（化学工程专业论文）热耦蒸馏技术及工业应用研究.pdf

摘 要 摘要 蒸馏是石油和化学工业中 应用最广泛的分离技术，但蒸馏分离的能耗巨大、热力学 效率低。 因此， 蒸馏过程节能是蒸馏研究的一个重要课题。 蒸馏过程节能的途径有多种， 其中热祸蒸馏是多组分混合物分离时最有吸引力的分离方式。 热祸蒸馏是2 0 世纪4 0 - 5 0 年代提出的新型蒸馏技术， 与常规的简单蒸馏比 较， 热 力学效率大大提高，既可以降低能耗，又可以减少设备投资。 但其构造复杂，主塔与预 分塔之间通过连接物流相互藕合， 这样比简单塔自由 度多， 设计计算、操作、控制等都 困难，因此从推出概念到得到实际应用， 经历了相当长的时间， 直到2 0 世纪9 0 年代初 才有实际工业应用的例子。 热祸蒸馏塔的设计方法主要有简化法和严格法， 目 前的设计已 逐渐从当初的简化法 发展到采用严格算法，由于待定的参数比较多， 严格设计很困难。 处理方法往往是从简 化法出发， 然后对整个复杂蒸馏塔进行严格模拟和优化。 经过深入分析本研究认为， 当 热祸蒸馏塔的互连物流的流量和进出塔的位置确定以后， 其预分塔和主塔就可以分别看 作两个简单的蒸馏塔处理，然后按照简单塔的逐板计算法进行严格模拟，完全适合用 a s p e n p l u s、 p r o m, h y s i s 等商用模拟软件进行模拟。 如此 热藕蒸馏的主塔和预分 塔之间互连物流的位置和流量的选择，是设计成功的关键。 本研究在模拟计算了一系列混合物的热祸蒸馏分离结果之后， 得出了热祸蒸馏塔的 互连物流的流量和进出 塔的位置确定的经验规则， 使热祸蒸馏塔的设计、 模拟和优化得 以实现，改变了当前热藕蒸馏塔难于计算的现状。 热祸蒸馏有一定的适用范围。在研究了一系列混合物后得出，热祸蒸馏适应于轻组 分与中间组分的相对挥发度和中间组分与重组分的相对挥发度比较接近的混合物， 或中 间组分含量比较高且中间组分产物的纯度要求相对低于轻重组分产物纯度的情况。 采用模拟手段， 用热祸蒸馏技术改造现有的工业生产实际工艺流程， 并取得较好的 结果。实例1 是液化天然气分离， 将原来的常规蒸馏分离序列改造为热祸蒸馏工艺后， 比原来减少能耗2 1 %。年处理能力3 0 万吨 ( 脱丙烷后)的装置，每年可增加经济效益 3 6 6 万元。实例2 首次将热拐蒸馏技术推广到催化裂化装置吸收稳定系统，用热祸蒸馏 塔代替原来常规工艺中的吸收塔、 解吸塔、 再吸收塔和稳定塔四个塔， 使流程大为简化。 模拟结果显示， 新流程使年处理能力1 2 0 万吨的催化裂化装置的吸收稳定系统减少了能 耗6 .6 %左右， 每年节约操作费用达2 1 9 万元。 催化裂化装置是我国炼油工业数量最多、 总生产能力达 1 亿吨的重要装置。 因此， 这些模拟改造后的新流程具有较好的应用前景， 值得今后推广工业化应用。 华南理工大学博士学位论文 本研究的另外一个重要内 容是将热祸蒸馏技术从分离三组分混合物推广到很多组 分的混合物的分离和包括吸收、 解吸和蒸馏操作的复杂工艺流程. 吸收稳定系统处理的 物料有烃类混合物、 非烃类混合物和石油馏份， 仅烃类和就有非烃类十几个组分， 石油 馏份 ( 采用虚拟组分进行计算)总计组分数达 4 0个。吸收稳定系统热祸蒸馏工艺的模 拟成功，证明可以 用热祸蒸馏塔分离很多组分的复杂混合物。吸收稳定系统包括吸收、 解吸和蒸馏等复杂分离过程， 这些过程相互千扰， 而且处理的混合物组分多、相平衡关 系复杂， 本身热祸蒸馏塔比 常规蒸馏塔结构复杂， 模拟计算非常困 难， 其模拟成功对热 祸蒸馏塔今后的模拟工作、拓展其应用领域和推广其实际工业化应用有很大的指导意 义。 关键词蒸馏， 热祸蒸馏，模拟，节能，吸收稳定系统. 摘 要 abs trac t d i s t i l l a t i o n i s t h e m o s t w i d e l y u s e d s e p a r a t i o n t e c h n o l o g y i n c h e m i c a l a n d p e t r o c h e m i c a l i n d u s t r i e s , b u t i t s m a j o r d r a w b a c k i s i n t e n s i v e e n e r g y c o n s u m p t i o n a n d l o w t h e r m o d y n a m i c e f f i c i e n c y . t h e n e n e r g y s a v i n g i s a n i m p o r t a n t r e s e a r c h s u b j e c t f o r c o n v e n t i o n a l d i s t i l l a t i o n . s e v e r a l e n e r g y s a v i n g m e a s u r e s h a v e b e e n p r o p o s e d a n d t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n i s