（化学工程与技术专业论文）隔离壁精馏塔水平热耦合的设计与优化.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 学位论文数据集 中图分类号 t p l 8学科分类号5 3 0 2 7 2 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 11 0 0 5 8密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名李丽娜学号 2 0 0 8 0 0 0 0 5 8 获学位专业名称化学工程与技术获学位专业代码 0 8 1 7 国家自然科学 课题来源研究方向化工系统工程 基金项目 论文题目隔离壁精馏塔水平热耦合的设计与优化 隔离壁精馏塔，完全热偶精馏塔，热耦合，水平传热， 关键词 优化设计，节能 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月日论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称工作单位学科专长 指导教师黄克谨教授北京化工大学化工系统工程 评阅人l楚纪正研究员北京化工大学过程建模仿真 评阅人2徐联宾教授北京化工大学化学工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员蝴 答辩委员1 陈建峰教授北京化工大学化学工程 答辩委员2陶霞教授 北京化工大学化学工程 答辩委员3邹海魁副研究员北京化工大学化学工程 答辩委员4 初广文 副教授 北京化工大学化学工程 答辩委员5王洁欣副研究员北京化工大学化学工程 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 二者在热力学上是相等的。但因隔离壁精馏塔只需1 个塔就可完成相 同的分离任务，不仅降低能量消耗，而且减少了设备投资，所以引起 人们的广泛关注。 隔离壁精馏塔采用垂直隔板，将传统精馏塔从中间隔开，分成上 段、下段、及由隔板分开的精馏进料段及中间采出段四部分，其效果 相当于将p e t l y u k 塔的主塔和副塔放在一个塔内。如果不考虑隔板两 侧的传热，隔离壁精馏塔在热力学上等同于一个p e t l y u k 塔，但在实 际过程中，由于温差的存在，水平传热是不可避免的，这也使得二者 不能绝对等效。隔离壁精馏塔虽然较传统精馏塔在降低能耗及设备投 资方面已经显示出了出色的优势，但研究发现，通过对隔板两侧进行 适当的热量耦合，使放热段的热量直接传递给吸热段，实现了热量的 回收利用，从而进一步降低能耗。 拟计算采用m a t h e m a t i c a 软件进行，对整个塔使用恒摩尔流假设，利 用二分法和牛顿一拉夫森迭代法相结合的方法对隔离壁精馏塔的塔 板温度、塔板浓度分布和气液相流量计算。然后对优化后的隔离壁 精馏塔进行了水平热耦合，通过对隔板两侧温度曲线的分析，寻求最 优的耦合方式，发掘其节能优势，并对影响水平热耦合节能效果的因 素进行了研究与分析。 研究结果表明，通过对隔板两侧进行水平热耦合，可以降低其能 耗，提高热力学效率，且通过选择适当的耦合方式如耦合板数、传热 面积能够进一步提高其节能效果。在不同的物性条件如挥发度下对隔 离壁精馏塔进行水平热耦合，均能实现一定的节能效果，且当分离指 数接近1 时节能效果较好。 关键词：隔离壁精馏塔，完全热偶精馏塔，热耦合，水平传热，优化 设计，节能 i i a b s t r a c t d e s i g na n do p t i m i z a t i o no fd i v i d i n gw a i 。l c o l u m nw i t hi n t e r n a lh e a ti n t e g r a t i o n a b s t r a c t d i s t i l l a t i o n ，w h i c hi st h es e p a r a t i o nt e c h n i q u em o s tw i d e l yu s e di n t h ec h e m i c a la n dp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，i sv e r ye n e r g yc o n s u m i n g t o e x p l o r ee n e r g y - e f f i c i e n ta p p r o a c h e so fd i s t i l l a t i o np r