（化学工程与技术专业论文）隔壁精馏塔技术应用于反应精馏及空气分离的研究.pdf

s t u d y o nt h ea p p l i c a t i o no fd i v i d i n gw a l lc o l u m nt ot h e r e a c t i v ed i s t i l l a t i o na n da i rs e p a r a t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gy u e m i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f s u nl a n y i c o l l e g eo fc h e m i s t r y & c h e m i c a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务 机构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献保 障的任务。从六十年代开始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务院学 位办、国家科技部的委托，对全国博硕士学位论文、博士后研究工作报告进行 全面的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博硕士论文已经达到1 0 0 多 万册。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成果 的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资源， 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服 务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他 媒体发表论文的权利。 论文题目： 匾壁擅焦鳖堇垄廛旦王厦廑擅堡区窒氢佥蜜笪堡究 毕业院校：主国互澶太堂( 垡丕2 毕业时间：2 q ! q 生z 旦 ， 论文类型：博士论文 口硕士论文留 博士后研究报告口同等学力论文口 授权人签字：丢莎胡棚锝 日期：2 0 1 0 年b 月7 日 ， 、 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：加细年多月7 e l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：日期：2 劈o m 指导教师虢玲二维 魄仞m 乡月 月 日 、7 摘要 精馏作为化工行业中主要的分离手段，虽然相对其它分离技术有着很多的优势，但 却掩盖不了其能耗过高的弊端。相对于常规精馏塔序列，隔壁精馏塔可作为一种既节能 又减少成本投资的选择。将三组分分离成纯组分至少需要两个塔序列，而当使用隔壁精 馏塔时，只需一个塔设备就可以完成。与常规精馏塔序列比，该技术具有更高的热力学 效率，更低的能耗，同时由于该技术的高度集成，使得过程的换热设备数量减少，设备 投资降低，具有更好的经济效益。目前该技术在国外迅速发展，成功工业化的装置已有 百余套，已成为过程集成与强化领域的研究热点。 本文从隔壁精馏塔的结构与原理出发，介绍了隔壁精馏塔的种类与构型，分析了隔 壁精馏塔节能的原理。并提出了简化法设计隔壁精馏塔的方法，根据隔壁精馏塔的分离 特点分析了其应用范围，阐述了如何利用a s p e np l u s 实现隔壁精馏塔的严格模拟与优化。 在此基础上，分别以乙酸甲酯酯转换反应精馏体系和空气分离为例，在确保两个体系热 力学方法与动力学方程正确性的基础上，详细叙述了相应的隔壁精馏塔的稳态模型的建 模过程。依据所建立模型的特点，对该稳态模拟进行了单变量分析，初步确定了各个变 量的优化值，为两个体系隔壁精馏塔进一步优化提供了初值。 在单变量获得初值的基础上，对整个隔壁精馏塔的结构参数与操作参数进行了分析， 提出了基于年总成本( t a c ) 的最优化求解步骤，并根据单变量分析的结论对优化步骤 进行了简化，根据简化的步骤对两个体系进行模拟分析，最终得到基于年总成本最优化 的模拟结果。在t a c 最优化的基础上，对两个体系的隔壁精馏塔流程与常规流程进行了 全面的性能分析与比较，通过比较发现，隔壁精馏塔不仅在节能减排、年总成本上有很 大优势，还在热力学效率上有所提高。 