o n e o f t h e m o s t a t t r a c t i v e a l t e r n a t i v e t o c o n v e n t i o n a l d i s t i l l a t i o n c o n s e q u e n c e s f o r t h e s e p a r a t i o n o f m u l t i - c o m p o n e n t m i x t u r e s . f u l l y t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n i s a n e w t y p e o f d i s t i l l a t i o n t e c h n o l o g y c o n c e i v e d i n t h e 1 9 4 0 -1 9 5 0 s , a n d i t w a s r e p o r t e d t h a t i t w a s m o r e e n e r g y - e f f i c i e n t t h a n i t s c o n v e n t i o n a l c o u n t e r p a r t s a n d c a n s a v e 2 0 -5 0 % e n e r g y c o n s u m p t i o n a n d c a p i t a l c o s t . d u e t o i t s c o m p l e x c o n f i g u r a t i o n i n w h i c h t h e p r e f r a t i o n a t o r a n d t h e m a i n t o w e r i s c o u p l e d t h r o u g h d r a w o f f f l o w s , i t h a s m o r e d e g r e e o f f r e e d o m a n d i t s d e s i g n , o p e r a t i o n a n d c o n t r o l a r e d i f f i c u l t t o u n d e r s t a n d . t h e r e f o r e i t s a p p l i c a t i o n t o i n d u s t r y h a s c o m e a l o n g w a y a n d w a s n o t r e a l i z e d u n t i l t h e e n d o f 1 9 8 0 s : t h e r e a r e 2 m e t h o d s f o r t h e d e s i g n o f t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n c o l u m n s , t h e s h o r t c u t m e t h o d a n d t h e r i g o r o u s m e t h o d . s o f a r i t s d e s i g n h a s b e e n d e v e l o p e d f r o m s h o r t c u t m e t h o d t o r i g o r o u s m e t h o d , b u t t h e l a t t e r h a s d i f f i c u l t t o d e c i d e t h e m a n y u n k n o w n v a r i a b l e s . h e n c e t h e m a i n m e t h o d i s t o s t a r t f r o m s h o r t c u t d e s i g n , t h e n s i m u l a t e a n d o p t i m i z e t h e c o m p l e x c o l u m n a s a w h o l e . u p o n c a r e f u l a n a l y s i s , i t i s c o n c l u d e d t h a t w h e n t h e d r a w o f f s t a g e s a n d f l o w r a t e s a r e d e c i d e d , t h e p r e f r a c t i o n a t o r a n d t h e m a i n c o l u m n c a n b e r e g a r d e d a s 2 s i m p l e c o l u m n s a n d c a n b e e a s i l y s i m u l a t e d w i t h r i g o r o u s m o d e l o f d i s t i l l a t i o n u s i