o c e s sh a sb e c o m e p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tw i t ht h er e q u i r e m e n t so fe n e r g ya n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o ng e t t i n gi n c r e a s i n g l y s e r i o u s o n ea t t r a c t i v ea l t e r n a t i v ef o r r e d u c i n g t h e e n e r g yr e q u i r e m e n t i st ou s e d i v i d i n g - w a l l c o l u m n c o n f i g u r a t i o n s d i v i d i n g - w a l lc o l u m n ( d w c ) i sas p e c i a ls t r u c t u r eo ff u l l yt h e r m a l l y c o u p l i n gd i s t i l l a t i o n ( p e t l y u k ) b yu s i n go n l yo n e d i s t i l l a t i o nc o l u m nw i t ha d i v i d i n gw a l li n s t a l l e dt os e p a r a t et h ep r e f r a c t i o n a t i o nf r o mt h em a i n c o l u m ns e c t i o n t h ee n e r g yr e q u i r e m e n t sa n dt h ec o n c e n t r a t i o np r o f i l e s o ft h et h e r m a l l yc o u p l e dc o l u m n sa n dt h ed i v i d e d - w a l lc o l u m na r e c o m p l e t e l yi d e n t i c a l h o w e v e r , t h et o w e ra n dt h ec o r r e s p o n d i n gp i p e l i n e s o fd i v i d e d - w a l lc o l u m na r el e s st h a nt h et 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 c o l u m n s ，l e a d i n gt oal e s sc a p i t a li n v e s t m e n t a l t h o u g hd i v i d i n g - w a l lc o l u m nh a ss h o w nag r e a ta d v a n t a g ei nt e r m s o fr e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n de q u i p m e n ti n v e s t m e n t ，t h ee n e r g y h l k e y w o r d s ：d i v i d i n g 。w a l lc o l u m n ；f u l l yt h e r m a l l y c o u p l i n g d i s t i l l a t i o n ；h e a ti n t e g r a t i o n ；h o r i z o n t a lh e a tt r a n s f e r ；o p t i m u md e s i g n ； e n e r g ys a v i n g e - - 1 i v 目录 目录 符号说明l 第一章绪论3 1 1 精馏过程的现状与发展3 1 2 隔离壁精馏塔的特点与研究必要性6 1 3 论文结构7 第二章隔离壁精馏塔过程简析9 2 1 隔离壁精馏塔的发展前景与实际工业应用9 2 2 隔离壁精馏塔的原理1 2 2 2 1 隔离壁精馏塔的结构1 2 2 2 2 隔离壁精馏塔的节能原理1 4 2 3 小结1 6 第三章隔离壁精馏塔水平热耦合原理1 7 3 1 