关键词：隔壁精馏塔，反应精馏，空气分离，年总成本，节能减排，热力学效率 s t u d yo nt h ea p p l i c a t i o no fd i v i d i n gw a l lc o l u m n t ot h er e a c t i v e d i s t i l l a t i o na n da i rs e p a r a t i o n z h a n gy u e m i n g ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f s u nl a n y i a b s t r a c t d i s t i l l a t i o ni st h ep r i m a r ys e p a r a t i o np r o c e s su s e di nt h ec h e m i c a lp r o c e s s i n g w h i l et h i s u n i to p e r a t i o nh a sm a n ya d v a n t a g e s ，o n ed r a w b a c ki si t ss i g n i f i c a n te n e r g yr e q u i r e m e n t t h e d i v i d i n g - w a l ld i s t i l l a t i o nc o l u m n ( d w c ) o f f e r sa na l t e r n a t i v et oc o n v e n t i o n a lt o w e r s ，w i t ht h e p o s s i b i l i t yo fs a v i n g si nb o t he n e r g ya n dc a p i t a lc o s t s t h es e p a r a t i o no fat h r e e - c o m p o n e n t m i x t u r ei n t oi t sp u r ef r a c t i o n si nc o n v e n t i o n a ls y s t e m sr e q u i r e sas e q u e n t i a ls y s t e mw i t ha t l e a s tt w oc o l u m n so rm a i nc o l u m n sw i t hs i d ec o l u m n s w i t had i v i d i n gw a l lc o l u m nt h i st a s k c a nb es o l v e di no n l yo n ea p p a r a t u s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ld i s t i l l a t i o ns e q u e n c e ，t h e t e c h n o l o g yh a sah i g h e rt h e r m o d y n a m i ce f f i c i e n c y ，l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n db e c a u s ea h i g hd e g r e eo fi n t e g r a t i o n ，t h ep r o c e s sc a nr e d u c et h en u m b e ro fh e a tt r a n s f e re q u i p m e n t ，c u t d o w nt h ee q u i p m e n ti n v e s t m e n t ，a n df i n a l l yb r i n gh i g h e re c o n o m i cb e n e f i t s t h et e c h n o l o g y i s r a p i dd e v e l o p i n ga b r o a dr i g h tn o w t h e r ea r en o wm o r et h a n 10 0c o l u m n si n s t a l l e d w o r l d w i d e ，i tb e c o m eo n eo ft h em o s tf o c u sr e s e a r c hf i e l do fp r o c e s si n t e g