n g c o m m e r c i a l s o f t w a r e s l i k e a s p e n p l u s , p r o / i i a n d h y s i s , t h e c h o i c e o f d r a w o f f s t a g e s a n d f l o w r a t e s b e i n g t h e k e y f a c t o r f o r t h e s u c c e s s o f d e s i g n a n d s i m u l a t i o n . i n t h i s s t u d y e 呻i r i c a l e q u a t i o n s h a v e b e e n e s t a b l i s h e d t o e s t i m a t e t h e d r a w o f f s t a g e s a n d f l o w r a t e s , w h i c h m a k e t h e d e s i g n a n d s i m u l a t i o n e a s y a n d a v a i l a b l e . f u l l y t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n h a s i t s r a n g e o f u t i l i t y . i t w a s e s t a b l i s h e d t h r o u g h t h i s s t u d y t h a t t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n i s s u i t e d t o t h e s e p a r a t i o n o f m i x t u r e s t h a t t h e r e l a t i v e v o l a t i l i t y o f l i g h t c o m p o n e n t m 华南理工大学博士学位论文 t o m i d d l e c o m p o n e n t i s c l o s e t o t h a t o f m i d d l e c o m p o n e n t t o h e a v y c o m p o n e n t o r t h e c o m p o s i t i o n o f m i d d l e c o m p o n e n t i s m u c h h i g h e r t h a n o t h e r c o m p o n e n t s . t h e t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n t e c h n o l o g y h a s b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o r e t r o f i t t h e e x i s t i n g i n d u s t r i a l s e p a r a t i o n c a s e s . o n e i s t h e s e p a r a t i o n o f l i q u e f i e d n a t u r a l g a s e s , i n w h i c h t h e c o n v e n t i o n a l d i s t i l l a t i o n c o n s e q u e n c e s f o r t h e s e p a r a t i o n o f i s o - b u t a n e , n - b u t a n e a n d c 5 + h a s b e e n r e a r r a n g e d t o a f u l l y t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n c o l u m n a n d 2 1 % e n e r g y s a v i n g c a n b e a c h i e v e d . f o r a 3 0 t / a s y s t e m , 3 . 6 6 m i l l i o n y u a n ( r m b ) o f o p e r a t i n g c o s t c a n b e s a v e d . c a s e 2 i s t h e v a p o r r e c o v e r y u n i t o f f l u i d c a t a l y t i c c r a c k i n g u n i t ( f c c u ) , w h i c h w a s s i m p l i f i e d b y u t i l i z i n g a f u l l y t h e r m a l l y c o u p l e d c o l u m n t o r e p l a c e a l l t h e 4 c o l u m n s o f a b s o r b e r , d e s o r b o r , s t a b i l i z e r a n d r e - a b s o r b e r . f o r a f c c u o f 1 2 0 t / a c a p a c i t y , t h e e n e r g y s a v i n g a n d n e t p r o f i t i n c r e a s e a r e 6 . 