隔离壁精馏塔水平热耦合原理1 7 3 1 1 隔离壁精馏塔热力学结构1 7 3 1 2 隔离壁精馏塔的传热方式1 7 3 2 隔离壁精馏塔温度曲线分析1 8 3 3 小结1 9 第四章三组分隔离壁精馏塔的简捷设计2 1 4 1 隔离壁精馏塔的自由度分析2 1 4 2 隔离壁精馏塔的设计方法2 2 4 3 三组分隔离壁精馏塔的三塔简捷设计法2 4 v 北京化工大学硕士学位论文 4 3 1 隔离壁精馏塔热力学等价流程和假设条件2 4 4 3 2 塔1 设计步骤2 4 4 3 3 塔2 设计步骤2 6 4 3 4 塔3 设计步骤2 7 4 4 分离三组分a 、b 、c 简捷设计结果2 8 4 5 小结2 9 第五章隔离壁精馏塔的优化与水平热耦合的研究3 1 5 1 模型建立的假设条件3 l 5 2 三组分隔离壁精馏塔系统数学模型3 2 5 2 1 精馏过程描述3 2 5 2 2 模型求解过程及结果3 4 5 3 三组分隔离壁精馏塔的优化设计3 7 5 3 1 变量分析3 7 5 3 2 隔离壁精馏塔寻优过程及结果3 8 5 4 隔离壁精馏塔水平热耦合的研究4 0 5 5 小结4 1 第六章隔离壁精馏塔的水平热耦合的影响因素4 3 6 1 水平传热前后塔板温度与汽液相流量变化4 3 6 2 耦合板数对隔离壁精馏塔的水平传热的影响4 5 6 3 传热面积对隔离壁精馏塔的水平传热的影响4 6 6 4 挥发度对隔离壁精馏塔的水平传热的影响4 7 6 4 1 耦合方式的影响4 8 6 4 2 节能效果分析4 7 6 5 小结5 1 第七章结论与展望5 3 7 i 结论5 3 7 2 展望5 3 参考文献5 5 致谢5 9 研究成果及发表的学术论文6 l 导师与作者简介6 3 v i i 北京化工大学硕士学位论文 v i i i 2 2 1s t r u c t u r e0 f d w c 1 2 2 2 2e n e r g y - s a v i n g p r i n c i p l e o f d w c 1 4 2 3c o n c l u s i o n s ：1 6 c h a p t e r3 h o r i z o n t a lh e a tt r a n s f e ra c r o s st h ew a l lo fd w c s y s t e m 1 7 3 1p r i n c i p l eo fh o r i z o n t a lh e a tt r a n s f e ra c r o s st h ew a l lo f t h ed w c 17 3 1 1t h e r m o d y n a m i cs t r u c t u r eo f d w c 1 7 3 i 2t h em o d eo f d w cw i t hh o r i z o n t a lh e a tt r a n s f e r 1 7 3 2t e m p r a t u r ep r o f i l e a n a l y s i so f d w cw i t h h o r i z o n t a lh e a t t r a n s f e r 1 8 3 3c o n c l u s i o n s 1 9 c h a p t e r4 s h o r t c u td e s i g no fd w cs y s t e mf o rt e r n a r ym i x t u r e s e p a r a t i o n ：1 1 4 1d e g r e eo f f r e e d o ma n a l y s i so f d w c 2 1 4 2d e s i 曲m e t h o d so f d w c 2 2 4 3s h o r t c u td e s i g no fd w cf o rt e r n a r ym i x t u r es e p a r a t i o nu s i n gat h r e e c o l u m n i x 北京化工大学硕七学位论文 m o d e l 2 4 4 3 1t h r e e c o l u m nm o d e la n da s s u m p t i o n s 2 4 4 3 2d e s i g ns t e p so f t o w e r1 2 4 4 3 3d e s i g ns t e p so f t o w e r2 2 6 4 3 4d e s i g ns t e p so f t o w e r3 2 7 4 4t h er e s u l to f t h es h o r