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摘要 简化内部热耦合精馏塔的综合与设计 摘要 虽然理想内部热耦合精馏塔比常规蒸馏塔具有更大的节能潜力， 但是由于其精馏段与提馏段之间的热耦合设计与实施困难重重，使得 它至今难以石油与化工生产过程中应用并推广。因此，为了解决这一 难题，有必要对其内部热耦合的结构或传热方式进行深入系统的研 究。 现有的关于内部热耦合结构的研究结果中，大部分都对内部热耦 合精馏塔耦合部分的结构进行了改进，例如：日本的同心圆柱式传热 结构和多同心圆柱捆绑式传热结构、美国的板翅式内部传热结构和隔 离壁式内部传热结构、英国的塔板式内部传热结构以及欧盟的热交换 屏式传热结构等，但这些结构都没有在实际石油化工生产过程中广泛 应用，究其原因，可以总结为两点：一，内部热耦合精馏塔的内部传 热装置的面积大小受限于精馏塔塔壳的大小，使得传热面积的安排非 常困难；二，几乎所有的结构设计构造复杂，造价昂贵，不符合投资 者的要求。因此，传热结构的设计问题仍然是内部热耦合精馏塔能否 得到推广的关键。 本文提出了一种新型的理想内部热耦合精馏塔的简化结构 ( s i h i d i c ，以下简称简化结构) ，将精馏段和提馏段之间的传热结构 安装在精馏塔的外部，换热器个数因此能够合并而大幅度的减少，巧 妙地避免了传热面积受到精馏塔的大小限制等问题。本文认为仅需三 个( 或更少) 的换热器即可近似实现精馏段和提馏段之间的热传递，其 中一个换热器安装在精馏段和提馏段的顶部之间，以实现精馏塔的零 外部回流操作；一个换热器安装在精馏段和提馏段的底部之间，以实 现精馏塔的零外部回热操作；一个换热器安装在精馏段和提馏段的中 部之间，分别为两段产生二次下降液量和上升蒸汽。由于三个换热器 的位置与大小是影响内部热耦合精馏塔热力学效率的关键变量，而它 们之间有着极其复杂的关联，因此，本文还开发了一个递进式的综合 与设计方法来权衡它们之间的关系。 为了更好的研究理想内部热耦合精馏塔的简化结构，本文建立了 常规精馏塔和理想内部热耦合精馏塔的稳态数学模型，并同时提出了 基于t a c 的综合与设计方法和基于t - h 的热力学分析方法。 本文选择了一个较难分离的二元混合物系乙烯乙烷和一个相对 较易分离的二元混合物系苯甲苯来研究常规精馏塔、理想内部热耦 合精馏塔及其简化结构的稳态性能，并通过简化结构与常规精馏塔的 比较证实了简化结构具有与理想内部热耦合精馏塔更大的节能潜力。 实验证明，简化结构可以很好的近似理想内部热耦合精馏塔，前 者与后者相比甚至具有更小的固定投资和操作费用。基于t a c 的系 统综合与设计方法可以适用于不同的分离系统，能够显著发挥系统的 节能效果，且该方法简单易行。 关键词：内部热耦合精馏塔，热耦合，热力学效率，过程综合，过程设 计 a b s t r a c t s y n t h e s i sa n dd e s i g no fas i m p l i f i e di d e a l h e a t - i n t e g r a t e dd i s t i l l a t i o nc o l u m n ( i d e a l h i d i c ) a b s t r a c t a l t h o u g ht h ei d e a lh e a t - i n t e g r a t e dd i s t i l l a t i o nc o l u m n ( i d e a lh i d i c ) i sm u c hm o r et h e r m o d y n a m i c a l l ye f f i c i e n tt h a ni t sc o n v e n t i o n a l a n a l o g u e s ，i t sa p p l i c a t i o n si nt h ec h e m i c a la n dp e t r o c h e m i c a lp r o c e s s i n d u s t r i e sh a v eb e e nr e s t r a i n e d t h er e a s o nc a l lb ea t t r i b u t e dt ot h eg r e a t d i f f i c u l t i e sa n dc o m p l e x i t i e si nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi n t e r n a l h e a ti n t e g r a t i o nb e t w e e nt h er e c t i f y i n gs e c t i o na n dt h es t r i p p i n gs e c t i o n b e c a u s ea l lt h ea t t e m p t sa r r a n g ei n t e r n a lh e a tt r a n s f e rw i t h i