6 % a n d 2 . 1 9 m i l l i o n y u a n ( r m b ) ，r e s p e c t i v e l y . i n c h i n a t h e o v e r a l l a n n u a l c a p a c i t y o f f c c u n i t s i s 1 0 0 m i l l i o n t o n s , s o t h e n e w f l o w s h e e t i s p r o f i t a b l e t o p r o p a g a t e . f u l l y t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n c a n b e e x t e n d e d t o t h e a p p l i c a t i o n o f m a n y - c o m p o n e n t m i x t u r e s , s u c h a s t h a t i n f c c u . f u l l y t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n w a s o r i g i n a l l y u s e d t o t r e a t t e r n a r y m i x t u r e s , h o w e v e r t h e r e a r e a b o u t 4 0 c o m p o n e n t s i n m i x t u r e s f r o m f c c u , i n c l u d i n g h y d r o c a r b o n s a n d p s e u d o c o m p o n e n t s o f o i l d i s t i l l a t e s . t h e s u c c e s s s i m u l a t i o n o f t h e n e w f l o w s h e e t h a s p r o v e d t h a t f u l l y t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n c a n b e u s e d t o t r e a t c o m p l e x m u l t i - c o m p o n e n t m i x t u r e s . f o r t h i s n e w t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n c o l u m n , w h i c h t r e a t s m a n y c o m p o n e n t s a n d c o m p l e t e s t h e a b s o r p t i o n , d e - s o r p t i o n a n d d i s t i l l a t i o n o p e r a t i o n s i n i t s c o l u m n , n o t m e n t i o n i n g t h e c o u p l i n g i n i t s c o n f i g u r a t i o n , i t i s v e r y h a r d t o s i m u l a t e . t h e r e f o r e i t s s u c c e s s f u l s i m u l a t i o n c a n b e i m p o r t a n t f o r t h e s i m u l a t i o n t e c h n i q u e o f p e t l y u k c o l u m n a n d p r o p a g a t i n g i t s a p p l i c a t i o n t o n e w i n d u s t r i a l p r o c e s s e s . k e y w o r d s : d i s t i l l a t i o n ; f u l l y t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n ; s i m u l a t i o n ; e n e r g y - s a v i n g ; v a p o r r e c o v e r y u n i t o f f l u i d c a t a l y t i c c r a c k i n g u n i t n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内 容外， 本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体， 均己 在文中以明确方式标明。 