 完全热耦合塔是直接从主塔中引出物流作为初分馏塔的汽、液相回流，使初分馏塔 避免使用再沸器和冷凝器，实现了热量的耦合，在热力学上，这是较为理想的系统结构， 既节省能耗，又可节省设备投资【4 】分隔塔( D i v i d e dW a l lC o l u m n ) 是完全热耦合塔的一 种特殊结构，在对多组分精馏，特别是对于各组分相对挥发度接近的混合物的分离，具有 巨大的优势。它是目前国内外在设备集成、设备强化研究趋势下的一个前沿研究热点。 隔板塔( D i v i d e dW a l lC o l u m n ) 是完全热耦合精馏过程，具有节能、投资低的优点。 最简单的隔板塔是在普通精馏塔中放入一隔板，这样相当于两个精馏塔。由于相当于将 两个精馏塔放入一个塔中，因此更大程度的利用了能量，减少能量的损失。例如，分离 三种混合物至少需要两个普通精馏塔才能完成分离任务，若采用隔板塔，则只需要一个 塔即可完成，在节省能量的同时，也节省了塔设备的投资。隔板塔巧妙地使单塔实现了 多塔功能。从理论上讲，N 个隔板可以把一个单塔分隔成N + 1 个塔，实现N + 2 组分 的分离【5 8 】，而总共只需要一对冷凝器与再沸器。与传统的精馏序列相比，能耗与设备投 资都能降低3 0 左右，一些特殊的物系，节能幅度甚至达到5 0 6 0 。此外，结构紧 凑还带来占地面积小、管线短等相关的优势。 本研究重点是在一个塔中实现三种组分的分离，同时也进一步研究一塔多种组份的 分离，通过模拟计算将能耗降低3 0 左右。由于目前国内这方面的研究相对较少，研究 中会遇到很多问题。首先是塔的结构方面，现在的D W C 设备已经从起初将隔板固定在塔 上发展到可移动的隔板；还有适用于特殊需要的偏离中心位置的垂直隔板。另外，对塔 分隔塔型热耦合精馏技术研究 的安装方式、塔板放置位置及角度等方面都有相关报道。其次还要考虑适用范围，由于 是在一个塔中实现多组分分离，因此要考虑压强、温度、组分间的分离系数等问题。由 于要考虑的因素比常规塔要多，困难自然要比常规塔要大。 本研究以三元混合物系的分离过程为主要研究对象，使用当前流行的稳态过程模拟 系统A s p e np l u s 对混合物分离进行模拟分析。 大连理工大学硕士学位论文 1文献综述 1 1 过程系统模拟与A s p e nP IU S 软件简介 1 1 1 过程系统模拟 所谓模拟是指对系统的一种物理、化学或数学逼近。流程模拟技术是近几十年发展 起来的一门综合学科，它是设计新的或应用己有的过程模型，利用软件技术形成单元模 块，在数据库、网络和实时仿真技术的支持下，对生产过程进行模拟的过程【9 】。因此可 以将流程模拟系统定义为应用过程工程理论、系统工程理论、计算数学理论同计算机系 统软件相结合而建立起来的一种计算机综合软件系统，专用于模拟过程工程的过程和设 备以及整个流程系统。应用这一技术，可以模拟不同工艺条件下的生产结果。技术人员 可利用产生的数据进行分析，确定最佳方案。 通常所说的化工过程流程模拟是指借助于计算机建立并求解描述整个化工生产过 程的数学模型，以得到该过程性能的信息。流程模拟的基本内容为输入有关化工过程流 程水平上的信息，并进行有益于化工过程开发、设计和操作的分析。流程水平上的信息 包括：对确定流程足够详尽的所有单元设备的规定。这些规定可以是单元设备的结构和 操作参数( 如精馏塔的理论级数、反应器的体积) ，也可以是关于设备功能的要求( 如 分离过程中某些组分的回收率、反应器的转化率) ；有关流程拓扑的规定，即各单元设 备之间的连接方式，包括所有物料流、能量流和其它相互作用例如由控制系统执行的相 互作用；流程所处理的物质的性质，包括热力学性质、传递性质和化学反应性质。随着 计算机技术的进步和人们对化工过程机理认识的不断深入，流程模拟己成为石油、化工 工程师设计和分析装置性能、改进现有装置操作的有力工具。 流程模拟是过程系统工程中最基本的技术，不论过程系统的分析和优化，还是过程 系统综合，都以流程模拟为基础的。按过程系统模型的计算模式不同，可分为模拟型、 设计型和综合型。