nt h ec o l u m n s h e l ls of a r f o rt h ea v o i d a n c eo ft h e s ed i f f i c u l t i e s ，ab r e a k t h r o u g hi n p r o c e s ss y n t h e s i sa n dd e s i g nm u s tb em a d ei nt h e s ea s p e c t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i n t e r n a lh e a ti n t e g r a t i o nb e t w e e nt h er e c t i f y i n g s e c t i o na n dt h es t r i p p i n gs e c t i o ni ss u g g e s t e dt om o v et ot h eo u t s i d eo f t h ec o l u m ns h e l l ，a n dt h i sl e a d st ot h ec r e a t i o no fan o v e ls i m p l i f i e d c o n f i g u r a t i o nf o rt h ei d e a lh i d i c ，t e r m e dt h es i h i d i c o n l ya r et h r e eo r e v e nf e w e ri n t e r n a lh e a te x c h a n g e r su s e dt oa p p r o x i m a t et h ei n t e r n a lh e a t i n t e g r a t i o n t h et o pi n t e r n a lh e a te x c h a n g e ri sa r r a n g e db e t w e e nt h et o p s o ft h er e c t i f y i n gs e c t i o na n dt h es t r i p p i n gs e c t i o nr e s p e c t i v e l y , e n a b l i n g t h es i h i d i ct oo p e r a t ei nar e f l u x - f r e eo p e r a t i o nm o d e t h eb o t t o m i i i 北京化工大学硕士学位论文 i n t e r n a lh e a te x c h a n g e ri sf i x e db e t w e e nt h eb o t t o mo ft h er e c t i f y i n g s e c t i o na n dt h es t r i p p i n gs e c t i o nr e s p e c t i v e l y , e n a b l i n gt h es i h i d i ct o o p e r a t ei nar e b o i l - f r e eo p e r a t i o nm o d e t h ei n t e r m e d i a t ei n t e r n a lh e a t e x c h a n g e ri sl o c a t e db e t w e e nt h em i d d l e so ft h er e c t i f y i n gs e c t i o na n dt h e s t r i p p i n gs e c t i o nr e s p e c t i v e l y , g e n e r a t i n gs e c o n d a r yo ra d d i t i o n a lr e f l u x f l o wf o rt h er e c t i f y i n gs e c t i o na n dv a p o rf l o wf o rt h es t r i p p i n gs e c t i o n t h el o c a t i o n sa n ds i z e so ft h et h r e eh e a te x c h a n g e r sa l ek e yd e c i s i o n v a r i a b l e sf o rp r o c e s ss y n t h e s i sa n dd e s i g na n ds h o u l db ec o n s i d e r e dt o e n h a n c et h e r m o d y n a m i ce f f i c i e n c yi np r o c e s sd e v e l o p m e n t a s i m p l es t e p w i s ep r o c e d u r ei