本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日 期 :口 华 年/ 2 月 刁 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华南理工大学可以 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。 保密口，在 _ 本 学 位 论 文 属 于/ 不保密回。 年解密后适用本授权书。 ( 请在以上相应方框内打 “ v ) 作 者 签 名 : 各 扫 日 期 : 0 t 年 价 月 习日 导 师 签 “ :厂 渗14 7 日 期 : 钾 年 0 -2e 符号说明 符 号 说 明 a b c d e s t e x f h h k k l l k m k n p q r s t t v v w x 轻组分;常数 中间组分;常数 重组分;常数 塔顶馏分 分离指数 有效能 进料 焙 重关键组分 相平衡常数 液相物流 轻关键组分 中间关键组分 塔板数 压力 热负荷 回流比 嫡 增量 温度 气相物流 混合物中气相分率 塔釜馏分 液相浓度或摩尔分数 气相浓度或摩尔分数 相对挥发度 中间组分分配率 热力学效率;节能效果;校正系数; 校正系数 校正系数 校正系数 微分 华南理工大学博士学位论文 下标 1 2 a b c c j l k m k p e t r 塔 1 或预分塔 塔 2 或主塔 轻组分 中间组分 重组分 塔顶冷凝器 重关键组分 分率 组分序数 塔板序数 轻关键组分 中间关键组分 p e t l y u k ，即热祸蒸馏塔 塔釜再沸器 hk厂1 第一章 绪论 第一章 绪论 蒸馏是利用混合物中各组分沸点或挥发度的不同而分离混合物中各组分的单元操 作。由 于生产实际的需要和科学技术的进步， 常规蒸馏技术己获得了很大的发展，己具 有相当成熟的工程设计经验和一定的理论基础， 成为当代工业应用最广泛的分离技术之 随着石油化工、化学工业、环境化工等领域的不断发展和壮大， 蒸馏分离过程的大 处理量、 连续化操作的优势得以充分发挥。 但蒸馏分离是以能耗作为分离的代价，能耗 巨大。 对于一个蒸馏装置，再沸器中需要供给热量， 而在冷凝器中又要把热量移去， 通 常加给装置的热量9 5 %以上被冷剂所带走， 而只有不到5 %的热量被有效地利用了。 这 样， 大型工业化生产过程中，蒸馏就成了能耗最大的系统之一。 据不完全估计， 化工工 艺过程中绝大部分的能耗用于分离， 而分离过程的能耗中蒸馏所占比 例约为9 5 % 1 1 , 2 1 . 因 此，长期以 来，在达到产品分离要求的同时又能降低能耗是蒸馏过程研究和开发 的主要目 标。 1 . 1 常规蒸馏的节能措施 从能量的本质看， 蒸馏过程是将物理有效能转化为扩散有效能， 同时伴随着物理有 效能的降价损失。蒸馏过程有效能损失是由下列过程的不可逆性引起的。 一是流体流动 的压降; 二是不同浓度物流间的传质或混合; 三是不同温度物流间的传热或混合。 浓差、 温差及压差是质量、热量和动量传递的推动力，推动力越大，则不可逆性也越大， 有效 能的损失也随之增大。 所以， 减小有效能的损失， 关键在于减小推动力。 但只有有了推 动力，蒸馏过程才能得以进行。因此， 必须考虑实际情况及综合各种因素，由此给出具 体措施。 对于 常规蒸馏过程，目 前己 研究 开发了 多 项节能 措施 - 7 i ， 主要 有如下 几个方面: 1 )减少蒸馏过程本身的能量需求，如减少回流比 设计阶段就按照节能观点进行蒸馏塔的设计。 如果设备投资相对比 较低， 在达到分 离要求的前提下，可增加蒸馏塔的板数和塔高，从而减少回流比以减少能耗。 2 )按照热力学第一定律，充分回收与利用蒸馏过程中的热能 塔釜产物的温度比较高，或如果塔顶馏分温度较高，其热能可进一步利用。 这种能量综合利用往往要进行能量集成。 例如， 如果工艺过程中有多个蒸馏塔操作， 则可合理安排这些塔的顺序，以利用蒸馏塔之间操作压力的不同，由 压力高的塔顶蒸汽 依次向相邻低压塔的再沸器提供热源，塔顶蒸汽的冷凝潜热被蒸馏系统自 身回收利用。 第一章 绪论 第一章 绪论 蒸馏是利用混合物中各组分沸点或挥发度的不同而分离混合物中各组分的单元操 作。由 于生产实际的需要和科学技术的进步， 常规蒸馏技术己获得了很大的发展，己具 有相当成熟的工程设计经验和一定的理论基础， 成为当代工业应用最广泛的分离技术之 随着石油化工、化学工业、环境化工等领域的不断发展和壮大， 蒸馏分离过程的大 处理量、 连续化操作的优势得以充分发挥。 但蒸馏分离是以能耗作为分离的代价，能耗 巨大。 