如果考虑模拟对象所要求的特性与时间的关系，又可分为稳态模拟与 动态模拟。稳态模拟是比较成熟的技术，8 0 年代已成为工艺设计及过程分析的常规手段； 动态模拟是相对新的研究领域，其发展比稳态模拟晚1 0 年左右。稳态模拟主要考察系 统在稳态情况下的特性，动态模拟则是对系统的过渡过程行为进行模拟。稳态模拟的基 础是系统的稳态模型方程，而动态模拟的基础则是系统的动态模型方程。从控制的角度 来看，动态模拟反映系统在工作点附近的动态行为，而稳态模拟则可以模拟一个较大范 围内系统的特性。通常，过程系统的优化都是针对稳态情况进行的。 分隔塔型热耦合精馏技术研究 化工系统模拟其实就是一个大型的非线性方程组，不同的模拟方法在求解非线性方 程组的方法不同。根据化工过程系统分析、设计及优化或系统的具体情况应采用不同的 方法，过程系统模拟有三种方法：序贯模块法、联立方程法和联立模块法【l 2 】。 序贯模块法是发展最早、应用最为广泛的方法，所需计算机内存较小，易于实现通 用化，便于学习和掌握，目前大部分商品化模拟系统即采用这种方法。典型的模拟系统 有A S P E N P L U S ( 美国麻省理工学院) 、P R O C E S S ( 美国模拟科学公司) 等。这种方法将过程对 象的物性、单元操作以及流程的其他功能均作为一个个模块进行描述，并通过模块完成 单元计算，即利用给出的单元入口流股信息和足够的定义单元特性的信息，计算单元出 口流股信息。在应用于特定的过程时，可以由各种模块像搭积木似的组合起来描述流程， 而单元模块的计算顺序则由流程拓扑确定。这种方法的优点是与实际过程的联系比较直 观，模拟软件的建立、维护和扩充都很方便，并且计算出错时容易诊断出错的位置。然 而，由于流程模拟存在物性参数、单元模块以及系统断裂流股三层嵌套的迭代，导致其 计算效率较低。当其用于处理设计和优化问题时，由于控制过程及循环嵌套层次的增加， 将引起计算效率的进一步降低。 1 1 2 A s p e nP IU S 软件简介 A s p e nP l u s 是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学 院( M I T ) 组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进 系统“ ( A d v a n c e dS y s t e mf o rP r o c e s sE n g i n e e r i n g ，简称A S P E N ) ，并于1 9 8 1 年底 完成。1 9 8 2 年为了将其商品化，成立了A s p e n T e c h 公司，并称之为A s p e nP l u s 。 该软件经过近2 0 年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十个版本，成为举世 公认的标准大型流程模拟软件。全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名 的工程公司都是A s p e nP l u s 的用户。以A s p e nP l u s 严格机理模型为基础，还逐步发展 起来了针对不同用途、不同层次的A s p e n 工程套件( A s p e nE n g i n e e r i n gS u i t e ，简称A E S ) 产品系列。A s p e nP l u s 模拟软件目前在全世界已有7 5 0 多家用户，其在石油化工行业既 能模拟多组份的轻烃回收工艺流程，又能模拟石油虚拟组分的全流程的工艺流程。因此， 自我国引进美国A S P E NT E C H 公司的A s p e nP l u s 大型工艺流程模拟软件后，许多高等院 校和科研院所承担的石油化工项目设计和工艺流程模拟计算几乎都离不开A s p e nP l u s 软件，且计算结果准确、可靠。该软件的引进、开发和应用，大大缩短了设计周期，提 高了设计质量。 