t c u td e s i g nf o rs a p c r a t i n ga 、b 、c 2 8 4 5c o n c l u s i o n s 2 9 c h a p t e r 5 r i g o r o u ss i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fd w cs y s t e m f o rt e r n a r ym i x t u r es e p a r a t i o n - - 3 l 5 1m o d e l i n g a s u m p p t i o n s 3 l 5 2r i g o r o u ss i m u l a t i o nm o d e lo f d w c 3 2 5 2 1d i s t i l l a t i o np r o c e s sd e s c r i p t i o n 3 2 5 2 2m o d e ls o l v i n gp r o c e s s 3 4 5 3o p t i m i t a ld e s i g nf o rd i v i d i n g - w a l lc o l u m n s 3 7 5 3 1v a r i a b l ea n a l y s i s 3 7 5 3 2o p t i m i z a t i o n p r o c e s sa n d r e s u l t 3 8 5 4r e s 即c ho f d w cw i mh e a ti n t e r g r a t i o n 4 0 5 5c o n c l u s i o n s 4 l c h a p t e r6 i n f l u e n c ef a c t o r so fd i d i n g - w a l ic o l u m n sw i t hh e a t t r a n s f e r 4 3 6 1i n f l u e n c e so f t h en u m b e ro f t h ec o u p l i n gp l a t e s 4 3 6 2i n f l u e n c e s o f t h e h e a t t r a n s f e r a r e a s 4 5 6 3i n f l u e n c e so f t h em i d d l ec o m p o s i t o n 4 6 6 4i n f l u e n c e so f t h ep r o d u c tp u r i t y 4 7 6 4 1i n f l u e n c e so f t h ew a y o f t h ec o u p l i n g 4 8 6 4 2a n a l y s i so f t h ee n e r g ys a v i n g 5 l 6 5c o n c l u s i o n s 5 l c h a p t e r7 c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 5 3 x c o n t e n t s 一_ - 7 1 c o n c l u s i o n s 5 3 7 2p r o s p e c t s 5 3 l i t e r a t u r e c i t e d 5 5 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 9 p a p e r sp u b l i s h e d 6 1 i n t r o d u c t i o no f t u t o ra n d a u t h o r 6 3 x i 北京化工大学硕士学位论文 x h 符号说明 符号说明 传热面积，m 2 气相压力常数，p a 气相压力常数，p a 塔顶净馏出流率，k m 0 1 s - 1 反应物进料流速，k m o l s - 1 侧线采出流率，k m o l s - 1 精馏段液相流速，k m o l s - l 提馏段液相流率，k m o l s - 1 精馏段汽相流速，k m o l s - l 提馏段汽相流率，k m o l s 1 塔釜净流率，k m o l 一 塔板数 主塔塔板数 副塔塔板数 塔内气压，p a 热负荷，k c a l 回流比 温度，k g i l l i l a n d 关联式参数 总换热系数，k w k - i m - - 2 汽相流速，k m o l 一 主塔传递n - - 塔的气体流量与上升气体流量的比值 