对于一个蒸馏装置，再沸器中需要供给热量， 而在冷凝器中又要把热量移去， 通 常加给装置的热量9 5 %以上被冷剂所带走， 而只有不到5 %的热量被有效地利用了。 这 样， 大型工业化生产过程中，蒸馏就成了能耗最大的系统之一。 据不完全估计， 化工工 艺过程中绝大部分的能耗用于分离， 而分离过程的能耗中蒸馏所占比 例约为9 5 % 1 1 , 2 1 . 因 此，长期以 来，在达到产品分离要求的同时又能降低能耗是蒸馏过程研究和开发 的主要目 标。 1 . 1 常规蒸馏的节能措施 从能量的本质看， 蒸馏过程是将物理有效能转化为扩散有效能， 同时伴随着物理有 效能的降价损失。蒸馏过程有效能损失是由下列过程的不可逆性引起的。 一是流体流动 的压降; 二是不同浓度物流间的传质或混合; 三是不同温度物流间的传热或混合。 浓差、 温差及压差是质量、热量和动量传递的推动力，推动力越大，则不可逆性也越大， 有效 能的损失也随之增大。 所以， 减小有效能的损失， 关键在于减小推动力。 但只有有了推 动力，蒸馏过程才能得以进行。因此， 必须考虑实际情况及综合各种因素，由此给出具 体措施。 对于 常规蒸馏过程，目 前己 研究 开发了 多 项节能 措施 - 7 i ， 主要 有如下 几个方面: 1 )减少蒸馏过程本身的能量需求，如减少回流比 设计阶段就按照节能观点进行蒸馏塔的设计。 如果设备投资相对比 较低， 在达到分 离要求的前提下，可增加蒸馏塔的板数和塔高，从而减少回流比以减少能耗。 2 )按照热力学第一定律，充分回收与利用蒸馏过程中的热能 塔釜产物的温度比较高，或如果塔顶馏分温度较高，其热能可进一步利用。 这种能量综合利用往往要进行能量集成。 例如， 如果工艺过程中有多个蒸馏塔操作， 则可合理安排这些塔的顺序，以利用蒸馏塔之间操作压力的不同，由 压力高的塔顶蒸汽 依次向相邻低压塔的再沸器提供热源，塔顶蒸汽的冷凝潜热被蒸馏系统自 身回收利用。 华南理工大学博士学位论文 另外，也可利用本身生产过程中其它设备所副产的热能或其它生产过程所副产的热能， 为蒸馏设备提供热源，减少能耗和成本。 3 )按照热力学第二定律， 提高蒸馏过程的热力学效率， 如增设中间再沸器和中间 冷 凝器、热泵蒸馏、热藕蒸馏等。 中间再沸是在蒸馏塔的提馏段抽出一股料液， 利用中间再沸器加热使之全部或部分 汽化成为蒸汽，然后返回塔内。这样可以采用比塔釜再沸器加热介质温度更低的热源， 可充分利用生产过程中产生的低品位热能，降低能耗。 同理，中间冷凝是在精馏段抽出气体或液体，以利用较高温位的冷却介质。 而热泵蒸馏则是通过压缩机将塔顶的低温位气体加压， 使其提高到可以被利用的温 度，然后作为塔釜的加热热源。 石油、 化工生产过程中， 往往是对多组分混合物分离得到多种产物。 一般根据混合 物中各组分之间挥发度的差异， 按照一定顺序采用多个常规塔对混合物进行分离。 这时， 流程优化是重要的节能措施。 如果各塔之间操作压力差别比较大， 则可合理安排这些塔 的排列顺序，以进行塔之间的能量集成，如采用多效蒸馏方式，以高压塔的塔顶蒸汽加 热低压塔的塔釜， 从而合理利用热能， 减少能耗。 但这种能量集成很受工艺过程的限制。 另外一条重要途径就是用复杂塔代替常规塔 ( 普通塔) ，如果常规塔之间以往返的物流 进行连接，则热祸合在一起形成热祸蒸馏塔。热祸蒸馏比常规的蒸馏更接近可逆状态， 热 力学 效率 更高， 比 常 规 蒸 馏 流 程 大 量 减 少能 耗， 理论 研 究 证明 可 减 少2 0 - 5 0 % 8 - 1 2 . 因此，成为近年来研究的热点。 1 . 2 热藕蒸馏 1 . 2 . 1 热祸蒸馏的结构形式 以三组分混合物分离得三产物为例， 热祸蒸馏方案根据热祸合的程度不同可分为部 分热祸合蒸馏 ( 包括侧线精 馏和侧线提馏) 和全热 祸蒸 馏 ( 分为p e t l y u k 和立式隔 板 蒸 馏 塔 ) ii2- ls i 1 ) 侧线精馏塔( s i d e r e c t i f i e r ) 侧线精馏塔是由 主塔和侧线精馏段组成的系统，即从主塔中中间组分浓度最高处引 出气相物流进入侧线精馏段，由侧线精馏段此分离出中间组分， 剩余物料返回主塔， 而 主塔分离混合物在塔顶和塔底分别得到易挥发组分产物和难挥发组分产物。简记为 s r ( 图 1 - 1 ) 2 ) 侧线提馏塔( s i d e s t r i p p e r ) 侧线精馏塔是由主塔和侧线提馏段组成的系统，即从主塔中中间组分浓度最高处引 华南理工大学博士学位论文 另外，也可利用本身生产过程中其它设备所副产的热能或其它生产过程所副产的热能， 为蒸馏设备提供热源，减少能耗和成本。 3 )按照热力学第二定律， 提高蒸馏过程的热力学效率， 如增设中间再沸器和中间 冷 凝器、热泵蒸馏、热藕蒸馏等。 中间再沸是在蒸馏塔的提馏段抽出一股料液， 利用中间再沸器加热使之全部或部分 汽化成为蒸汽，然后返回塔内。这样可以采用比塔釜再沸器加热介质温度更低的热源， 可充分利用生产过程中产生的低品位热能，降低能耗。 同理，中间冷凝是在精馏段抽出气体或液体，以利用较高温位的冷却介质。 而热泵蒸馏则是通过压缩机将塔顶的低温位气体加压， 使其提高到可以被利用的温 度，然后作为塔釜的加热热源。 