st h u sd e r i v e df o rp r o c e s ss y n t h e s i s a n dd e s i g na n dt h es i h i d i ci se v a l u a t e dt h r o u g hi n t e n s i v e tc o m p a r i s o n w i t ht h ec o n v e n t i o n a ld i s t i l l a t i o nc o l u m na n dt h ei d e a lh i d i ci nt e r m so f t h es e p a r a t i o n so fa n e t h y l e n e e t h a n ea n d b e n z e n e t o l u e n e b i n a r y m i x t u r e s t h er e s u l t so b t a i n e di n d i c a t et h a tt h es i h i d i cc o u l db ea l l e x c e l l e n tc a n d i d a t et oa p p r o x i m a t et h ei d e a lh i d i cw i t hs o m e w h a t s i m i l a r ( i fn o ts m a l l e r ) c a p i t a li n v e s t m e n ta n do p e r a t i n gc o s ta n di tc a n i m p l e m e n ti nt h ec h e m i c a la n dp e t r o c h e m i c a lp r o c e s si n d u s t r i e s k e yw o r d s ：i d e a lh i d i c ，h e a ti n t e g r a t i o n ，t h e r m o d y n a m i ce f f i c i e n c y , p r o c e s ss y n t h e s i s ，p r o c e s sd e s i g n i v 符号说明 c c d f c c i d f h h l h 2 h 3 h 4 h s h 6 h i d i c 三 m w n d c p q s l s 2 s 3 s i h i d i c 丁 厶丁 尉c u y x y z 符号说明 能量费用，$ l ，1 常规精馏塔 固定投资，$ 塔径，m 进料流量，k m o l h - i 塔高，m 顶部换热器在精馏段的位置 项部换热器在提馏段的位置 中部换热器在精馏段的位置 中部换热器在提馏段的位置 底部换热器在精馏段的位置 底部换热器在提馏段的位置 内部热耦合精馏塔 液相流量，k m o l h - 1 分子摩尔量，g - m o l - 1 塔板数 操作费朋，$ 匪j ，k p a 热负荷，k w 顶部换热器的传热面积，m 2 中部换热器的传热面积，m 2 底部换热器的传热面积，m 2 理想内部热耦合精馏塔简单结构 温度，k 温差，k 年总投资，$ 总传热系数，k w k - i m - 2 汽相流量，k m o l h - 1 最大汽相流量，t o o l s - 1 液相组成 汽相组成 进料组成 北京化工大学硕十学位论文 希腊字母 p 8 a 上标 d 七 s p 下标 b o t c o n f f p h f p c h i r r e b j t o p 投资回收期，y e a r 容许误差 调整因子 初始值 迭代次数 产品规格 精馏塔底部 冷凝器 进料 进料预热器 进料预冷器 热耦合 精馏段 再沸器 提馏段 精馏段顶部 2 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：臣：塑坚日期：兰! 坐：三：兰z 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：莅：i 墨堕 日期：作者签名：匿：! 垒堕日期： 导师签名： 2 0 l o 5 2 7 日期： 型! ：墨兰z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来，不论发达国家或是发展中国家都不约而同地把可持续发展作为国家宏 观经济发展的一种战略，陆续将可持续发展的原则纳入到国家政策和具体行动之中。 可持续发展作为崭新的人类发展模式，要求能动的调控社会一经济一自然复合大系 统，以生态持续为基础，以经济持续为条件，以社会持续为目的，追求人类与自然 的协调发展和共同进化。 我国人多地少，人均资源缺乏，且分布很不平衡。建国以来虽然在社会、经济 各方面取得了辉煌的成就，但生产力水平相对落后，加上建国初期普遍存在忽视资 源、环境价值和片面追求高速度的现象，使得我国的经济增长很大程度上是依靠生 产要素的投入，科技进步的因素对经济增长的贡献还相对较低。