（化学工程专业论文）萃取精馏过程流程集成节能策略的研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 萃取精馏过程流程集成节能策略的研究 摘要 苇取精馏作为一种分离近沸点混合物及其他低相对挥发度混合物的技术，在 石油化学工业中得到广泛的应用。随着萃取剂选取方法的发展，萃取塔结构及工 艺流程的改进和提高，萃取精馏技术的应用范围不断扩大。在选定萃取剂及萃取 精馏塔结构不便改动的情况下，改变萃取精馏流程成为萃取精馏过程降低能耗的 必要手段。热集成技术是通过对不同级别不同量的热流进行合理匹配来降低能耗 的方法。然而，在许多实际的分离过程中，由于受到过程背景及操作条件的制约， 并不是所有的精馏过程都能通过这一技术使能耗最小。萃取精馏过程中，将复杂 塔和热集成技术合成萃取精馏流程集成技术，会使整个过程形成一个集成系统， 可以实现流程集约和节约能耗的目的。本文从流程集成的角度出发，对萃取精馏 过程的竹能策略进行研究。 具体分析了萃取精馏过程的特点，将该过程简化后的数学模型用松弛法与 n i t 法棚结合的算法进行求解，利用了松弛法稳定性好与n r 法收敛快的特点。 对c 5 组分萃取精馏过程中脱炔烃塔系进行模拟计算，结果表明该法适用于非理想 性较强的物系。 从流程的角度出发，分析了二级萃取精馏普通流程的能耗，提出了萃取精馏 流程集成问题的逐层深入求解策略，即首先进行非热集成普通萃取精馏流程的模 拟，然后对普通萃取精馏系统进行热集成，最后进行带热集成的萃取精馏系统的 流程集成；制定了萃取精馏过程流程集成的六条调优规则，给出了萃取精馏流程 集成的调优步骤，即将方案中对萃取精馏系统经济性最不利的单元进行改进并模 拟，直到满足调优目标为止。 最后以乙腈( a c n ) 萃取精馏分离c 5 馏分为例，运用本文提出的萃取精馏 流程集成的竹能策略，进行流程的集成。在调优规则的指导下，按照调优步骤将 总公用工程费用作为渊优目标对流程逐步改进，同时进行热集成并得到个带 有热集成的最优方案，该方案比初始流程热集成前和热集成后分别节省总公用工 程费用达4 7 8 5 和1 l6 5 。 关键词：萃取精馏热集成流程集成节能策略 宣璺型垫查堂堕壅尘堂篁鲨塞 s t r a t e g ys t u d y o fs a v i n ge n e r g y i ne x t r a c t i v ed l s t l l l a t i o n f l o w s h e e ti n t e g r a t i o n a b s t r a c t e x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o ni saw e l l k n o w nt e c h n o l o g yf o rs e p a r a t i n ga z e o t r o p e sa n d m i x t u r e so fc o m p o n e n t sh a v i n gc l o s eb o i l i n gp o i n t a n di ti sa p p l i e dw i d e l yi n p e t r o c h e m i s t r ya r e a s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e t h o d sf o rs e a r c h i n ge x t r a c t i o n s o l v e n t 、t h ei m p r o v e m e n to ft r a yc o n f i g u r a t i o na n dp r o c e s sa r r a n g e m e n t e x t t a c l i v c d i s t i l l a t i o nh a sb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l y w h e nt h es o l v e n ta n dt h et r a y c o n f i g u r a t i o nc a l ln o tb ec h a n g e de a s i l y , t h et r a n s t b r m a t i o no fe x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o n f l o w s h e e ti sa ne f f e c t i v ew a yt or e d u c e e n e r g yc o n s u m p t i o n h e a t i n t e g r a t i o n t e c h n o l o g yi sam e t h o df o rr e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nb ym a t c h i n gt h eq u a l i t y o fh e a t b u tw i t ht h er e s t r i