A S P E NP L U S 提供三种过程来进行模拟：除了有内置的单元操作模块外、还有用 户自己定义的F O R T R A N 模块以及设计规定( d e s i g n s p e c i f i c a t i o n ) 。A S P E NP L U S 提 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 供了一个很宽的单元操作模型范围。在整个A S P E N 流程中，除了可以处理物流外，还 可以给模块设定功流和热流，即可以模拟质量平衡也可以确保整个系统的能量平衡。 并且通过物性分析，可以获得物流组分、温度、压力及热负荷参数，从而预测所选模型、 物流类型、物性方法的正确性。 A s p e nP l u s 是工程套件的核心，可广泛地应用于新工艺开发、装置设计优化，以及 脱瓶颈分析与改造。此稳态模拟工具具有丰富的物性数据库，可以处理非理想、极性高 的复杂物系；并独具联立方程法和序贯模块法相结合的解算方法，以及一系列拓展的单 元模型库。此外还具有灵敏度分析、自动排序、多种收敛方法，以及报告等功能。为了 计算相平衡、热力学性质及传递性质，A S P E NP L U S 提供了一个广泛的物性模型程序库。 由于能自动地从一个大的物性数据库里检索，因此避免了工程师们对物性数据的频繁查 询工作。对于大型或小型的过程流程，自动流程分析能确定循环断裂流股及排序。还具 备有力的收敛方法，解决多重循环流股和过程规定的任务。A S P E NP L U S 中的多级严格 法精馏程序是极其可靠、稳定和有效的，并具有规定性的能力，可以包括有多种不同的 选择。 A s p e nP l u s 具有如下5 大功能： 1 进行工艺过程严格的能量和质量平衡计算。 2 预测物流的流率、组成和性质。 3 预测操作条件、设备尺寸。 4 减少装置的设计时间并进行各种装置的设计方案比较。 5 帮助改进当前工艺：回答“如果那会怎么样”的问题；在给定的限制内优 化条件；辅助确定一个工艺约束部位( 消除瓶颈) 。 1 2 精馏技术的应用发展 精馏技术是化工领域中比较成熟，且应用广泛的单元操作，同时也是工业过程中能 耗和设备投资高的设备，在炼油、石化等行业中，其能耗占全过程总能耗的一半以上。 因此对精馏过程节能技术的研究具有极其重要的意义。 在分离工业上，精馏技术一直扮演着十分重要的角色，例如对原材料的纯化、反应 产物的提纯以及原油中石油各组分的分离等等。据美国化学过程工业协会( C P I ) 1 9 9 1 年统计，在石油和化学工业上，平均每年消耗相当于9 8 6 亿桶原油的能源，其中，大 约4 3 消耗在分离过程上。由此可见，精馏操作过程的效率极大地影响了能源的消耗。 “由于精馏过程的大规模和巨大的能源使用，存在着无数的动机促使人们引进新的或改 分隔塔型热耦合精馏技术研究 进的方法和设备“ ，欧洲化学工业协会，精馏、吸收、萃取工作组主席，牛津大学R i c h a r d D a r t o n 1 3 墩授这样评价目前对精馏过程技术的创新。 多年的发展，精馏技术开始日趋成熟，但是近年来这种技术仍然在向前持续快速发 展。由于其应用广泛，每一个微小的进步都带来巨大的经济效益，因此进_ 步的研究仍 然需要，并且在某种程度上还显得十分迫切。简单精馏单元操作中的塔器研究，已经不 能适应现代节能发展的需要。目前的精馏技术己开始越来越强烈地基于多种不同的学科 交叉。 1 2 1 精馏基本原理 最简单的精馏是分离二组分混合物，如图所示1 1 ，整个装置由精馏塔、再沸器和 冷凝器组成。其中精馏塔以进料处为界分为上下两段，即精馏段和提馏段。精馏过程中， 回流液和上升蒸汽形成的气，液两相进行多级逆流接触【1 4 0 6 1 。 图1 1 精馏过程 F i g 1 1 R e c t i f i c a t i o np r o c e s s 图中每小段表示一个理论板，组成为Z f 的料液从精馏塔的中部加入，向下流动， 在塔下部的再沸器中通过加热使液体沸腾，部分汽化产生上升蒸汽。