r a t i o n i n t h i st h e s i s ，t h ep a t hf r o mc o n v e n t i o n a ld i s t i l l a t i o ns e q u e n c e ( c d s ) t od w ci s i n t r o d u c e da n dt h er e a s o nw h yt h i st e c h n o l o g yc a ns a v ee n e r g yi sa n a l y s i s e da tt h eb a s eo f d w cs t r u c t u r ea n d p r i n c i p l e a n dt h es h o r t c u tm e t h o di sp r e s e n t e di nd e s i g n i n gd i v i d i n gw a l l c o l u m n a c c o r d i n gt ot h es e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f d w c ，t h ea p p l i c a t i o nr a n g e sa l eg i v e n a n dt h ew a yh o wt ou s e a s p e n p l u si nd e s i g na n d o p t i m i z a t i o no fd w c i se l a b o r a t e d m e t h y l a c e t a t er e a c t i v ed i s t i ll a t i o ns y s t e ma n dt h ec r y o g e n i ca i rs e p a r a t i o na r et a k i n ga st w o e x a m p l e si nt h i sw o r k t h er e a c t i o nk i n e t i c sa n dt h e r m o d y n a m i cm o d e lo ft h et w os y s t e m s a r es t u d i e d ；t h ec o r r e s p o n d i n gd w cm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d a l lo ft h e s ed e g r e e so ff r e e d o m h a v eb e e ni n i t i a l i z e db e f o r er i g o r o u ss i m u l a t i o n ，a n dt h e nt h ep r i m i t i v eo p t i m i z e dv a l u eo f e v e r yp a r a m e t e rh a sb e e nd e t e r m i n e d ，w h i c hp r o v i d e st h e i n “i a lv a l u e sf o rt h ef u r t h e r o p t i m i z a t i o no fd w c t a k i n gt h ef o u n d a t i o no fp r e l i m i n a r yo p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，t h eo p t i m a ld e s i g np r o c e d u r e o ft h et w od w ca l ep r o p o s e dc o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so fo p e r a t i o na n de q u i p m e n tp a r a m e t e r s o nt h et o t a la n n u a lc o s t ( t a c ) ，a n dt h e n ，t h ee c o n o m i co p t i m i z e d ：o p e r a t i o na n de q u i p m e n t p a r a m e t e r s a r eo b t a i n e d ，m i n i m i z i n