c t i o no fp r o c e s sb a c k g r o u n da n dt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s n o ta l lt h ed i s t i l l a t i o np r o c e s sc a na c h i e v et h el e a s te n e r g yc o n s u m p t i o nw i t ho n l y h e a t i n t e g r a t i o ni np r a c t i c a ls e p a r a t i o np r o c e s s i ne x t r a c t i v e d i s t i l l a t i o n p r o c e s s ， c o m p l e xc o l u m na n dh e a t - i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yc a l lm a k et h ew h o l ep r o c e s sb e c o m e a n i n t e g r a t e ds y s t e m ，a n dt h ef l o w s h e e tw i l lb e c o m ei n t e n s i v ea n dt h ee n e r g y c o n s u m p t i o nw i l lb er e d u c e dg r e a t l y t h es t r a t e g yo fs a v i n ge n e r g yi ne x t r a c t i v e d i s t i l l a t i o np r o c e s sw a ss t u d i e do nt h ev i e wo f f l o w s h e e ti n t e g r a t i o n f i r s t l y 、t i mt i a t u r e so fe x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o np r o c e s sw e r ea n a l y z e de x p t i c i t l 3 aa n da m e t h o dl os o l v et h em a t h e m a t i cm o d e lw a sp u tf o r w a r db yc o m b i n i n gr e l a x a t i o nw i t l l n rm e t h o d t h i sm e t h o du s e dt h ev i r t u e sb o t ht h es t e a d yo fr e l a x a t i o nm e t h o da n dt h s t c o n v e r g e n c eo fn rm e t h o d t h ed e a l k y n e sc o l u m ns y s t e mo fs e p a r a t i n gc sf r a c t i o n w i t he x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o nw a ss i m u l a t e di nt h i sp a p e la n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h i s m e t h o dw a ss u i t a b l ef o rt h es y s t e mw i t hs t r o n gn o n i d e a lp r o p e a y 萃取精馏过程流程集成节能策略的研究 s e c o n d l y t h ee n e r g yc o n s u m p t i o n i nc o n v e n t i o n a lf l o w s h e e to f t w o s t e p c x t l l a c t i v e d i s t i l l a t i o nw a sa n a l y z e d a n das t e p w i s em e t h o df o r s o l v i n gf l o w s h e e li n t e g r a l i o no fe x t r a c t i v e d n l i l l a t i o nua sp l e s c n t e d 1 cm e t h o di st h a t s i m u l a t i n gc o i l 、, e n t i o n a lf l o w s h c c tw i t h o u t h e a t i n t e g r a t i o nf i r s t ，t h e nc o n s i d e r i n gh e a t - i n t e g r a