这种高投入、高消 耗、低产出、低质量的经济增长方式不可避免地造成惊人的资源浪费和严重的环境 问题。面对加速经济发展和切实保护资源环境的双重挑战，推进可持续发展的任务 显得尤为艰巨和迫切。“九五”计划和2 0 1 0 年远景口标巾明确将可持续发展列入我 国未来发展的基本国策，强调努力实现经济增长方式从粗放型向集约型的根本性转 变。 推进可持续发展战略最终必须通过切实可行的地区发展战略和部门产业政策落 实到具体行动之巾，否则可持续发展理论只能是种空谈。化学工业是我国的支柱 产业之一，石油化工、煤化工、医药工业等生产领域与人类的衣、食、住、行及文 化需求等各个方面都有着紧密联系，因此化学工业对于我国推进可持续发展的整体 战略也占有举足轻重的作用，这是由化学t 业自身的特点所决定的，但是化学t 业 也存在产业自身的可持续发展问题。首先，化学t 业属能源密集型产业部门，表现 在以下特点。 ( 1 ) 能源消费总量大。1 9 9 4 年化学- t 业部系统能量消费为1 0 5 亿吨标煤，占能 源消费总量的8 5 。 ( 2 ) 化学工业能源消费总量中约有4 0 作为生产原料，而原料消耗的成本又往 往占了成品成本的7 0 8 0 。因此，化学t 业中的节能降耗的水平是影 响企业经济效益的重要冈素。 ( 3 ) 化学工业大量的能源消耗主要集l l 在少数大宗产晶，这些主要高耗能产品， 由于原料路线、装置规模、技术和管理水平等方面相对落后，产品单耗指 标与国外先进水平有较大差距，一般来说，节能降耗潜力是很大的。 化学工业通过其丰富的最终产品，密切关系到我国实施可持续发展战略的总体 3 北京化i ：大学硕+ 学位论文 全局。就化学工业而言，可持续发展的含义就相对集中到清洁生产和资源综合利用 上，当然，其基础是不断推进技术进步和创新。概括来说，化学工业的可持续发展 之路在于：在建立于资源能源集约化相适应的化工技术体系的基础上，通过制定合 理的产业政策和技术路线，发展清洁生产和资源综合利用，以达到节约资源、能源， 保护环境，提高产业综合效益的目的。 能源作为整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。 然而，在人类享受能源带来的经济发展，科技进步等利益的同时，能源短缺，资源 争夺等问题越来越严重，使得能源问题成为全球关注的问题。为了解决能源的可持 续发展问题，人们提出了节能的概念，即采取技术上可行、经济上合理以及环境和 社会可接受的措施，来更有效的利用能源资源 t - 3 1 。 1 2 精馏技术的发展及本论文研究的必要性 精馏过程作为石油炼制、石油化工和其他化工过程中最为广泛的传质单元操作 过程，是石油化- t 过程中的主要耗能单元，其能耗约占化工厂总能耗的三分之一， 有时甚至更多。显然，精馏过程效率的提高将会对石油化t 过程产生极大地影响， 因此，对于精馏过程的节能研究对于我国可持续发展战略的实现具有重大的意义 4 - 6 j 。 目前，生产过程中使用最广泛的精馏装置是常规精馏塔，常规精馏塔的特点在 于其结构简单，操作方便，但是它的大部分能量都作为热量排到了空气中且其分离 操作的非可逆性过大，能量利用效率较低，能耗非常巨大，因此如何实现精馏过程 的节能成为了科研人员研究的关键。 精馏过程的节能主要有以下几种基本方式：提高塔的分离效率，降低能耗和提 高产晶回收率；采用多效精馏技术：采，f j 热泵技术；采用热耦合精馏技术等f 7 。9 1 。 热泵精馏塔( 如图1 - 1 所示) 使用甲嫩精馏，利j | j 制冷剂吸收精馏塔蒸汽的发生相变后 放出的热量，通过热泵对制冷剂进行压缩，升压升温，提高其能量的“质量”，再作 为再沸器的加热热源，从而既节省了精馏塔再沸器的加热热源，又降低了精馏塔塔 顶冷凝器的冷凝换热负荷，达到了一定的节能几的。在热泵技术得到应用的同时， 在精馏塔巾加入中问再沸器冷凝器的技术也得到了广泛的关注，该技术具有应用简 单可行的特点。多效精馏塔( 如图1 2 所示) 由n 渺1 ) 个并列操作的精馏塔构成，操 作压力由第一效至第n 效逐效降低。较高压力的精馏塔的塔顶蒸汽作为下一个较低 压力的精馏塔的塔底再沸器的加热介质，如此反复，直至第n 效，塔顶蒸汽由外界 冷却介质冷凝。这样，在整个流程中，只是在第一效精馏塔加入加热蒸汽，而在最 后一效精馏塔加入冷却介质，中间各塔不再需要外加蒸汽和冷却介质，以此达到节 4 第一章绪论 能目的。在研究精馏过程的节能技术过程巾，研究人员逐渐注意到热力学定律的应 用对于实现高效节能的化工过程具有重要的意义，当化工系统具有更高的热力学效 率时，相应的，该系统的节能潜力更大。因此，如何提高化工过程的热力学效率同 样是精馏过程的节能技术的一个关键。 