主塔传递n - - 塔的液相流量与下降液相流量的比值 主塔的第一进料位置 主塔的第二进料位置 副塔的进料位置 主塔底部采出塔板位置 主塔中部采出塔板位置 主塔中部采出塔板位置 进料板之上的理论板数 进料板之下的理论板数 4 如d f s厶一三yy矿吩m p q足丁则u y玢厶归弦订归彤 m 以 北京化工大学硕士学位论文 进料热状况 组分回收率 液相组成 汽相组成 进料组成 希腊字母 a相对挥发度 秒u n d e r w o o d 方程的根 组分彳 组分召 组分c 侧线采出之上 侧线采出之下 最小值 塔l 塔2 塔3 2 e 陟 体彳口c脚一砌j 2 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1精馏过程的现状与发展 近年来，随着工业社会的不断发展壮大，现代生活和生产对能量的需求急速 增加。能源短缺问题日益突出，“节约能源，提高能源利用率已成为现代科学 技术中的一项重大课题，也是过程工业中的关键问题之一【1 1 。2 0 世纪7 0 年代的两 次“石油危机给我们敲响了警钟。节能被作为解决能源短缺问题的手段之一， 现在得到了各国广泛的关注【2 1 。 在工业生产中，能耗最大的是石油化学行业，而石油化学工业中能耗最大者 为分离操作，其中精馏过程能耗占到了主导地位。据统计，在美国一共有4 0 ，0 0 0 多个精馏塔。精馏过程的能耗占全国能耗的3 ，相当于1 2 0 万桶石油。如果从中 节约1 0 ，每年可节省5 亿美元。我国的炼油厂炼油量的8 l o 也会用于炼油 过程的消耗，其中很大一部分消耗于精馏过程【3 】。 精馏过程是一个复杂的传质传热过程，通过对混合液加热建立汽液两相体 系，得到的汽相还要经过冷凝操作，因此精馏操作耗能巨大。但其应用却极为广 泛，涉及石油、化工、医药、食品等行业。因此，对于精馏过程的节能研究是十 分必要且迫切的。一些专家学者也开发出多种精馏节能的途径，并取得了一定的 成果。 ( 1 ) 充分利用精馏系统的热能 在工业生产中，投入系统的能量最终有4 8 的左右变为废热散失于周围环境 之中【5 l ，造成能量的极大浪费。精馏过程热能的充分利用，能降低整个过程对能 量的需求，减少能量的浪费。除了对精馏过程中的设备如精馏塔、再沸器、预热 器、塔顶冷凝器、储罐、泵以及各种管道等才取一定措施外，如何充分利用精馏 过程的余热也是节能中的一个新课题【6 】。因为在精馏操作中，大多是以牺牲能量 进行“过分离”从来获取合格的产品，所以会使精馏操作耗能严重，若对精馏段的 高温物料所携带的热量进行充分的回收利用，还可起到冷凝的作用，因此可减少 塔顶冷凝器冷量的使用量。可以通过提高原料液的焓值或采用汽相进料来减少过 程对能量的需求。其次利用精馏塔的流出液和塔釜液冷却时放出的热量来预热原 料液，可以减少高品位加热蒸汽的消耗量，或者将提馏段放出的热量传递给精馏 段，即将热量进行耦合，这样既可以充分利用精馏过程的余热，同时还可减少塔 顶冷凝器冷量以及塔釜再沸器的热量的使用量。 ( 2 ) 引入添加剂 在体系中加入添加剂，可以改变组分间的相对挥发度，从而实现高效和节能 3 对于塔顶塔底温差较大，或物系沸点较大的系统，可以考虑采用中间再沸器 和中间冷凝器，这也是节约能耗的有效措施。其原理就是使塔内某段的上升蒸汽 部分冷凝或下降液体部分蒸发，降低了过程的不可逆性，对于输入等量的热量， 相应的有效能损失减少，从而减少了塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷。 热偶精馏是一种复杂的精馏过程，其中分离三组元混合物的p e t l y u k 塔研究最 为广泛，与其热力学完全等价的隔离壁精馏塔由于在结构上是将主塔与副塔置于 一个塔壳内，故相比于常规精馏塔，其不仅能降低能耗，也能减少设备投资，故 其在热力学上是最理想的系统结构，由于将主塔引出的液相股流和汽相股流直接 作为副塔塔顶和塔底的回流，即两塔间通过直接换热避免了副塔中使用冷凝器和 再沸器的使用，实现了热量的耦合，大大降低了能耗。但并非所有系统采用改技 术都能够获得较为理想的节能效果，当中间组分的含量较低或操作压力差较大 时，不宜采用热偶精馏技术 z 3 l 。 近年来，我国在塔板和填料等内件技术上有了长足发展，开发了许多新型塔 板和高效填料，如采用高效导向筛板、伞形气帽、新垂直筛板及穿流式浮板等新 型塔板，新型高效规整填料、新型高效散堆填料、阶梯环填料等技术，其效高、 4 第一章绪论 压降低的优点使其在节能方面显示出了卓越的成效。 ( 4 ) 选择适宜的操作条件 精馏过程中回流比对能耗的影响很大，一般来说，增加塔板数，可以减小回 流比，使冷凝器的负荷有较大的降低，但增加塔板数对冷凝器热负荷的降低有一 极限值，过多的增加塔板数并没有好处，反而会大大增加设备投资。因此，一般 权衡设备费用与操作费用，目前在一般蒸馏设计中取回流比为最小回流比的 1 1 1 5 倍【2 4 1 。 精馏塔的操作压力是影响精馏过程能耗的重要因素，同时又是精馏分离过程 的重要参数在条件允许的情况下，改变精馏塔的操作压力，可以达到节能的目的。 一般来讲，降压有利于降低能耗，因为降压可使组分的相对挥发度变大，易于分 离，但对某些低沸点的物系，提高塔压可使冷凝温度提高，从而可利用廉价资源 如水作为冷载体、达到节能的目的。 对于多组分分离，塔的序列有多种选择，不同的排列顺序也会对精馏过程的 热力学效率有较大的影响，在选择分离序列时，应遵循先脱除轻组分，在分离最 难分离的或回收率较高的组分【2 5 】。 在一定的操作条件下，通过改变进料热状况，可取得良好的节能效果，且操 作简单、控制方便、投资费用小，是一种很好的精馏节能措施，总的说来，q 值越 大，也会增大塔的能耗。所以，在能够满足分离要求的前提下，应使进料处在较 d x q 值的热状况，并通过精馏流程的能量集成减小原料的q 值，以达到节能的目的。 另外在保证产品质量的前提下，如果进料中重组分增加，可降低进料口位置，从 而可降低所需的加热热量。 ( 5 ) 热耦合精馏塔 热耦合精馏塔是通过塔的精馏段和提馏段的热量耦合实现精馏塔的无冷凝 器和再沸器操作，从而实现降低能耗的目的。热耦合可分为内部热耦合和外部热 耦合两种技术，其中内部热耦合是通过自身塔的精馏段和提馏段进行热量耦合， 由于是将精馏段释放的能量提高等级以后，用于加热提馏段，故与常规精馏塔相 比，省去了冷凝器和再沸器，大幅的节省了能量及设备投资。外部热耦合精馏塔 不需要使用压缩机，是两个独立塔之间精馏段和提馏段的耦合，很多研究结果表 明，该结构能大幅降低能耗，节省设备投资【2 6 之7 】。 综上所述，多年来，人们一直致力于精馏过程节能降耗的研究，并取得了一 定的成效，如采用新的节能工艺和设备，降低动力能耗，及技术改造等，但这并 未从根本上解决精馏过程巨大的能耗问题，若要实现大幅度地节能，必须优化流 程来实现节能的现实需求。热耦合的概念已经建立了半个多世纪，1 刍b r u g m a 提 北京化工大学硕士学位论文 出热耦合方案以来，就受到化工系统工程领域学者的关注。热偶蒸馏是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 左右。最早的热偶精馏是有p e t l y u k 提出的完全热偶精馏塔，但由于受到当时技术等的限制并没有工业化，但随着计 算机及控制技术的提高，热偶精馏的研究又开始活跃起来，其中隔离壁精馏塔最 为引人注目，因为相比于完全热偶精馏塔，其单塔结构更加节省设备投资，面对 现在越来越高的节能要求，这无疑是成为广大学者研究的焦点。 化工精馏过程的节能优化技术开发一直受到国内外很多学者的重视，但将其 应用于工业实际还需要很长一段时间，这就需要我们建立系统的模拟和分析平 台，以及精馏节能示范装置，为工业化应用的设计和工艺操作提供技术指导。节 能也要进行综合权衡，保证在节能的同时，经济效益达到最优。 1 2隔离壁精馏塔的特点与研究必要性 完全热偶精馏塔虽然在节约能量与节省设备投资上显示了优势，较好地解决 了中间组分在塔内的再混合问题，而且热耦精馏预分塔进入主塔的物料，其组成 能够较好地和主塔进料板上的组成相匹配，符合最佳进料板的要求，这是热偶精 馏塔节能的主要原因，但其内部的四股循环物流却较难控制，很难用于工业实际， 而与其热力学完全等价的隔离壁精馏塔却显示了较好的工业应用前景。隔离壁精 馏塔通过将完全热偶精馏塔的预分馏塔和主分馏塔置于一个塔壳内，又进一步的 节省了设备投资，且进入隔壁两侧的液相流量可以通过加入液体分配器来控制， 气体流量可以通过分隔壁两边的填料高度或分隔壁的形状来控制，在当今技术条 件下，这些控制手段都已成熟，故分隔壁精馏塔已开始工业应用【2 引。 内部热耦合原理已经在精馏塔节能研究中得到了非常广泛的应用，但对于隔 离壁精馏塔的研究大多限于忽略隔板两侧的传热，利用内部热耦合原理对隔离壁 精馏塔进行分析和研究的课题组却很少，但在实际过程中隔板的绝热很难实现， 因此考虑隔离壁精馏塔两侧的传热对实际工业应用也有重要的意义。近年来，随 着对节能要求的提高，且由于控制技术的提高，热耦合精馏方面的研究又趋于活 跃，尤其是理想内部热耦合精馏塔的研究。理想内部热耦合精馏塔节能效果显著， 但是其内部换热的结构问题相对复杂。为此，诸多学者对内部热耦合精馏塔的内 部传热结构展开了研究。