gt h et a ca c c o r d i n gt oc e r t a i no p t i m i z a t i o n s t e p s ， m a i n t a i n i n gt h ep r o d u c t sp u r i t yr e q u i r e m e n t a tl a s t , t h et w os y s t e m sa r ea n a l y s i s e da n d c o m p l e t e db a s e do nt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t so f b o t hc d s a n dd w c t h er e s u l t ss h o wt h a tn o t o n l yr e d u c t i o n si ne n e r g yc o n s u m p t i o na n dc 0 2e m i s s i o n sb u ta l s oh i g h e rt h e r m o d y n a m i c e f f i c i e n c yc a nb eo b t a i n e df o rt h ed w c k e yw o r d s ：d i v i d i n gw a l lc o l u m n s ；r e a c t i v ed i s t i l l a t i o n ；a i rs e p a r a t i o n ；e n e r g ys a v i n g sa n d c 0 2e m i s s i o n s ；t o t a la n n u a lc o s t ；t h e r m o d y n a m i ce f f i c i e n c y 目录 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 精馏技术的进展2 1 2 1 精馏技术的发展概况2 1 2 2 精馏过程的节能原理3 1 2 3 热耦合精馏技术3 1 3 隔壁精馏塔研究进展5 1 3 1 国外隔壁精馏塔的研究现状5 1 3 2 国内隔壁精馏塔的研究现状7 1 3 3隔壁精馏塔的工业应用情况7 1 4 反应精馏研究现状8 1 4 1 反应精馏研究进展8 1 4 2反应精馏模拟计算模型9 1 4 3 反应精馏隔壁塔研究现状。l0 1 5空气分离研究现状l2 1 5 1 空气分离概述1 2 1 5 2 低温精馏分离空气系统构成1 4 1 5 3 低温精馏分离空气的进展1 4 1 6 研究内容。l5 第二章隔壁精馏塔的设计1 7 2 1 隔壁精馏塔的基本结构1 7 2 2 隔壁精馏塔的设计1 9 2 2 1 隔壁精馏塔自由度分析1 9 2 2 2 隔壁精馏塔设计方法概述2 l 2 2 3 简化法设计隔壁精馏塔2 l 2 2 4 隔壁精馏塔的严格模拟与优化2 3 2 3 隔壁精馏塔的适用范围2 4 2 4 总结。 第三章隔壁精馏塔应用于反应精馏的模拟研究 3 1引言2 7 3 2热力学与反应动力学的选择2 8 3 2 1 ”热力学的选择j j ：j ：j j ：2 8 3 2 2反应动力学的选择3 0 3 3反应精馏隔壁塔的建模3 l 3 3 1 常规反应精馏流程3 l 3 3 2反应精馏隔壁塔双塔流程。3 3 3 3 3 反应精馏隔壁塔三塔流程3 5 3 4反应精馏隔壁塔的单变量分析。3 6 3 4 1 模拟条件的初始化3 6 3 4 2回流比的影响3 7 3 4 3 正丁醇进料位置的影响3 7 3 4 4乙酸甲酯混合进料位置的影响。3 8 3 4 5 液相分配比的影响3 9 3 4 6反应区域高度与位置的影响4 0 3 4 7 主塔与侧线提馏段耦合位置的影响。4 l 3 5基于t a c 的最优化分析4 2 3 5 1 t a c 的概念4 3 3 5 2 基于t a c 的最优化分析步骤4 3 3 5 3 最优化设计结果及其分析4 4 3 6结论4 8 第四章隔壁精馏塔应用于空气分离的模拟研究4 9 4 1 前言4 9 4 2 低温空气分离简介4 9 4 2 1 低温空气分离的原理4 9 4 2 2 低温空气分离的流程。