上升蒸气进入精馏 塔与向下流的液体接触，因为两相不平衡，液相中的轻组分向气相传递，气相中的重组 分向液相传递，结果使向下流动的液体中重组分含量逐渐提高，上升的气体中轻组分含 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 量逐渐提高。假设塔顶第1 块板抽出的组成为y l 的蒸汽进入冷凝器，冷凝成液体，其 组成为X d 。y 1 的部分液体作为塔顶产品，成为馏出液：部分液体作为回流量流入第1 块 板，与第2 块板组成为y 2 的蒸汽在第1 块板逆流接触。两相不平衡，易挥发组分从液 相向气相传递，难挥发组分从气相向液相传递，最后两相达到平衡，气、液组成分别为 y 1 ，x 1 。第一块板的蒸汽向上至冷凝器，液体向下进入第2 块板，与从第3 块板上来的 组成为力的蒸汽在第2 块板逆流接触。两相不平衡，进行物质传递，最终达到平衡，气、 液组成分别为为y 2 、x 2 。 如此下去，上升蒸汽量每经过一块板，易挥发组成就提高一步，只要塔板数足够多， 塔顶的蒸汽组成就可满足工艺要求的馏出液组成X d 。向下流动的液体，与从再沸器上来 的热蒸汽接触，每经过一块板，易挥发的组成就降低一步，只要塔板数足够多，塔底的 蒸汽组成就可满足工艺要求的釜残液组成x w 的。采取回流液与上升蒸汽是用精馏方法 使混合物完全分离的基本条件，同时应用回流与上升蒸汽可以同时得到两个纯组分产 品。如果只采用回流，即只有精馏段，则只能将料液分离得到纯轻组分产品和组成接近 于料液的混合物：如果只采用上升蒸汽，即只有提馏段，则只能将料液分离得重组分产 品和组成接近于料液的混合物。 1 2 2 精馏过程操作状况的改变 ( 1 ) 减小压差 改变材料，采用高效规整填料代替普通板式塔或低效填料是行之有效的节能手段。 因为规整填料( 如波纹板、丝网填料) 具有高效、等板高度低、压降小、处理能力大、 持液量小使液体停留时间短等优点。 ( 2 ) 增强热利用率 强化再沸器和冷凝器中的传热可使传热温差下降，由于传热温差减小还可以使塔 顶冷却剂温度提高，塔釜的加热温度下降。 ( 3 ) 改变进料状态 改变进料温度，增高气液比，可取得良好的节能效果，而且操作简单，控制方便， 投资费用也很小。 ( 4 ) 改变进料位置 若进塔的物料成分与加料板的成分差别较大，应更换进料位置( 一般塔都有几个进 料口可以调节) 。在保持产品同一质量品质的前提下，进料中重组分增加，可降低进料 板位置，减小提馏段可降低塔釜加热热量。如果被分离组分来源不同，各组分的含量差 异较大，可将各种物料混合后进行单塔处理或一塔多股进料。实际证明多股进料完成相 分隔塔l ! 热耦台精馏技术研究 同的分离任务，能耗较低。这是因为混合过程是增熵的过程，各组分不同的几艘进料的 混合，增加了过程的不可逆性，必然增加精馏过程的能耗。 ( 5 ) 改变回流比 回流比的大小会影响能耗，回流比增大会提高分离效果，但能耗会增大，因此要选 择合适的回流比。 123 精馏过程的流程技术改进 ( 1 ) 中间再沸器和冷凝器的使用 中间再沸器是在精馏塔提馏段的某塔板间加入一个热量，替代一部分原来从塔底加 入的热量，如图12 所示。由于精馏塔的温度是沿塔高而下降的，在中闻再沸器处的温 度比塔底要低，所以可用温度较低的载热体柬加热，这和多处进料的作用相类似，可以 提高精馏的热力学效率。再有，如果某塔塔底温度本来很低，塔底再沸本身就是一种回 收冷量的手段，那么如有可能在提馏段的适当处回收温度更低的冷量，其能位较高，回 收率较大。中问冷凝器正好与中间再沸器相对应它何于精馏段的某塔板处，可以使用 温度较高的冷却剂，作为回收热量的一种措施。实际精馏过程设冠中间再沸器及中间冷 凝器得数目极多则可接近可逆精馏，如图1 3 所不。 F X r 。：7 。