上个世纪8 0 年代中期美国研究人员t u n g 等人早在上世 纪8 0 年代中期美国的研究者就开发了板翅式( p l a t e - f i n ) 内部传热结构，但由于难 以提供足够的传热面积，并没有使得内部热耦合精馏塔开发成功。日本的研究人 员n a k a i w a 等人经过多年的努力先后开发了同心圆柱式( s h e l la n dt u b e ) 和多同心 圆柱捆绑式( b i n gt y p eo f s h e l la n dt u b e ) 的传热结构，后者已经在日本丸善石化株 6 第一章绪论 式会社内应用获得了成功。英国的k a e s e ra n dp r i t c h a r d 在2 0 0 5 年提出了一种 位于塔板内部的全新传热结构。随后，针对c 3 分离，o l u j i c 等人提出了一种热 交换屏( h e a t 仃a n s f e rp a n e l ：h t p ) 式传热结构，该结构虽然比塔板内部传热结构 有着较大的传热面积。 因此将内部热耦合原理应用于隔离壁精馏塔的研究不仅考虑它的节能效益， 还对它实际工业应用有重要的意义。 1 3论文结构 在这篇文章中，我们以提高隔离壁精馏塔的热力学效率为目的，运用了 m a t h e m a t i c a 数学软件，对三组分隔离壁精馏塔进行了模拟与设计，然后探讨了 水平传热的几个影响因素，以达到在工业上精馏过程中能减小能耗、减小投资费 用。 论文第一章为绪论部分。概括的介绍了本文研究的背景：精馏过程的现状与 发展方向，以及本文的研究目的：隔离壁精馏塔的特点与在工业上运用的节能优 势。 第二章介绍了隔离壁精馏塔的工作原理。具体介绍了其塔内的结构，分析了 与别的精馏塔结构上的区别及优势所在。阐述了隔离壁精馏塔三组分进料的分离 过程，以及发展前景和实际工业上的应用。 第三章介绍了隔离壁精馏塔的水平传热原理。从热力学结构和水平热耦合两 个方面进行了分析。通过隔离壁精馏塔热耦合温度曲线的分析，得到了水平热耦 合对隔离壁精馏塔的影响。 第四章运用三塔简洁模型对隔离壁精馏塔进行简捷设计。通过自由度的分 析，确定了中间组分的最优区间，理论塔板数和进料板位置。得到了三组分简捷 设计的初值。 第五章对三组分隔离壁精馏塔通过数学模型进行了严格模拟和优化设计。本 章首先建立了模型的假设条件，然后描述了精馏过程。其次对模型求解，通过变 量分析，对隔离壁精馏塔寻优得到模型最终的结果。 第六章为本文重点。分析了不同的因素对隔离壁精馏塔水平热耦合的影响。 从耦合塔板数、耦合面积、及挥发度等六个方面对隔离壁精馏塔水平热耦合进行 了探讨。最后根据仿真得到的数据对该方案进行分析和评价。 第七章系统的总结了本文得到的结论和研究成果。指出了对隔离壁精馏塔三 组分进料水平热耦合分析得到的进展，以及节能情况。同时也提出了在研究中仍 有待解决的问题和将来的研究方向。 7 北京化工大学硕士学位论文 8 第二章隔离壁精馏塔过程简析 第二章隔离壁精馏塔过程简析 2 1隔离壁精馏塔的发展前景与实际工业应用 由于隔离壁精馏塔与热耦精馏塔分离具有相同的原理及计算方法，所以隔离 壁精馏塔在热力学上等同于一个p c t l y u k 塔，但是隔离壁精馏塔在结构上把两个塔 结合起来比热耦精馏塔少一座精馏塔及相关的设置，所以投资及占地面积比热耦 精馏塔少，大约能节约3 0 的投资费用1 2 9 1 。因此我们可以将隔离壁精馏塔归为热 耦精馏塔的特例，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。隔离壁精馏塔与热耦精馏分离及其传统精塔的流程比 较见表2 1 。 表2 1 精馏塔类型及设备经济分析表 t a b 2 - 1e c o n o m i ca n a l y s i so fd i s t i l l a t i o nc o l u m na r r a n g e m e n t sw i t ho n eo rt w ot o e w e s 由表2 1 可知，同样分离三组分物质，以传统精馏塔为例，热耦合精馏塔与 隔离壁精馏塔的能耗和投资均有减少，但是隔离壁精馏塔在投资上更有优势。 1 9 3 3 年，e r i cw l u s t e r 因裂解气分离提出隔离壁精馏塔的概念，并申请了 美国专利u s1 9 1 5 6 8 1 3 0 j 。国外的隔离壁精馏塔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，隔离壁精馏塔 未能实现工业应用。