5 0 4 2 3 低温空气分离的模拟手段51 4 3 低温空分精馏的建模与工艺分析51 4 3 1 低温空气分离的热力学选择5 l 4 3 2 低温空气分离的传统流程5 2 4 3 3 传统低温空气分离流程分析与优化5 6 4 4 隔壁精馏塔分离空气流程的建模与优化6 2 4 4 1 隔壁精馏塔分离空气流程的建模6 2 4 4 2 隔壁精馏塔分离空气流程基于t a c 的优化6 5 4 4 3 隔壁式空分精馏上塔最优化结果与分析6 7 4 5 结论7 0 第五章隔壁精馏塔的性能评价与优势分析7 l 5 1 引言7 l 5 2隔壁精馏塔在节能减排上的优势7 l 5 2 1 节能减排的概念7 1 5 2 2 隔壁精馏塔在节能减排上的优势7 3 5 3 隔壁精馏塔的经济评价7 3 5 4 隔壁精馏塔的热力学效率。7 8 5 4 1 热力学效率的概念。7 8 5 4 2 乙酸正丁酯反应精馏过程的热力学率分析与比较7 9 5 4 3 空分精馏过程的热力学率分析与比较8 0 5 5结论8 2 总结与展望8 3 参考文献8 5 攻读硕士学位期间取得的学术成果9 1 致谢9 2 符号说明 常规精馏塔 组分i 的摩尔浓度，m o l l c 0 2 排放量( k g h ) 一 塔径( m ) 隔壁精馏塔 分离指数 有效能( k w ) 有效能损失( k w ) 正丁醇进料 乙酸甲酯进料 汽相焓( j m 0 1 ) 下塔( 高压塔) 液相焓( j t 0 0 1 ) 蒸汽焓( k j k s ) 正反应动力学常数，( l m o l 一m i n g c a t 。1 ) 逆反应动力学常数，( l m o l m i n g c a t 1 ) 汽液相平衡常数 液相流量( k m o l h ) 上塔( 低压塔) m a r s h a l l & s w i g 指数 摩尔流量( k m o l h ) 总理论板数 实际板数 最小理论板数 单位质量燃料燃烧所放出的热量( k j k g ) 压力( k p a ) 乙酸正丁酯产品 甲醇产品 换热量( k w ) 燃料燃烧所释放的总热量( k 聊 一哪g。一脚取一一日耶厅k七舻k三删 n删p一q嘶 q ， 冠砌 r d w c s s s e p s i d e - s 鼢 丁 丁 研 而 t r r n 死础 以c y 希腊字母 仅 叩 矽 九p 嗽 再沸器热负荷或汽提蒸汽所需的热量( 1 ( w ) 反应速率m 0 1 l m i n g o a t l 最小回流比 反应精馏隔壁塔 摩尔熵( j m 0 1 ) 提馏段 甲醇分离塔 侧线提馏 熵变( j k ) 温度 温差( k ) 冷却水进出口温差) 环境温度( k ) 理论火焰温度( ) 烟囱温度( ) 年总费用( 1 0 0 0 $ 年) 液相摩尔分率 相对挥发度 燃烧率( ) 热力学效率( ) 蒸汽潜热( k j k g ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 传统的化学工业通常由许多不同的单元组合成一个完整的系统，在众多化工过程单 元中，精馏是最耗能的一项分离技术。面对逐渐上涨的国际能源价格，需要大量消耗能 量的工业过程必将因操作成本不断增加而遭淘汰，因此发展低能耗的热集成精馏技术以 及将精馏塔与其他化工过程单元集成，即过程强化与集成( p r o c e s si n t e n s i f i c a t i o n ) 技术 必将是化学工程和过程技术未来发展的一个重要趋势。过程强化与集成的众多优点集中 体现在设备和装置体积的减小，过程效率和安全性的提高，单位能耗与三废的降低，最 终带来较高的经济效益与环境效益【l 】。 化工领域的科研工作者，在过去几十年里，对于过程强化的研究与探索从未停止， 对于分离过程的节能手段与方式的研究也从未间断。在早年，过程强化的目标往往从分 离设备的硬件本身出发。例如对于塔器设备，新型高效的塔板、各种散装及规整填料的 开发与研究，这些研究的出发点基于对于气液传质效率的提高，曾经在很长的一段时间， 对于提高分离过程的效率，降低过程能耗起了显著的效果。然而设备的翻新与结构调整 往往都存在一定的局限性，传质效率的提高也受到体系本身的限制。所以在近些年，致 力于过程节能与强化的研究者们更多地把眼光投向了化工领域的耦合技术。耦合技术的 形式与手段也层出不穷，一方面从分离形式上的革新，如分离与萃取、共沸或者反应的 耦合，以及它们之间的相互耦合，即萃取精馏、共沸精馏及反应精馏技术。另一方面从 分离原理上的革新，例如热耦合精馏技术。 热耦合精馏技术分为外部热耦合及内部热耦合，隔壁精馏塔就是典型的外部热耦合 技术。其结构的来源于著名的p e t l y u k 塔，即两个精馏塔的完全热耦合结构，与常规精馏 序列比，该技术有更高的热力学效率，更低的能耗，同时由于该技术将两个或者多个的 精馏塔耦合在一个塔壳内，会使得过程的换热设备数量减少，塔设备投资降低，具有更 好的经济效益。