t i o ni nt h ef i r s ts t e p ，f i n a l l yp r o c e s s i n g f l o w s h e e ti n t e g r a t i o nw i t h h e a t i n t e g r a t i o n a c c o r d i n gt ot h eb a s i ca p p r o a c h e so f e v o l u t i o n a r ym e t h o d ，s i xr e g u l a t i o n sa n dt h ep r o c e s so fe v o l u t i o n a r ym e t h o dw e r e b r o u g h to u t t h ee v o l u t i o n a r yt a r g e t sw o u l db ea c h i e v e db yi m p r o v i n gt h eu n i tw h i c h w a st h ew o r s tt ot h ee c o n o m yo f t h es e p a r a t i o ns y s t e m f i n a l l y ，t h ee x a m p l et os e p a r a t ec 5f r a c t i o nw i t ha c n a ss o l v e n tu s i n gt h es t r a t e g y o fs a v i n ge n e r g yi ne x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o np r o c e s sw a sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r b a s e do f e v o l u t i o n a r yr e g u l a t i o n s ，a no p t i m u mi n t e g r a t e df l o w s h e e tw a so b t a i n e d w i t h h e a t i n t e g r a t i o n i nt h i ss c h e m e ，t h et o t a lc o i l s u m p t i o no fu t i l i t yc o u l ds a v eu pt o 4 7 8 5 c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lf l o w s h e e tb e f o r eh e a t i n t e g r a t i o na n d11 6 5 a f t e rh e a t i n t e g l l a t i o t l k e yw o r d s ：e x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o n ，h e a t - i n t e g r a t i o n ，f l o w s h e e ti n t e g r a t i o n ， s t r a t e g yo fs a v i n ge n e r g y 青岛科技大学研究生学位论文 吖 c p ip a h 。 ，。、，。 f j d h 。、h ，、h 、h 鲸 q 。 ( ? 。 c 。 c 。 c 。h r q ， c o s t h d ， 符号说明 溶剂的相对分子量 溶剂的平均比热容( k c a l ( k g 。c ) ) 溶剂的进塔温度( ) 被分离组分在溶剂中的溶解热( k c a l k g ) 分别为第h 板、第m 板的温度f 1 迸塔原料量( k g c h ) 进塔溶剂量( k g h ) 分别为溶剂、进料、塔顶产品和塔釜液 的焓( k c a l k g ) ； 塔釜加入再沸器的热量( k c a l h ) 塔顶冷凝器取走的热量( k c a l h ) 精馏塔的投资费用( $ ) 冷凝器的投资费用( $ ) 冷凝器的操作费用( $ ) 再沸器的投资费用( $ ) 再沸器的操作费用( $ ) 设备的投资费用( $ ) 精馏塔的直径( m ) 葶取精馏过程流程集成仕能策略的研究 精馏塔的高度( m ) 冷凝器的换热面积( m 2 ) 再沸器的换热面积( m 2 ) 冷凝器的热负荷( k c a l k g ) 再沸器的热负荷( k c a l k g ) 年操作时i n j ( h ) 设备折旧系数 目标函数值( $ ) 公用 j 程费用( $ ) 冷公用二r ：程费用( $ ) 热公用工程费用( $ ) 也 如 c s i 绋 乙 声， 脚 c e ( 青岛科技人学研究生学位论文 刚吾 随着现代工j 的发展，能源问题面临同益严峻的形势和挑战，世界性的能 源危机使石油价格上涨数倍。在能耗密集型的化学工业中，能源与原料的总成 本已占生产成本的9 0 左右。我国能源人均拥有量只有世界平均水平的一、卜， 随着经济的发展，我国已成为能源消费大国，仅次于美国。