D 2 2 _ B 蚓12 具肯中间再沸器和中间冷凝器的精馏塔示意图 F i gl 2D i s t i l l a t i o nc o l u m nw i t h m i d d l e - - r e b o i l e ra n dm i d d l e - - c o n d e n s e r 大连理工大学硕士学位论文 一D m 一， 一 I + t 二 ：一 一一， 一日J - 图13 二元可逆精馏模型示意图 F i g I3 R e v e r s i b l ed i s t i l l a t i o n f o r b i n a r y - - m i x t u r e ( 2 ) 多效精馏 多效精馏即将多组分的分离安排在一系列压力依次递减的精馏塔中去完成。如图 1 4 所示，原料被均匀地送到N 个塔中，压力从左到右逐效降低。前面较高压力塔的塔 顶蒸汽作为后面较低压力的塔底再沸器的加热介质，在其中冷凝。如果相邻两塔的冷凝 器和再沸器的热负荷平衡，则只有第一塔的再沸器需要加热蒸汽，最后一塔的冷凝器需 要冷却介质。采用N 效精馏后，再沸器所需的加热蒸汽可减少到原柬单效精馏所需加热 蒸汽的l N 左右。这样，在整个流程中，只在第一效加入新鲜蒸气，在最后一效加入冷 却介质，中间各塔不需要在加入蒸汽和冷却介质，由此达到了节能的目的。 幽14 多效精馏技术 F i gI 4 M u l t ie f f e c t d i s t i l l a t i o n t e c h n o l o g y 分隔塔型热耦台精馏技术研究 ( 3 ) 热泵精馏 热泵实质上是一种把冷凝器物料热泵送到再沸器里去的制冷系统，如图15 所示。 热泵精馏是依据热力学第二定律，给系统加入一定的机械功，将温度较低的塔顶蒸汽加 压升温，作为高温塔釜的热源。因为回收的潜热用于过程本身，又省去了塔顶冷凝器、 冷却水和塔釜加热蒸汽，可使精馏的能耗明显降低。热泵精馏的效果一般由供热系数C O P 来衡量，它表示加入l k J 的压缩功可提供给再沸器多少k J 的热量，C O P 越多，效果越好。 ? 1 、 t 霉- 考一 匿I5 热泵耪馏示意冒 F i g15D i s t i l l a t i o n w i t h h e a t p u m p 124 热耦合精馏技术应用发展 热耦蒸馏是2 0 世纪四五十年代提出的一种复杂蒸馏技术，主要用于三元混台物的分 离。与常规蒸馏相比，该技术可减少能耗和设备投资平均达3 0 9 6 左右”哪J 。这种热耦合蒸 馏塔由预分塔和主塔组成。混合物首先进入预分塔，经分离塔顶气相和塔釜液相分别进 入主塔，主塔又有汽液2 股物流返回预分塔作为上升蒸汽物流和回流液。由于主塔返回 物流的作用，预分塔可省去再沸器和冷凝器。原理如图1 6 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图1 6 全热耦合精馏示意图 F i g 1 6F u l l yt h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o nc o l u m n 热耦合的概念已经建立了半个多世纪，自B r u g m a 冽提出热耦合方案以来，就受到 化工系统工程领域学者的关注。从6 0 年代以来，由P e t l y u k l 2 5 “ 2 9 】命名的完全热耦合塔得 到重点研究，随着工业化的不断发展，能源的不断紧张，热耦合方案节能的优点越来越 突出。三组元P e t l y u k 塔的研究十分广泛，涉及到系统的热力学分析、参数估算、简捷 设计、模拟和优化等多个方面。三组元热耦合精馏结构的设计计算一直是过程系统工程 广泛研究的问题，并取得了一些重要的研究成果。需要指出的是，热耦合塔的设计比传 统的简单塔问题要复杂得多【3 们，其复杂性主要来自系统更多的设计自由度，如图1 7 示 意在严格模拟之前需要给出的一些参数，它为了给严格模拟计算提供初值，许多作者研 究了P e t l y u k 塔的简捷设计方法，其中的一些方法和思想将在本文研究中得以采纳。 