随着科学及计算机技术的发展，这已不再是我们需要解决的 主要问题，特别是经济危机的出现以及环保的要求，反而使隔离壁精馏塔的节能 成为我们首要考虑的因素，2 0 世纪8 0 年代初，德m b a s f ( i 卫, 斯夫) 公司首次将此 项技术应用于工业生产q 丁( m o n t z 公司塔内件) ，世界化工巨头如凯洛格公司、 k y o w ay u k a 公司、住友重工等纷纷开始采用此项技术( 见表2 2 ) 【3 l 】，随后6 0 多座 隔离壁精馏塔在巴斯夫公司或其授权下投入工业使用中。据统计，2 0 0 0 年时全世 界隔离壁精馏塔工业化塔器不足2 0 座，且多为巴斯夫公司建设和操作，到目前为 止，投入到实际工业使用中的隔离壁精馏塔已达到了1 0 0 多座，其中绝大部分属 于巴斯夫公司，少数为其它公司建造，但也由巴斯夫公司提供技术支持。 目前我国对隔离壁精馏塔的研究还处在初级阶段，相关的研究文章很少，且 9 北京化工大学硕十学位论文 没有将隔离壁技术应用于实际工业的报道。考虑到我国能耗的现状以及技术的相 对落后，d w c 在我国的研究和应用具有重大的意义【3 2 1 。 表2 - 2 隔离壁精馏塔技术应用情况 t a b 2 - 2a p p l i c a t i o n so fd i v i d i n g - w a l lc o l u m nt e c h n i q u e s 隔离壁精馏塔的应用非常广泛，它们可以应用于对纯度要求不高的如溶剂回 收中，也可以应用于对纯度要求很高的系统中，其杂质可控制在p p b 级别。操作 压力可从2 m b a r 蛰j 1 0 b a r 。在b a s f 公司，隔离壁精馏塔的塔径在0 6 4 m 之间，除 巴斯夫公司外，还有更大的隔离壁精馏塔，其中l i n d e 在s a s o l 建造了一座高6 5 5 m ， 直径为4 5 m 的用于分离1 辛烯的隔离壁精馏塔，其内部装有双溢流分子筛板。另 一个l i n d e 在s a s o l 建造的精馏塔高达1 0 7 m ，直径5 m ，是目前为止最大的隔离壁精 馏塔。 德国拜耳( b a y e r ) 公司在隔板精馏技术领域一直处于世界领先地位【3 3 】。拜耳 技术服务有限公司建立并运行了l 套隔板精馏塔实验室装置。 b a s f 公司开发了一套新型隔离壁精馏塔，用于丁二烯生产，其将萃取精馏 塔与隔离壁精馏塔联合起来，其中隔板位于精馏塔的下段。 当我们看到如此之多的专利被运用在隔离壁精馏塔上的时候，我们怎么能不 为之心动。这更加激起了我们去探索隔离壁精馏塔节能原理的兴趣 3 8 1 。 现在k a i b e l 和a g r a w a l 等人已将隔离壁精馏塔意应用于四组分甚至更多组分 的分离过程，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。作为e u 工程的一部分，s a n d e r ： $ 反应隔离壁精馏塔应用于实验室模拟 研究，且醋酸甲酯水解分离醋酸甲酯和甲醇混合物以实现了工业应用，反应精馏 塔采用催化剂填料。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【柏】，与实验室的平衡 模型和基于速率的模拟结果数据相比，平衡机模型能够充分的描述该过程。 m u l l e r 和k 肌i g 采用非平衡模型将过渡反应应用于反应隔离壁精馏塔，并考虑隔 离壁精馏塔两边的热量传递。 我国在隔离壁精馏塔的研究与实际应用问题上与国外有着明显的差距，严重 1 0 第二章隔离壁精馏塔过程简析 制约着我国化学工业的可持续性发展和绿色化学工业的推进。隔离壁精馏塔作为 实现上述目标的一个潜在手段，系统化地研究其设计与操作问题无疑具有深远和 重要的意义。 2 2隔离壁精馏塔的原理 2 2 1隔离壁精馏塔的结构 对于n 元混合物的分离，理论上需要n - 1 个精馏塔进行操作，而且每个塔都设 置塔顶冷凝器和塔底再沸器( 某些特殊类型的塔除外，如汽提塔没有再沸器) t 4 0 j 。 因此，对于三组分混合物的分离来说，需要两个塔才能完成分离任务，因为通常 来说，采用一个带有侧线采出的塔进行分离时，中间组分的纯度往往达不到要求。 多塔操作涉及多种塔序，传统的分离3 组分的精馏塔有常规直接序列和常规间接 序列两种塔序，在常规直接序列( 图2 1 ) 中，混合物从第一个塔进入，沸点较低的 轻组分a 在塔顶被回收，而塔底产物b 和c 作为进料进入下一个塔，中间组分b 作 为精馏产物在第二个塔的塔顶回收，沸点较高的重组分c 则在塔底被回收。如果 从第二个塔引出一股侧线物料返回到第一个塔的塔底，其效果相当于回流，故第 一个塔可省去一个再沸器，通过调整，其结