石油、 化工生产过程中， 往往是对多组分混合物分离得到多种产物。 一般根据混合 物中各组分之间挥发度的差异， 按照一定顺序采用多个常规塔对混合物进行分离。 这时， 流程优化是重要的节能措施。 如果各塔之间操作压力差别比较大， 则可合理安排这些塔 的排列顺序，以进行塔之间的能量集成，如采用多效蒸馏方式，以高压塔的塔顶蒸汽加 热低压塔的塔釜， 从而合理利用热能， 减少能耗。 但这种能量集成很受工艺过程的限制。 另外一条重要途径就是用复杂塔代替常规塔 ( 普通塔) ，如果常规塔之间以往返的物流 进行连接，则热祸合在一起形成热祸蒸馏塔。热祸蒸馏比常规的蒸馏更接近可逆状态， 热 力学 效率 更高， 比 常 规 蒸 馏 流 程 大 量 减 少能 耗， 理论 研 究 证明 可 减 少2 0 - 5 0 % 8 - 1 2 . 因此，成为近年来研究的热点。 1 . 2 热藕蒸馏 1 . 2 . 1 热祸蒸馏的结构形式 以三组分混合物分离得三产物为例， 热祸蒸馏方案根据热祸合的程度不同可分为部 分热祸合蒸馏 ( 包括侧线精 馏和侧线提馏) 和全热 祸蒸 馏 ( 分为p e t l y u k 和立式隔 板 蒸 馏 塔 ) ii2- ls i 1 ) 侧线精馏塔( s i d e r e c t i f i e r ) 侧线精馏塔是由 主塔和侧线精馏段组成的系统，即从主塔中中间组分浓度最高处引 出气相物流进入侧线精馏段，由侧线精馏段此分离出中间组分， 剩余物料返回主塔， 而 主塔分离混合物在塔顶和塔底分别得到易挥发组分产物和难挥发组分产物。简记为 s r ( 图 1 - 1 ) 2 ) 侧线提馏塔( s i d e s t r i p p e r ) 侧线精馏塔是由主塔和侧线提馏段组成的系统，即从主塔中中间组分浓度最高处引 华南理工大学博士学位论文 另外，也可利用本身生产过程中其它设备所副产的热能或其它生产过程所副产的热能， 为蒸馏设备提供热源，减少能耗和成本。 3 )按照热力学第二定律， 提高蒸馏过程的热力学效率， 如增设中间再沸器和中间 冷 凝器、热泵蒸馏、热藕蒸馏等。 中间再沸是在蒸馏塔的提馏段抽出一股料液， 利用中间再沸器加热使之全部或部分 汽化成为蒸汽，然后返回塔内。这样可以采用比塔釜再沸器加热介质温度更低的热源， 可充分利用生产过程中产生的低品位热能，降低能耗。 同理，中间冷凝是在精馏段抽出气体或液体，以利用较高温位的冷却介质。 而热泵蒸馏则是通过压缩机将塔顶的低温位气体加压， 使其提高到可以被利用的温 度，然后作为塔釜的加热热源。 石油、 化工生产过程中， 往往是对多组分混合物分离得到多种产物。 一般根据混合 物中各组分之间挥发度的差异， 按照一定顺序采用多个常规塔对混合物进行分离。 这时， 流程优化是重要的节能措施。 如果各塔之间操作压力差别比较大， 则可合理安排这些塔 的排列顺序，以进行塔之间的能量集成，如采用多效蒸馏方式，以高压塔的塔顶蒸汽加 热低压塔的塔釜， 从而合理利用热能， 减少能耗。 但这种能量集成很受工艺过程的限制。 另外一条重要途径就是用复杂塔代替常规塔 ( 普通塔) ，如果常规塔之间以往返的物流 进行连接，则热祸合在一起形成热祸蒸馏塔。热祸蒸馏比常规的蒸馏更接近可逆状态， 热 力学 效率 更高， 比 常 规 蒸 馏 流 程 大 量 减 少能 耗， 理论 研 究 证明 可 减 少2 0 - 5 0 % 8 - 1 2 . 因此，成为近年来研究的热点。 1 . 2 热藕蒸馏 1 . 2 . 1 热祸蒸馏的结构形式 以三组分混合物分离得三产物为例， 热祸蒸馏方案根据热祸合的程度不同可分为部 分热祸合蒸馏 ( 包括侧线精 馏和侧线提馏) 和全热 祸蒸 馏 ( 分为p e t l y u k 和立式隔 板 蒸 馏 塔 ) ii2- ls i 1 ) 侧线精馏塔( s i d e r e c t i f i e r ) 侧线精馏塔是由 主塔和侧线精馏段组成的系统，即从主塔中中间组分浓度最高处引 出气相物流进入侧线精馏段，由侧线精馏段此分离出中间组分， 剩余物料返回主塔， 而 主塔分离混合物在塔顶和塔底分别得到易挥发组分产物和难挥发组分产物。简记为 s r ( 图 1 - 1 ) 2 ) 侧线提馏塔( s i d e s t r i p p e r ) 侧线精馏塔是由主塔和侧线提馏段组成的系统，即从主塔中中间组分浓度最高处引 第一章 绪论 出液相物流进入侧线精馏段，由此分离出中间组分，同时主塔得到易挥发组分产物和难 挥发组分产物。简记为s s( 图1 - 2 ) 3 ) 立式隔板蒸馏塔 ( d i v i d i n g w a l l c o l u m 。 或p a r t a t i o n e r ，简写为d w c ) 1 9 4 9 年w r i g h t 11 3 1提出 一 种 新的 蒸 馏 形 式， 即 把一 个蒸 馏 塔的中 间 一 部分用竖 直隔 板隔开，使进料和侧线抽出产物分别位于隔板的两侧。此即立式隔板蒸馏塔，简记为 d wc( 图 1 - 3 ) 。 这种结构中 分开的两部分相当于两个常规蒸馏塔， 但只需要一个再沸 器和一个冷凝器。既节省了设备费用，又减少了能耗。 