S t u p i n 3 1 】首先对热耦合的设计做了研究，他采用U n d e r w o o d 方程确定最小回流，用 F e n s k e U n d e r w o o d 方程确定整个回流，对三组元分离系统的热耦合方案做了设计，结果 显示热耦合方案所需的气相量比相同条件下的传统分离要少至少2 0 ，但该文献只是对 热耦合的初始设计，并没有作严格的设计计算，而且他对从主塔到预分馏塔的汽液相流 量做了人为确定。C e r d a 及W e s t e r b e r g 3 2 】对于包括热耦合模型在内的一系列分离模型做 了研究，并发展了简洁法计算方程，但他们的研究仅局限于锐分离，而且计算最小回流 比和理论板数的方法没有改进。F i d k o w s k i 和K r o l i k o w s l 3 3 l 提出了一个在最小回流条件下 确定最小气相量的程序，但它也只适用于三元物系，锐分离和液相进料，采用的方法也 与S t u p i n 类似，也没有考虑理论板数，只能算是一个简洁算法，不能用作严格模拟的初 分隔塔型热耦合精馏技术研究 值。对于侧线汽提和侧线精馏类型的复杂塔，C a r l b e r g & W e s t e r b e r g t 3 4 】提出的最小回流比 计算方法被以后的研究广泛采纳。 图1 7 P e t l y u k 塔模拟前需要给出的参数 F i g 1 7 T h ep r o b l e mi n v o l v e dw i t ht h es i m u l a t i o no fP e t l y u kc o l u m n 热偶精馏流程并不适用于所有化工分离过程，它的应用有一定的限制，这是因为，虽 然此类塔从热力学角度来看具有最理想的系统结构，但它主要是通过对输入精馏塔的热 量的“重复利用”而实现的。当再沸器所提供的热量非常大或冷凝器需将物料冷至很低 温度时，此工艺会受到很大限制【3 5 d 刀。此外，热偶精馏流程对所分离物系的纯度、进料 组成、相对挥发度及塔的操作压力都有一定的要求【3 8 3 9 】：( 1 ) 产品纯度：热偶精馏流程 所采出的中间产品的纯度比一般精馏塔侧线出料达到的纯度更大，因此，当希望得到高 纯度的中间产品时，可考虑使用热偶精馏流程。如果对中间产品的纯度要求不高，则直接 使用一般精馏塔侧线采出即可。( 2 ) 进料组成：若分离A 、B 和C3 个组分，且相对挥发 度依次递增时，采用该类塔型时，进料混合物中组分B 的量应最多，而组分A 和C 在量上 应相当。相对挥发度：当组分B 是进料中的主要组分时，只有当组分A 的相对挥发度和组 分B 的相对挥发度的比值与组分B 的相对挥发度和组分C 的相对挥发度的比值相当时， 采用热偶精馏具有的节能优势最明显。如果组分A 和组分B ( 与组分B 和组分C 相比) 非 常容易分离时，从节能角度来看就不如使用常规的两塔流程了。( 4 ) 塔的操作压力：整个 分离过程的压力不能改变。当需要改变压力时，则只能使用常规的双塔流程。 热耦精馏塔的设计计算分简捷法和严格计算法两种，目前较为通用的是首先采用简 捷法估算出理论板数，然后再用严格法进行设计计算。严格法计算时须对简化法所得结 果进行适当的调整。虽然简化计算有多种不同的方法【州2 1 ，但均是基于 F e n s k U n d e r w o o d - G i l l i l a n d 法发展起来的，该法具有简单清晰、易于计算的特点。，将 大连理工大学硕士学位论文 流程简化为如图1 8 所示。然后分别用简捷计算法计算3 个塔，再通过塔1 的板数应等 于塔2 的提馏段和塔3 的精馏段的板数之和作为限制来得到最终的板数。严格计算法将 简化法的计算结果作为初值，采用逐板计算法对热耦精馏塔进行模拟，得到最终的计算 结果。应该指出，简化法仅仅是提供了一个较好的初值，尤其可得到互联物料的位置和流 量。在此基础上，还需对严格模拟的结果进行分析，调整有关参数，才能得到热偶精馏的 最终设计结果。 图1 8 热偶精馏简捷计算模型 F i g 1 8 T h es h o r tc u tm o d e l so ft h et h e r m a l l yc o u p l ed i s t i l l a t i o nc o l u m n 1 3 分隔壁塔的应用发展 1 9 3 3 年，L u s t e r 因裂解气分离提出o w e 的概念，并申请了美国专利。