图1 - 1 热泵精馏塔 f i g 1 1s c h e m a t i c so f h e a tp u m pd i s t i l l a t i o nc o l m n n 图1 - 2 多效精馏塔 f i g 1 - 2s c h e m a t i c so f m u l t i e f f e c td i s t i l l a t i o nc o l u m n 5 北京化工大学硕士学位论文 图l - 3 二次i 叫流与蒸发精馏塔( s r v ) f i g 1 - 3s c h e m a t i c so fs e c o n d a r yr e f l u xa n dv a p o r i z a t i o nd i s t i l l a t i o nc o l u m n 二十世纪六十年代，为了进一步改进精馏塔的热力学效率，人们提出了内部热 耦合技术，f l o w e r 等人总结概括了这种思想，并通过大量详细的仿真证明了它的热 力学效率优于常规精馏塔【2 0 1 。m a h 等人根据内部热耦合技术，提出了二次回流与蒸 发精馏塔( s r v ) ，认为可以将精馏段的底部和提馏段的项部进行耦合，从而实现一定 的可逆操作，如图1 3 所示，但是他们并没有提出精馏段和提馏段之问耦合的程度 对精馏塔节能程度的影响问题 2 q 。1 9 8 5 年开始，日本的t a k a m a t s u 等人进行了这一 技术的研究，并在理论和实验基础上证明了内部热耦合精馏塔用于二元共沸混合物 分离时比常规精馏塔更有优势。1 9 9 5 年，他们注意到了内部热耦合精馏塔的耦合程 度对给定分离系统的能量利用效率有很大的影响，于是他们提出了理想内部热耦合 精馏塔( i d e a lh e a ti n t e g r a t e dd i s t i l l a t i o nc o l u m n , i d e a lh i d i c ) ，即将精馏塔的整个精馏 段和整个提馏段进行耦合，并将其应用于二元共沸物的分离，证明了理想内部热耦 合精馏塔优于常规精馏塔和其他热泵精馏塔【2 2 4 2 1 。混合物分离中对于混合物的严格 要求也得到了进一步解决。 虽然近年来国内外的研究结果证实了理想内部热耦合精馏塔具有很大的节能潜 力，但是由于其内部传热结构过于复杂，很难在实际过程中加以推广。因此，国内 外科研学者对内部热耦合精馏塔的- t 业化给予了高度的关注，并投入了大量的人力、 物力进行其应用开发。日本从1 9 8 5 年开始，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，并且后者已在日本丸善 石化株式会社中成功应用，但其结构复杂且造价昂贵，因此，并没有得到广泛的推 6 第一章绪论 广应用【2 引。美国早在二十世纪8 0 年代巾期就开发了板翅式( p l a t e f m ) 型的内部传热 结构，但难以提供足够的传热面积【4 3 , 4 4 1 。英国的研究者在2 0 0 5 年提出了滤网型传热 结构，认为可以通过改变总传热效率来解决内部热耦合精馏塔内部传热的难题，但 也难以保证足够的传热面积【4 5 l 。欧盟在2 0 0 6 年开发了一种热交换屏式传热结构，并 将其应用于丙烯内烷二元混合物的分离，进行了实物实验。这种热交换屏式的结构 虽然能提供很大的传热面积，但仍然难以满足内部热耦合精馏塔操作的需要 4 6 , 4 7 1 。 综上所述，理想内部热耦合精馏塔的内部传热结构设计是其工业化的关键所在 娜】，本文认为，可以通过近似代替的方法来简化内部传热结构的设计。 1 3 论文结构 本论文对常规精馏塔( c d i c ) 和i d e a lh i d i c 进行了研究，并提出一种新型的内部 热耦合精馏塔的工业可实现的简化结构( s i h i d i c ) ，同时开发了相应的稳态数学模 型，提出了摹于t a c 的稳态设计方法和基于t - h 的热力学分析方法，并运用基于 t a c 的设计方法对上述三种精馏塔进行了综合与设计。论文的r 的在于研究 s m i d i c 近似i d e a lh i d i c 的可行性，解决i d e a lh i d i c 在工业生产中实现的难题。 本文第二章介绍了i d e a lh i d i c 的结构及其节能原理，从理论角度证明了i d e a l h i d i c 具有比c d i c 更大的节能潜力。 第三章介绍了c d i c 、i d e a lh i d i c 和s i h i d i c 的稳态数学模型，并通过对乙烯 乙烷二元物系和苯甲苯二元物系的分离来验证以上三种精馏塔稳态数学模型的准 确性，同时，获得了上述三利- 精馏塔的稳态性能。 第四章分别提出了基于t a c 的稳态设计方法和基于t - h 的热力学分析法，并论 述了两种方法的优缺点，提出选择基于t a c 的稳态设计方法作为i d e a lh i d i c 的综 合与设计方法。本章还将i d e a lh i d i c 运用于乙烯乙烷和苯甲苯二冗混合物系的分 离，分别得到了基于两种混合物系的最优的i d e a lh i d i c ，为下一章s i h i d i c 的综合 与设计提供了基础数据。 第五章提出了s i h i d i c 结构及其综合与设计方法，并将s i h i d i c 运川于乙烯 乙烷和苯甲苯二元混合物系的分离，对其稳态特性和节能状况进行了分析，最后讨 论了s i h i d i c 用于不同的混合物的分离时的区别。 