但在该技术提出的六十年代里，由于加工制造的问题，以及控制手段的 匮乏一直没有得到广泛的应用。而今随着加工技术的不断提高，控制理论与手段的不断 发展，该技术的运用成为可能。目前国内外许多学者都对该技术展开了研究，且在国外 已有很多成功工业化的例子。因此加快我国在隔壁精馏塔领域的研究，特别是对于新体 系在隔壁精馏内运用的可行性评估，以及对于现有工业装置隔壁精馏的改造显得十分迫 切，这一领域广泛运用将会成为分离技术发展的新里程碑。 第一章绪 1 2 精馏技术的进展 1 2 1 精馏技术的发展概况 精馏过程是石油化工过程中应用最广泛的传质单元，也是石油化工行业中能耗最大 的操作单元。据美国的统计数据表明，在石油化工行业中，分离过程的能耗为4 0 7 0 ， 而精馏过程又占分离能耗的9 5 1 2 】。国家发展改革委指出，2 0 2 0 年中国控制温室气体排 放的行动目标为单位g d p - - 氧化碳排放将比2 0 0 5 年降4 0 - 4 5 。为实现这一目标，作为耗 能大户的石化行业必然首当其冲，须做好节能减排的工作。而作为石化行业的主要传质 单元精馏，在热力学上是低效的耗能过程。因此，在当今世界能源价格日益趋高，石油、 煤等矿产资源日益减少的情况下，精馏过程的节能研究显得十分重要，它的每一小步进 展都会给整个社会的经济与环境带来巨大的影响。 尽管在过去的几十年里，精馏技术取得了巨大的进步，精馏技术也日趋成熟，但是 精馏技术发展的脚步从未停止，在全世界都聚焦节能减排的今天，新精馏技术节能的开 发显得尤为迫切。随着其他学科渗透到精馏领域，给精馏技术的发展带来新的契机。特 别是计算机技术的发展使得精馏过程模拟与仿真计算的研究取得巨大进展。基于物料衡 算( m ) 方程式、相平衡( e ) 关系式、热量衡算( h ) 方程式以及摩尔分数加和方程式( s ) 的平衡级模型( m e s h ) 已经非常成熟，形成了一批完善的过程模拟软件，可以对复杂 的精馏过程进行严格模拟，而且基于非平衡级模型( m e r s h ) 的过程软件也面世，譬 女h a s p e np l u s 。它们的发展成为精馏过程模拟与仿真的巨大推动力，也是当今化工工程 师们必不可少的科研与生产工具。 另外，基于非模型的人工神经元网络具有良好的逼近任意复杂的非线性系统能力， 被广泛应用于精馏过程的模拟与预测，特别是精馏产品的预测上，可实现产品组分的在 线分析，从而取代价格昂贵的色谱在线分析。神经网络可以快速准确地对复杂的多组分 混合物物性进行预测，可以用于精馏过程的实时动态模拟与优化p 4 j 。 精馏技术的研究一直十分活跃，在过去的几十年里已经取得许多卓有成效的成果。 其未来发展方向将为从以下几点出发：、与物理或化学等其他学科的结合，分离常规 精馏无法完成的分离过程；、从精馏的基本原理出发，通过精馏本身的耦合技术实现 过程的高度强化与集成；、与计算机信息技术结合，通过更好的模型，更准确的物性 数据库以及更加优化的数学模型对分离过程进行模拟与仿真，以及自动化控制；、从 分离过程的设备出来，使得过程分离设备更加的高效，灵活与稳定。不管其发展的出发 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 点是什么，其发展的最终目标，都是朝着低成本，低能耗，清洁安全生产的分离过程迈 进。在各种新分离方法得到不断开发并取得工业应用之际，精馏过程作为石化行业中最 主要的分离手段的地位不会动摇。有理由相信，随着科学技术不断提高，全球对于化工 生产过程节能的迫切需求，精馏技术发展的前景将会更加的美好。 1 2 2 精馏过程的节能原理 普通精馏，塔底通过再沸器使液相汽化，塔顶通过冷凝器使气相冷凝，在塔壳内上 升的气相与下降的液相在塔板上进行传质传热，通过轻重组分不断的汽化和冷凝达到轻 重组分分离的过程。从能量运用的本质来看，精馏过程是将物理有效能转化为扩散有效 能，同时伴有物理有效能的降价损失。其有效能的损失是因过程的不可逆引起的，这些 不可逆主要包括：流体的压力、流体之间的传质与混合，流体之间的传热。压差、浓度 差和温差是相应过程的推动力，推动力越大，则过程的不可逆性亦越大，有效能损失也 就越大。因此，为了减少过程的不可逆性，需综合考虑这几个因素的相互作用与影响。 根据精馏系统的节能原理，大体可以把目前的节能方法可归纳如下【5 】： 以精馏原理为基础，减少精馏过程本身的能量需求。例如，在保证产品质量的前提 下，调节回流比、操作压力、操作温度、进料位置及热状态等参数，通过灵敏度分析、 最优化技术来确定满足分离要求的最佳值，以获得最佳的经济目标。