因此，合理的利用 能源以降低生产成本，提高经济效益，是整个化学工业的一项紧迫任务。化工 过程中，一方面通过采用合理的操作单元来降低能耗，另一方面从过程系统能 量综合的角度上考虑，即把化学反应工程、分离工程、热回收网络和公用工程 等子系统统筹考虑，以解决能耗问题。 分离过程是耗能过程，在能源消耗中占有很大比例。我国单位产值能源消 耗量比世界先进水平高的多，主要原因在于分离过程的能耗高于发达国家。而 精馏过程是能量消耗最大的分离单元操作之一，精馏过程的节能问题便广泛引 起了人们的重视。精馏过程降低公用 ：程能耗的一个重要途径是热集成，然而 在许多实际的分离过程中，由于受过程背景及操作条件等的制约，并不是所有 的精馏过程都能通过这一技术使得能耗最小。同样，在萃取精馏过程中，复杂 塔及流程集成技术使得整个过程形成个集成系统，若同时进行热集成，则i u 以实现流程集约和节约能耗的目的。 萃取精馏是基于增大组分问的相对挥发度而使精馏过程得以进行或者能够 合理进行的过程。近年来，随着萃取剂选取方法的发展，萃耿塔结构及工艺流 程的改进和提高，萃取精馏技术得到越来越广泛的应用。在选定萃取剂及萃驭 精馏塔结构不便改动的情况下，改进萃耿精馏流程便成为降低萃取精馏过程能 耗的必要手段。目前，虽然对于萃取精馏流程的研究有不少的文献报道，但这 些研究都是针对具体的萃取精馏物系而言的，而没有提出系统的流程集成策略。 因此，在这方面作一些工作是有必要的。本文具体分析萃取精馏过程的特点， 对其进行模拟计算：研究二级萃取精馏普通流程的能耗，提m 萃驳精馏流程集 成问题的逐层深入求解策略，并按照化工过程调优法的基本步骤，制定了萃取 精馏过程流程集成的调优步骤和六条调优规则；最后以乙腈( a c n ) 为摹取剂 萃取精馏分离c 5 馏分为例，运用本文提出的萃取精馏流程集成的节能策略，进 行流程的集成。 苹取精馏过程流稃集成：协能策略的研究 11 过程系统工程 1文献综述 随着科技的进步和各学科问的交叉结合，现代过程工业装置日趋大型化和 技术密集化。在当前能源紧张、原材料短缺和环境污染日益加剧的情况下，以 单元操作概念为基础的化学工程方法已经难以适应时代的要求。过程系统工程 就在系统工程学、运筹学、化学工程学、过程控制以及计算机技术等学科的基 础j ：产生和发展起来。过程系统工程从过程系统的整体目标出发，根据系统内 部各个组成部分的特性及其相互关系，确定过程系统在规划、设计、控制和管 理等方面的最优策略。 过程系统工程自2 0 世纪6 0 年代产生以来，从理论上初步形成了自身的研 究内容和方法。7 0 年代以后，随着科技的进步，过程系统工程由纯粹的理论研 究走向工业化应用，并陆续开发与实现了过程系统的通用模拟系统及大型过程 工业在线动态控制系统。在当今以可持续发展要求为主题的2 1 世纪中，过程系 统工程面临着新的挑战和发展方向，概括起来主要有以下5 方面： 作为学科研究对象的过程系统工程，正从传统的中观系统向两头延伸， 方面向以产品设计为代表的微观世界延伸，另一方面向以供应链管理及全球 环境化学等为代表的超大规模系统延伸： 过程系统工稗中“过程”的含义由过去只制造二【艺过程延伸到经营管理 业务和决策过稃； 具有环境意识的过程系统工程( 绿色过程系统工程) 川； 动态过程系统工程及批处理过程系统工程： 系统集成( 包括过程集成和以过程运行为核心的集成) 。 1 1 1 过程系统综合的研究 过程系统综合或过程综合，是过程系统工程学的核心内容，是过程系统设 计的关键。它是指按着规定的系统特性，寻求所需的系统结构及其各子系统的 性能，并使系统按规定的目标进行最优组合【2 】o 过程系统综合的概念如图1 1 所示，即当给定过程系统的输入参数及规定其输出参数后，确定出满足性能的 过程系统，包括选择所采用的特定设备及其相互之间的联络关系，并提供某些 青岛科技人学研究生学位论文 变量的初值。在设计新建装置时，过程系统综合用于从众多备选方案中选择最 优流程，是一个极为复杂的大系统多目标最优组合问题，是过程系统工程学的 一个自口沿领域。 给定的或 可选择的输入 所要求的或 希望的输出 图1 - 1 过程系统综合示意图 f i gi - 1s k e t c hm a po f p r o c e s ss y s t e ms y n t h e s i s 自从r u d d 3 j 提出过程综合的系统性理论与方法以来，浚问题就一直受到众 多学者的广泛关注。前期研究主要从物料流程优化方面研究过程系统的设计， 主要集中于工业装置新流程的生成，从1 9 7 3 年w i s c o n s i n 大学r u d d 等人划时 代的著作( ( p r o c e s ss y n t h e s i s ) ) 出版到1 9 8 8 年d o g u l a s 推出化工过程概念设 计标志着这一领域的进步。过程系统综合的热点主要有两个：( 1 ) 工艺流程和 生产方案的合成，其主要目标是寻求技术先进可靠、操作优化合理的物料流程； ( 2 ) 能量系统的集成，主要是对能量系统进行耦合集成，降低能耗。 三十多年来，化工过程综合已在以下几个领域开展研究并取得不同程度的 进展：反应路径综合；反应器网络综合；换热器网络综合；分离序列综合；公用 工程系统综合：控制系统综合：全流程系统综合：过程系统能量和质量集成。 