论文的最后对研究s i h i d i c 的意义进行了讨论，阐述了s i h i d i c 的显著优点， 并证明了s i h i d i c 不仪可以近似替代i d e a lh i d i c ，而且其结构易于在化t 过程t f - 实 现并广泛推广，同时s i h i d i c 还具有与i d e a lh i d i c 相似甚至更小的节能潜力和同定 投资。 7 第二章理想内部热耦合精馏塔 第二章理想内部热耦合精馏塔 2 1 理想内部热耦合精馏塔的结构 图2 - 1 给出了理想内部热耦合精馏塔( i d e a lh i d i c ) 的结构示意图，该技术把 c d i c 分成了两个单塔，两个单塔分别起着i d e a lh i d i c 的精馏段和提馏段的作用， 并去掉了c d i c 的冷凝器与再沸器。两个单塔的对应塔板之问配有热交换器( 可以是 独立的换热器或者特殊形式的传热装置) ，实现热量从精馏部分到提馏部分的传递， 以产牛精馏段的回流以及提馏段上升蒸汽。为了保证这利，热量传递的顺利进行，在 i d e a lh i d i c 的提馏段项部出口蒸汽管道和精馏段底部液体出口管道上安装有压缩机 和节流阀，使得i d e a lh 1 d i c ( - - 般位于提馏段的顶部) 的精馏段拥有比提馏段更高的 操作压力和温度。同时，i d e a lh i d i c 的进料端还必须根据实际进料的汽液组成和热 状况适当的加入进料预热器或者进料预冷器，保证在过程操作的初始阶段精馏塔内 有足够的上升蒸汽量和下降液量。根据i d e a lh i d i c 的精馏段与提馏段的塔板数的对 比、精馏段项部必须连接换热器使理想内部热耦合精馏塔精馏段实现无外部冷凝器 的同的和提馏段底部必须连接换热器使理想内部热耦合精馏塔实现无外部冉沸器的 目的的原则，理想内部热耦合精馏塔可以分为三种结构形式。 1 ) 对称型( i d e a lh i d i cs y m ，如图2 1 ( a ) ) ：对称型理想内部热耦合精馏塔的精 馏段与提馏段的塔板数相同，且两段之问逐板进行热交换； 2 ) 上对齐型( i d e a lh i d i cu p p e r ，如图2 1 ( b ) ) ：上对齐型理想内部热耦合精馏 塔的精馏段塔板数多于提馏段塔板数，提馏段与精馏段上端对齐，逐板进 行热交换； ( a ) 9 北京化工大学硕士学位论文 【c ) 图2 = 1 理想内部热耦合精馏塔( a ) 对称犁( b ) 上对齐型( c ) 下对齐型 f i g 2 1s c h e m a t i c so ft h ei d e a lh i d i c ( a ) as y m m e t r i c a li d e a lh i d i c ( b ) a l la s y m m e t r i c a li d e a lh i d i c ( i d e a lh i d i c _ u p p e r ) ( c ) a l la s y m m e t r i c a li d e a lh i d i c ( i d e a lh i d i c _ b o t t o m ) 3 ) 下对齐型( i d e a lh i d i cb o t t o m ，如图2 1 ( c ”：下对齐型的精馏段塔板数少于 提馏段塔板数，精馏段与提馏段下端对齐，逐板进行热交换。 综上所述，可以看出理想内部热耦合精馏塔的特征有： ( 1 ) 由两个单塔组成，它们分别起到了精馏塔的精馏段和提馏段的作用 ( 2 ) 依靠精馏塔的精馏段和提馏段之问的热交换来产生精馏段的回流和提馏段的上 升蒸汽，省去了顶部冷凝器和底部冉沸器。 ( 3 ) 在内部热耦合部分精馏段和提馏段的塔板数完全相等并一一对应，相应塔板间 配有热交换器。 ( 4 ) 由于常规精馏塔的精馏段的温度比提馏段的温度要低，因此为了顺利实现精馏 段和提馏段之间的热交换，分别在提馏段顶部和精馏段底部安装了压缩机和节 流阀，使精馏段压力高于提馏段的压力。 1 0 第二章理想内部热耦合精馏塔 ( 5 ) 为了保证初始阶段塔内有足够的下降液量和上升蒸汽，因此在进料位置加上一 个预处理器，使进料热状况处于0 到l 之间，即保证进料同时具有汽液随相。 ( 6 ) 与常规精馏塔相比，理想内部热耦合精馏塔充分利用了精馏段的热能，不仅降 低了系统对外部环境的需求，而且提高了系统的可逆程度。 2 2 理想内部热耦合精馏塔的节能原理 内部热耦合技术充分利用了精馏段放热、提馏段吸热的原理，通过某种特殊的 方式将精馏段放出的热量引到提馏段，所传递的热量用以产生精馏段的回流以及提 馏段的上升蒸汽，使得精馏塔可以同时实现零外部回流操作和零外部回热操作，从 而大大降低了系统的不可逆性，同时也降低了系统的能耗。 i d e a lh i d i c 的节能原理还可以用m c c a b e - t h i e l e 图米解释1 4 9 】。根据热力学原理， 系统的有效能的损失源于系统的不可逆性，只有尽可能的提高系统的可逆程度，才 能减少系统有效能的损失。