国外的D W C 研究自能源危机后开始活跃。在能源危机前的科技条件下，由于塔的结构及控制条件复 杂等问题，D W C 未能实现工业应用。B A S F 是第一家将立式隔板蒸馏塔应用于生产装置的 公司，已有大约2 5 座该类塔成功投入工业运行【4 5 1 。目前全世界大约投产了3 0 座该类 塔。美国K e l l o g g 公司为B P 公司在英国的一家炼油厂设计了立式隔板蒸馏塔H 6 1 ：Li n d e A G 最近建成了世界上最大的立式隔板蒸馏塔( 塔径5m ，塔高1 0 7 m )。日本的住友重工 株式会社和K r u p pU h d e 也都建成了工业化的热耦蒸馏塔。美国U O P 公司在提纯粗庚烷 装置中采用了立式隔板蒸馏塔。它采用多股进料技术，并包括了吸收过程。但是，国内 这方面的研究还相对落后。不过，从近年来的发展趋势看，分隔型热耦合精馏技术的工 业应用无论是国内还是国外都应该有着良好的前景。 1 3 1分隔壁塔D W C 基本结构原理 分隔壁塔D W C ( n i v i d i n gW a l lC o l u m n ) 是W r i g h t ( 1 9 4 9 年) 第一次提出的新型热 耦合精馏装割4 7 4 8 1 ，也被称为P e t l y u k 塔。只是利用隔板把塔的中部分成两部分，进料 分隔塔型热耦合精馏技术研究 侧相当于预分馏塔，另一侧以及塔未分隔的上下部合起来相当于的主塔。隔板塔巧妙地 使单塔实现了多塔功能。从理论上讲，N 个隔板可以把一个单塔分隔成N + 1 个塔，实 现N + 1 组分的分离，而总共只需要一对冷凝器与再沸器。 图1 9 隔板塔原理 F i g 1 9P r i n c i p l eo f D W C 图1 9 所示的分隔塔是把一股3 组分进料F 分成3 个产品A 、B 、C 输出。在塔壳 中共有6 个塔段，分隔板进料一侧的1 、2 塔段是一个进行了A B B C 分离的初分馏塔， 类似于一个简单精馏塔。通过在塔段3 中的精馏获得达到纯度要求的产品A ，并分别为 塔段1 和4 提供液相回流。同样在塔段6 中可以得到产品C ，且为塔段2 和5 提供气 相回流。在塔段4 、5 的精馏中获得产品B ，并从塔中部输出。因而有效避免了两简单 塔流程中的再混合现象。这种B 组分的分配通过在进料点上下增加或减少塔板数或者改 变到塔进料侧的液体回流量来使得总的再沸器负荷需求最小。 1 3 2 分隔壁塔设备设计 分隔壁塔与传统的两简单塔分离流程相比，总共只需要1 个冷凝器，1 个再沸器， 1 个塔体，占地面积较小，但需隔板，同时塔体相对单个简单塔略大，内部构造相对复 杂。但由于省掉一个塔，总设备投资将降低3 0 左右。隔板精馏塔的主要设计及优化参 数包括预分离及主塔理论板数、进料位置、侧线出料位置及流量，隔板塔上部液体进入 隔板两侧的比例，隔板下部气体进入隔板两侧的比例等。除设计与优化外，阻碍隔板精 馏塔工业应用的另外一个难点在于控制方案相对复杂，因此研究隔板精馏塔的动态特性 才能确定其控制方案。 国外对D W C 的设备研究表较靠前，尤其对隔板的设计。现在的D W C 设备已经从起 初将隔板固定在塔上发展到可移动的隔板；还有适用于特殊需要的偏离中心位置的垂直 大连理工大学硕士学位论文 隔板。另外，对塔的安装方式、塔板放置位置及角度等方面都有专利报道。隔板精馏塔 的传质介质可以采用塔板，也可以是填料。由于塔内隔板的存在，必须采用专门设计的 塔板。填料隔板塔要有较好的塔壁分布系统来处理壁流。塔顶通过回流分布器控制隔板 两侧流量分布。德国M o n t z 公司是最先提供隔板精馏塔设备及塔内件的公司，且在此领 域一直处于领先地位。 1 3 3 选用原则 隔板精馏塔并非适用所有的精馏分离问题，受到很多因素的制约。