对于多组分分离的 精馏塔，优化其分离次序也会对其能耗与投资产生重要影响。另外还可以从传质的角度 来优化，例如，采用新型塔板或新型填料，以提高分离效率和减少压力降。 以热力学第一定律为基础，充分回收利用过程本身的热能或冷能。例如，加强保温 保冷以及回收物流的部分显热或潜热、夹点( p i n c h ) 技术、换热网络( h e n ) 技术等【5 】。 以热力学第二定律为基础，提高精馏系统的热力学效率。例如增设中间再沸器和中 间冷凝器、采用多股进料和侧线出料方式、应用多效精馏、热泵精馏以及热耦合精馏等， 其中以热耦合精馏最受关注。 1 2 3热耦合精馏技术 广义的热耦合精馏技术，可以分为：基于透热塔的内部热耦合技术，例如h i d i c 技 术，以及基于绝热塔的外部热耦合，例女i p e t l y u k 技术，即隔壁精馏塔技术。如图1 1 所 示，为内部热耦合塔，该技术把传统精馏塔从进料位置分成两个操作压力不同的精馏塔， 即原塔的精馏段与提馏段。在精馏段与提馏段之间设置压缩机，对由提馏段底部出来的 蒸汽进行加压使其温度升高，升高温度以后蒸汽进入精馏段，精馏段在一个较高的压力 3 第一章绪论 下操作，使得精馏段从上往下的每段温度都高于提馏段，这样就可以通过精馏段对提馏 段传热，从而实现两个单元之间的热量集成，理想的结果就是精馏的回流与再沸器的热 负荷都将为零，即整个装置只有压缩机在耗能，这是一种理想的内部分热耦合塔 ( i - h i d i c ) 。该技术首先由k 玳g 叼对其结构与原理进行了详细描述。 f 图1 1内部热耦合精馏塔 f i g1 - 1i n t e r n a l l yh 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 从节能原理来看，内部热耦合精馏与热泵精馏一样，其在能量利用的可逆性上得到 更进一步的提高。早在1 9 8 5 年，就有学者对该技术建立了实验装置，从理论和实验上证 明了其良好的节能效果。另外荷兰学者o l u j i c 【刀与英国学者g a d a l l a 【司分别对内部热耦合精 馏塔进行了概念设计、经济评价以及热力学分析。内部热耦合精馏塔被证明在某些体系 相对传统精馏可节能3 0 ，甚至更高。但是由于实现该技术需要的设备很难实现，以及 动态响应的特点的复杂性导致自动化控制的成本过高，其真正意义上的成功工业化的例 子并没有。 另一种基于外部热耦合技术就是隔壁精馏技术。对于传统的三元混合物( a 、b 、c ) 的分离，常规的流程需要两个精馏塔序列，才能满足分离。而如图1 2 所示的隔壁精馏 塔模型，将传统的两个精馏塔耦合在一个塔壳内，通过一个隔板将该塔结构分为四个部 分：公共精馏段，公共提留段，预分馏段以及侧线抽出段。三元混合物从预分馏段进入 塔壳内，经过预分馏的分离，在隔板的项部得到初步分离a b 组分，在隔板的底部得到 粗分离的b c 混合组分。a b 组分在公共精馏段与侧线抽出段继续分离，从而在塔顶得到 轻组分a ，而中间组分b 在抽出段的中间位置富集。同样b c 组分混合物在提馏段与侧线 抽出段继续分离，最终塔底得到重组分c ，b 组分在侧线抽出段聚集，在侧线抽出段得 到b 组分，从而完成原本需要两个精馏塔才能完成的分离任务。显然这种塔体结构有效 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的节省了一个冷凝器与一个换热器，使得设备投资必然有所减少，另外针对不同体系， 该精馏技术被证明节能3 0 5 0 不等。 图l - 2 隔壁精馏塔 f i g1 - 2d i v i d i n gw a l lc o l u m n s 1 3 隔壁精馏塔研究进展 1 3 1 国外隔壁精馏塔的研究现状 早在1 9 3 3 年，e r i c 就将隔壁精馏塔的概念应用于裂解气的分离过程【9 】。后由苏联学 者p e t l y u k t l o ，1 1 1 提出外部热耦合塔的概念，并以其名命名为p e t l y u k 塔，图1 3 给出了这种 模型的结构示意图。该结构是由主塔和预分馏塔组成的复杂塔代替常规序列精馏塔系， 预分馏塔因此而可以省掉再沸器和冷凝器，在热力学上是一种较为理想的结构，即可节 省设备投资，又可节省能耗。在2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代曾掀起了一个研究高潮，但是由 于p e t l y u k 精馏塔的两塔连接部分要求压力相等，而且对气液流股的分配有一定的限制， 导致了塔的压力控制和流股分配设计存在很大困难，并且这种精馏塔的结构在当时是难 以加工的，因此而被很多人认为很难工业化，在随后的很长一段时间里几乎被遗忘。 