在常规精馏过程中，即使在最小回流比的操作条件下， 为了达到一定的分离程度塔板之间需要较大的传质推动力，从而有大量的有效能损 失在每块塔板上( 夹点除外) ，也就是说，整个分离过程有很强的不可逆性( 如图2 2 ( a ) 所示) 。而由于精馏段和提馏段之间的热传递，使得理想内部热耦合精馏塔的操作线 与汽液平衡线形状非常相似，也就是说，为了达到与常规精馏塔相似的分离程度所 需的传质推动力明显减小，分离过程的可逆性显著提高，从而使得系统的有效能损 失降低( 如图2 - 2 ( b ) 所示) 。 根据热力学第一和第二定律，对于c d i c 而言，有 q c e b q c o n + f hf d h o b h 8 = 0 q n a s ：f q c o n 一争一磷+ 觋+ 瞩o ( 2 2 ) c o nr e b 消耗的能量( w _ 是由于精馏塔在传质和传热过程中的不可逆性造成的，它的 计算公式是： = 毛篚= ( 一老) - ( 一去 + f - r o s ，) - d ( h 。- t o s d ) - b ( h n - t o s b ) ( 2 3 ) = 如( 一去卜( 1 _ 丢 _ 其中，w m i n 是混合物分离所需的最小的能量，它的值由过程操作条件和产品规 格决定。 北京化工大学硕士学位论文 乃二i n = ( d h o + b 月0 一f h f ) 一t o ( d s d + 曰& 一，：昂) = a h 一写a s 因此，c d i c 的热力学效率可以表示为： q c 眦= 瓦丽w m i n = 图2 3 给出了常规精馏塔的t - h 图，如图所示，有： ( 2 - 4 ) 瓦习w m i n f 、2 5 ) 髓一编) 5 1 r 图2 - 2 常规精馏塔的t - h 图 f i g 2 - 2t - hd i a g r a mo fac d i c 从图中可以看出w = 珐一骇 对于内部热耦合精馏塔，有 q 一2 瓦厕w m i n = ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 其中，q f 和q t 分别为进料的预处理器的热负荷和塔顶产品流的潜热。t o ，t l ， t f 分别为系统外的温度、塔顶温度和进料温度。根据内部热耦合的丁作原理，有以 下不等式： q l q f 五t f w = q s q r q 随b q c o n q f ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 于是，有：t 1 枷w 等 砭五j w m 调i n t 1 c 粥 ( 2 - 1 1 ) 以上热力学分析从理论上证明了内部热耦合技术拥有比常规精馏更大的节能潜 力。 1 2 第_ 章理想内部热耦合精馏塔 ( b ) 图2 - 3m c c a b e - t h i e l e 原理图( a ) 常规精馏塔( b ) 理想内部热耦合精馏塔 f i g 2 - 3t h em c c a b e - t l l i e l ed i a g r a m ( a ) ac o n v e n t i o n a ld i s t i l l a t i o nc o l u m n ( b ) a n i d e a lh i d i c 2 3 本章小结 本章详细介绍了h i d i c 的结构、特征及其节能原理，并通过热力学分析从理论 上证明了h i d i c 不仪比c d i c 拥有更大的节能潜力和更高的操作效率，而且可逆化 程度更高。 第三章理想内部热耦合精馏塔的模型化 第三章理想内部热耦合精馏塔的模型化 建立合理的数学模型，是对化工过程进行准确预测、结果分析、工艺改进的前 提，而稳态数学模型是化工过程设计和优化的基础，本章将根据理想内部热耦合精 馏塔的结构和机理，开发出理想内部热耦合精馏塔的稳态数学模型。 3 1 理想内部热耦合精馏塔稳态数学模型 在建立稳态数学模型之前，首先需要对复杂实际过程的众多影响因素进行分析， 找出反映过程本质的若干变量之问的内在联系，也就是说对过程的物理模型进行必 要的简化，才有可能运用数学语言描述过程。因此在推导理想内部热耦合精馏塔数 学模型之前，本文提出了以下基本假设： ( 1 ) 每块塔板上的汽液两相处于平衡状态，即传质效率为1 0 0 ； ( 2 ) 每块塔板上的汽液两相能充分混合且温度均一； ( 3 ) 忽略汽相滞留量，假定液相滞留量保持恒定； ( 4 ) 忽略热损失及壁问热容； ( 5 ) 相邻塔板问的压降相同且恒定； 3 1 1 基本方程组 根据物质和能量守恒定律与汽液平衡关系，本节给出了c d i c 和h i d i c 的稳态 数学模型【5 0 5 。 l l l哆 汽相y o j 、厂、厂八厂 液相，x t j 图3 - 1 第j 块塔板的示意图 f i g 3 - 1s c h e m a t i c so ft h ej 山s t a g e 图3 - l 是h i d i c 中第j 块塔板模型的示意图，详细的h i d i c 的模型方程组如下 1 5 北京化：f 大学硕十学位论文 所示： ( 一) 总物料平衡方程： 厶+ k 一= 0 t + 巧一互，1 一珞l = 0 0 + 一三，- 1 一+ l f = 0 厶+ 圪一厶一。