为了更好地研究 适用范围，一定情况下可以根据分离指数E S I ( E a s eo fS e p a r a t i o nI n d e x ) 4 9 】来确 定。对于三组分混合物( 肋D ，E S ，是指轻组分和中间组分的相对挥发度与中间组分和 重组分之间相对挥发度的比值，如下式所示。当历，大于1 时，表明轻组分和中间组分 之间的分离易于中间组分和重组分的分离：反之，则意味着中间组分与重组分之间的分 离更加容易。 E S I = 堕 O t B C 资料显示当厨， 1 时，彳与易的相对 挥发度大于曰与f 的相对挥发度，即A 与易的分离要比曰与f 的分离容易。D W C 的热负 荷要比采用常规蒸馏塔的热负荷要大。随着中间组分含量的增加，热负荷之间的差距越 来越小。同时，历，越大，热负荷之间的差距越大。总之，当E SI 1 时，不适于选取 这种分隔型热耦蒸馏工艺。 操作压力也是影响分离的一个重要因素。研究表明，当常规蒸馏方案中各塔的操作 压力相差比较大时，如果改用分隔型热耦精馏塔，热负荷反而会加大【5 0 。5 1 】。因为压力减小， 混合物的分离会变得容易些，对于热耦精馏塔，尤其是立式隔板精馏塔，预分塔和主塔 组合在同一个塔内，其操作压力要相等。塔之间操作压力相差较大的常规精馏方案，如果 改为热耦精馏方案，操作压力要采用常规精馏序列中的最高压力，这样反而增加了混合 物分离的难度，热负荷也会增加，故不会得到预期的节能效果。可见，如果多组分蒸馏分 离工艺中常规精馏序列各塔的操作压力相差比较大，也不适宜采用分隔型热耦精馏工 艺。 分隔塔型热耦合精馏技术研究 另外，塔顶塔底温差最大。任何应用案例均需要单独研究，否则，实际产生的能效 可能与D W C 优点大相径庭。 1 3 4D W C 的发展方向 ( 1 ) D W C 应用系统的研究。隔板精馏技术可能应用的三组分分离系统很多。例如 三苯分离。合成氨联产甲醇技术中，联醇生产中主要采用两塔精馏流程，两塔分别脱除 轻组分杂质和重组分杂质。该流程采用隔板精馏技术同样可以达到分离要求。此外，D W C 还有可能应用在以下领域：空气分离流程、直接法合成苯基氯硅烷生产流程等等。 ( 2 ) 理论上，凡三组分以上混合物的分离，均可以考虑使用隔板精馏塔。对于多 组分( 3 ) 混合物分离，不管是详细分析还是计算结果，目前其文献都甚少。因此从 节约投资和降低能耗的角度出发，开发多组分( 3 ) 分离的D W C ，具有广阔前景。 ( 3 ) D W C 的设备加工基础研究及D W C 的计算方法研究。 ( 4 ) 反应隔板精馏( R e a c t i v eD i v i d i n gW a l lC o l u m n ，R D w C ) 技术的研究与应用。 M u e l l e r 提出反应隔板精馏的概念，将反应精馏过程与隔板精馏耦合在一起。并完成了 碳酸二甲酯( D M C ) 与乙醇酯交换生成碳酸二乙酯( D E C ) 的反应与分离的过程模拟，高 纯度的产品D E C 从塔底采出，副产物和未反应的乙醇侧线出料，塔顶为含有甲醇和D M C 二元共沸物的流股；研究结果表明该新型的反应分离装置能最大程度地提高该平衡反应 的转化率，获得高纯度的产品，并有效地抑制副反应。R D W C 是反应过程与多组分分离 过程的耦合。在化工工业中过程的高度耦合能大幅度减少设备体积，简化流程，降低能 耗，提高效益。 大连理工大学硕士学位论文 2 流程模型及模拟方法 2 1分离三组分的分隔壁精馏塔的种类 通常分离三组分混合物的常规精馏流程有直接序列( D S ) 和间接序列( I S ) 2 种，采用 分隔壁精馏塔分离三组分的流程有以下3 种，如图所示。 C 图2 1 分隔壁精馏塔( D W C ) F i g 2 1 D i v i d e dw a l ld i s t i l l a t i o nc o l u m n 分隔塔型热耦合精馏技术研究 C 图2 2 分隔壁侧线精馏塔( D W C S R ) F i g2 2 D i v i d e dw a l ld i s t i l l a t i o