此 结构形式 被k a i b e 1 1 4 1 进一步 推广和完善， 因 此又 称为k a i b e l 塔。 4 ) 全热祸蒸馏塔 ( f u l l y t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n c o l u m n ,简写为 f c或 p e t l y u k ) 在w r i g h t 的 基 础 上， 1 9 6 5 年p e tl y u k ll s 进一 步拓 展 提出 全热 祸蒸 馏的 概 念， 因 此 全 热祸蒸 馏塔 又叫p e t l y u k 蒸馏塔。 此系统由 主塔和预分馏塔构成 ( 图1 - 4 ) 。 预分塔的 作 用是将混合物进行初步分离，轻关键组分完全流向塔顶，而重关键组分完全流向塔底， 中间组分在塔顶和塔底之间分配; 主塔的作用则是对预分塔塔顶和塔底的物料进一步分 离，得到符合要求的产物。 在热力学上， p e t l y u k蒸 馏塔和立式隔 板蒸 馏塔是等价的。因 此， 通常把立式隔 板 蒸 馏塔看作 是 将p e t l y u k 蒸馏 塔的 主塔 和预分 塔组合在一个塔体内 的 形式。 1 . 2 . 2 常规蒸馏序列 常规蒸馏序列则是根据混合物中组分之间相对挥发度的差异，按照一定顺序分离 混合物的方 法， 分为 直接序列( d i r e c t s e q u e n c e ， 简记为d s , 图1 - 5 ) 和间 接序列( i n d i r e c t s e q u e n c e ， 简 记 为i s , 图1 - 6 ) 。 直 接 序 列 是 按 照 组 分挥 发 度递 减的 顺 序， 各组分 逐个 从 塔顶蒸出， 仅最难挥发组分从最后一个塔的塔釜分离出来; 而间接序列刚好相反， 按照 组分挥发度递增的顺序， 各组分逐个从塔釜中分离出来， 仅最易挥发组分从最后一个塔 的塔顶蒸出。 第一章 绪论 出液相物流进入侧线精馏段，由此分离出中间组分，同时主塔得到易挥发组分产物和难 挥发组分产物。简记为s s( 图1 - 2 ) 3 ) 立式隔板蒸馏塔 ( d i v i d i n g w a l l c o l u m 。 或p a r t a t i o n e r ，简写为d w c ) 1 9 4 9 年w r i g h t 11 3 1提出 一 种 新的 蒸 馏 形 式， 即 把一 个蒸 馏 塔的中 间 一 部分用竖 直隔 板隔开，使进料和侧线抽出产物分别位于隔板的两侧。此即立式隔板蒸馏塔，简记为 d wc( 图 1 - 3 ) 。 这种结构中 分开的两部分相当于两个常规蒸馏塔， 但只需要一个再沸 器和一个冷凝器。既节省了设备费用，又减少了能耗。 此 结构形式 被k a i b e 1 1 4 1 进一步 推广和完善， 因 此又 称为k a i b e l 塔。 4 ) 全热祸蒸馏塔 ( f u l l y t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n c o l u m n ,简写为 f c或 p e t l y u k ) 在w r i g h t 的 基 础 上， 1 9 6 5 年p e tl y u k ll s 进一 步拓 展 提出 全热 祸蒸 馏的 概 念， 因 此 全 热祸蒸 馏塔 又叫p e t l y u k 蒸馏塔。 此系统由 主塔和预分馏塔构成 ( 图1 - 4 ) 。 预分塔的 作 用是将混合物进行初步分离，轻关键组分完全流向塔顶，而重关键组分完全流向塔底， 中间组分在塔顶和塔底之间分配; 主塔的作用则是对预分塔塔顶和塔底的物料进一步分 离，得到符合要求的产物。 在热力学上， p e t l y u k蒸 馏塔和立式隔 板蒸 馏塔是等价的。因 此， 通常把立式隔 板 蒸 馏塔看作 是 将p e t l y u k 蒸馏 塔的 主塔 和预分 塔组合在一个塔体内 的 形式。 1 . 2 . 2 常规蒸馏序列 常规蒸馏序列则是根据混合物中组分之间相对挥发度的差异，按照一定顺序分离 混合物的方 法， 分为 直接序列( d i r e c t s e q u e n c e ， 简记为d s , 图1 - 5 ) 和间 接序列( i n d i r e c t s e q u e n c e ， 简 记 为i s , 图1 - 6 ) 。 直 接 序 列 是 按 照 组 分挥 发 度递 减的 顺 序， 各组分 逐个 从 塔顶蒸出， 仅最难挥发组分从最后一个塔的塔釜分离出来; 而间接序列刚好相反， 按照 组分挥发度递增的顺序， 各组分逐个从塔釜中分离出来， 仅最易挥发组分从最后一个塔 的塔顶蒸出。 华南理工大学博士学位论文 图1 - 1侧线蒸馏系统 ( s r ) f i g . l - 1 s i d e - r e c t i f i e r 图1 - 2 m 9 线提 馏系统( s s ) f i g . l - 2 s i d e - s t r i p p e r 图1 - 3 、 立式隔板蒸馏塔( d wc ) f i g . l - 3 d i v i d i n g w a l l c o l u m n 图1 - 4 , p