= 0 对于常规精馏塔，有： 三+ d k = 0 厶一y 7 一w = 0 ( 二) 各组分物料平衡方程： 厶t ，l + k 。以，i 一y f ，2 = 0 l j x i 。j 七y j y i 。j l j q x i 。j 一y j h y i 。j h 。0 l f x i 。f 七y f y i 、f l f x i 。f 一y f n y t 。f “一f z i = 0 厶x i ，。+ 圪。y 抽一厶一l j 。一l = 0 对于常规精馏塔，有： 厶+ d x d k 乃= 0 厶一吩一w x = 0 ( 三) 组分归一方程： x s ，= 1 ( 四) 热耦合方程： g = 醐一乃+ 一) ( 五) 能量平衡方程： 1 6 0 ；i ) 0 = 2 ，, n - 1f lj o ( i = 1 ) 0 = n ) ( 3 一1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( i = 1 ) ( 3 7 ) 0 = 2 ，声l 且j 柏 ( 3 - 8 ) 0 = 0 ( 3 9 ) ( i = n )( 3 - 1 0 ) ( 3 一“) ( 3 1 2 ) y i = 1 ( 3 - 1 3 ) l 0 = l ，f 1 ) ( 3 1 4 ) 第二章理想内部热耦合精馏塔的模犁化 厶砰+ 巧吖+ q l 一圪嘭= o ( i51 ) ( 3 - 1 5 ) 厶鹭+ 匕h y + g 一0 - l - 吐l 一巧+ l h j v + , = o ( i _ 2 ，严1 且j 咎1 ，f ) ( 3 1 6 ) 0 _ l 知+ 巧- 1 啦。+ q ，- i 一0 - 2 j i l 知一。h r = o o = f - 1 ) ( 3 - 1 7 ) 三，j l 多+ 巧 歹+ q 一三，1 j | l ；- l 一+ l 二l f f h = 0 t i = 0 ( 3 - 1 8 ) 厶砰+ 圪 二+ q 一厶_ 1 硅i = 0 ( j = n ) ( 3 1 9 ) 公式( 3 1 1 ) 至l j ( 3 1 5 ) 是i d e a lh i d i c 的能量平衡方程，对于常规精馏塔有： q ! = ：q c o n 、q n = q r e b 和q i = 00 = 2 ，n - 1 ) 。 ( 六) 焓差公式： 划=(z一)+-tdt一。jz+一2414brtr t 2 q 2 b z0 4 1 4 b p 2 0 ) 、7 k 一 ， h。=yi日；(3-21) 日净，+ e ，( 志) 坞，( 志) 2 + 忍，( 志) 3 也，( 等) 仔2 2 ， 其中n o 为理想气体焓值。 ( 七) 饱和蒸汽压方程： l i l 儿么一南 ( 3 - 2 3 ) 其中z l ，z 2 为p - r 状态方程求出的压缩因子。 ( 八) 汽液平衡方程： 本文所采j j 的汽液平衡方程是p e n g r o b i n s o n 状态方程( 以下简称p - r 方程) 。该 状态方程适用于轻烃系统，其混合规则考虑了二元混合物之问的交互作用，二元交 互系数k i j 为0 0 0 9 。 z 3 一( 1 一如2 + 0 3 8 2 2 b ) z a b b 2 一b 3 ) = o ( 3 - 2 4 ) 其中： 彳：旦 ( 3 2 5 ) 彳2 r 2 t 2 【j 1 7 北京化工大学硕士学位论文 b ：= b p j r r 口= x i x j a 吖 p - ii = 1 a i d = a i a j y 7 2 0 一，) 仅? 一= l + 川，( 1 一r ；0 5 ) = 0 3 7 4 6 4 + 1 5 4 2 2 6 ( o i - 0 2 6 _ 9 9 2 砰 ( 3 - 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 - 2 8 ) ( 3 - 2 9 ) ( 3 - 3 0 ) ( 3 - 3 1 ) ( 3 - 3 2 ) ( 3 - 3 3 ) 由公式( 9 ) 可解出一个或三个实根，在两相区最大的根属汽相( 1 ) ，最小的根则属 液相( z v ) 。 h 船叫乩咖忐产斗( 揣 - n 转叫乩咖彘产斗b 揣) k = 丝 为 ( 3 3 4 ) ( 3 - 3 5 ) ( 3 3 6 ) 以下是压缩机的数学模型。 ( 九) 焓值公式： 对于绝热乐缩，压缩机做的功将全部转化为压缩介质的焓值变化。即： h 魄= h 哪 o - 3 7 ) 1 8 包而 。瑚 = 6 z t 一 监匕 4，、1 r q n = = q 第三章理想内部热耦合精馏塔的模型化 ( 十) 容积多变指数公式： ( 十一) 多变能量公式： 肚南印川 ( 夤 警一 ( 十二) 总能量公式： w = r r , 7 p ( 十三) 压缩功公式： w t = g w | f ( 3 3 8 ) ( 3 - 3 9 )