自1 9 8 0 年能源危机后，此技术才逐渐被重视并深入探讨。更多的学者，开始致力于 p e t l y u k 精馏塔节能技术的研究，并在p e t l y u k 精馏塔的基础上提出了隔壁精馏塔( d w c ) 节能技术，基于过程模型化和动态仿真技术，成功实现工业化。对于隔壁精馏塔技术的 研究，也开始从不同的角度分别展开。a g r a w a l 1 2 1 ，c h r i s t i a n s e n 【1 3 , 1 4 】等针对四组分及以上 的混合在隔壁精馏塔的分离研究，尝试通过在一个塔壳内设置多块隔板的塔体结构，从 而完成多个组分的分离。英国曼彻斯特大学的学者a m m i n u d i n 与s m i t h i s , 1 6 对内部热耦合 5 第一章绪论 精馏塔的设计与优化做了大量的工作，认为由于热耦合精馏设计变量比常规精馏塔多出 很多，在设计优化之前的初始化的工作非常重要，提出通过一种“半严格法 的求取其 初始化的严格计算结果，并在此基础上做优化工作。在他们稍后的研究中，提出了在现 有装置的基础上进行隔壁精馏塔改造的方法与步骤。隔壁精馏塔在其被提出的阶段并未 被广泛运用的主要原因之一就是在控制手段上的匮乏，针对这点，许多学者针对隔壁 精馏塔控制展开了研究。s e r r a r 7 】对比了常规的直接与间接序列的塔序列与隔壁精馏塔在 非最优条件下的性能。h e m 矗n d e z f l8 】研究了内部热耦合精馏塔控制结构，并认为其有更 好的控制性能。 夕f n i g g e m a n n 1 9 1 对隔壁精馏塔开工时的动态行为进行了开发，在一个 启发式与最优化的架构平台上，他们研究的开工控制策略得到了测试与发展，并认为该 策略可以节省开工启动时间。 ab c a b c 图1 - 3p e t l y u k 精馏塔 f i g l - 3p e t l y u kc o l u m n 此外，在隔壁精馏塔的结构设计中，塔内件的设计尤为重要，它影响着整个塔分离 效果。其中最关键的一个问题就是塔壳内的气相分配比( 由隔壁底端进入隔壁两侧的气 相流量的比率) 的调节，通常气相分配比是通过控制隔壁两侧的流通面积。在最初的隔 壁精馏塔设计中，隔板在塔壳内是固定的，这为操作带了不稳定的因素，使得在操作中 无法调节气相分配比【2 0 】。而目前在这一难题取得重大突破，就是由德国m o n t z 公司开发 的“非固定”隔壁，该隔壁在荷兰的d e l f t 大学进行试验，并取得了良好的效果。由于这种 新型的隔壁对于塔壳的偏心率要求很低，可以快捷方面地安装，适合于旧塔的改造。而 且“非固定”隔壁的灵活性使得非常规构型隔壁精馏塔的工业实施变得较为容易。目前， 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 对于隔壁精馏塔的内件及隔壁的形式、安装方式及流程都有大量的研究报道 2 1 , 2 2 1 。 1 3 2 国内隔壁精馏塔的研究现状 在2 1 世纪之前，我国在隔壁精馏塔方面的研究几乎为零，最早发现的文献为1 9 9 7 年 联邦德国希尔股份有限公司发布的一篇专利【2 3 1 ，它将隔壁精馏塔的概念运用到对苯二甲 酸二甲酯( d m t ) 工艺的粗酯分离。而最近十年，隔壁精馏塔的研究与开发才慢慢兴起， 德国巴斯福股份有限公司，在2 0 0 0 年以后共在国内发表专利7 篇，涉及到c 5 + 切取馏分的 蒸馏分离、三亚乙基二胺( t e d a ) 的分离、萃取蒸馏等等。而中国石油大学( 华东) 的孙兰义副教授，在隔壁精馏塔的理论研究与体系开发上做了长足的工作，已发表相关 专利十余篇，涉及酯类的反应精馏体系、共沸精馏体系【2 5 1 、以及萃取精馏体系等。并 对隔壁精馏塔的体系的模拟、优化及控制【2 6 j 做了大量的理论工作，证明了隔壁精馏塔在 理论上节能优势，并为未来的隔壁精馏塔的发展指明了方向。另外江苏工业学院的叶青 等也在隔壁精馏塔模拟上做了工作，并对三苯体系【2 7 1 以及甲酮水体系进行了实验研究。 从目前国内的研究来看，虽然公开发表的专利与文献已有很多，但是基本还都是停 留在理论的探索阶段和实验室研究阶段，并没见到工业应用的报道。 1 3 3 隔壁精馏塔的工业应用情况 世界上第一座投入工业运转的隔壁精馏塔装置，是于1 9 8 5 年用来回收精细化学品。 在之后的很长一段时间里，世界上大部分工业化隔壁精馏塔为b a s f 公司的