这些领域的研究进展不一，其中换热器网络的综合相对简单但效益显著，研究 得展成熟，在实践中取得的成效也最为显著【4 _ 8 】；分离过程的综合是继换热网络 之后的另一个研究热点p 。1 2 】；反应路径及反应器网络的综合目前的研究较少 1 3 - 1 4 1 ；公用工程系统作为过程系统的支撑系统，其综合问题的研究亦吸引了愈 来愈多的注意力【1 5 - 1 7 ；全流程系统综合作为过程系统综合的晟终目标，目前尚 处j 探索阶段，其进展对于实现整个过程系统的最优设计意义重大【l ”j 。 化工过程系统自产生以来由传统的经验选择、子系统的单独分步式设计， 转化为以系统论、控制论、人工智能等为理论基础，综合现代应用数学的最新 成就，并凭借数值计算技术进行系统智能化和同步优化与综合。过程系统综合 的方法可 分为经验规则法、热力学目标法和数学规划法1 2 。 经验规则法是应用一些经验积累下来的直观推理规则，剔除不可能或 不合理的方案，缩小搜索空阳j 以得到一个较优的可行解1 2 ”，这种方法 也叫直观推断法。在系统综合时，这种方法并不能保证一次就可以得 到系统的最优解，但以可行解为基础，采用一些调优规则反复改进流 圣 荦取精馏过程流程集成节能策略的研究 程综合方案是可以得到近优解的。 热力学目标法是以热力学原理和分析方法为基础，将过程系统的最小 能量消耗或能量利用率作为系统的综合目标，其中具有代表性的有 g o g g i o l i 的有效能分析 2 2 1 、华贲和徐天华的热经济优化分析法【2 3 】，梅 的有效能突分组综合法 2 4 】，l i n n h l f f 的夹点分析法【2 5 】等。 数学规划法是将过程综合问题归结成个全局最优化问题，并采用适 当的算法对其进行简化求解。这种建模方法列非凸、非线性混合离散 模型的全局求解策略尚未成熟，并有待进一步改进与完善。 尽管经验规则法和热力学目标法已经在过程系统综合中，特别是在换热网 络综合中取得了可喜的成绩，但这些方法既不能提供一个求解不同类型问题的 鲁棒性较好的方法，又不能准确地考虑系统整体综合时各个子系统之间的相互 影响，以及有效地实现过程系统的同步优化。数学规划虽能得到稳定的近优解， 但它无法有效的表达以工业生产实际经验和设计经验对综合过程的有效指导。 1 1 2 过程系统模拟的研究 在化工过程设备的控制与设计过程中，计算机模拟与优化已经得到了越来 越广泛的应用。化工过程系统模拟从模拟的对象看，包括分子模拟、传递模拟 及反应动力学模拟、操作单元过程模拟和流程模拟【2 “。而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，还是过程系统的综合，都 足以流程模拟为基础的。 按照过程系统模型计算模式不同，可分为模拟型、设计型和综合型，若考 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 模拟足化工过程流程模拟研究中丌发得最早，应用最为普遍的一种重要技术， 1 ：要包括物荆和能量的衡算、发备尺寸和费用计算及过程的技术经济评价，其 实质是求解一个非线性方程组。2 0 世纪基于稳念为主的模拟分析和实时优化技 术虽然基本卜满足了浚世纪过程工业发展要求，但是却难以满足2 l 世纪的要 求。一方面，过程工业企业f 在向数字化、实时化发展，管理一控制一体化并 实时化后，装置中的所有过程不会一直处于稳态操作，许多时候部分装罨处于 变化的过程之中：另+ 方面，刚性制造系统向柔性制造系统发展，而柔性制造 系统往往是批处理操作或半连续操作，这类操作均违背稳态连续生产的规律。 阂此，传统的以稳态过程为基础的模拟和实时优化己不能满足实践需要，与之 相应的产生了新的发展趋势：将稳态流程模拟系统扩充改进，使之有动态模拟 的能力。2 1 世纪过程模拟必然向基于动态的数据校i f 一动态过程模拟一动念实 时优化方向发展，其转化过程如图1 2 所示。 青岛科技人学研究生学伉论文 稳态数据校正- 动态数掘校正 稳态流程模拟一+ 动态流程模拟 jj 基丁稳态模拟 的闭环实时优化 基丁动态的 实时优化 图1 2 稳态模拟向动态模拟的过渡 f i g1 2t r a n s i t i o no f s t e a d yp r o c e s ss i m u l a t i o ni n t od y n a m i cp r o c e s ss i m u l a t i o n 随着化工过程模拟的不断成熟，动态模拟的研究成果不断推出。2 0 世纪7 0 年代初期，基于流体数值计算的流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 方法形成并蓬勃发展起来：8 0 年代后期，众多的动态模拟软件纷纷推出并走向 专业化和商业化；9 0 年代动态模拟得到长足的发展，新的模拟软件不断问世， 如加拿大h y p r o t e c h 公司的h y s i s 、美国a s p e n t e c h 公司的c u s t o m m o d e l e r 和d y n a m i c s ，应用于聚合过程的p o l y m e rp l u s 等。当今，由于能源和原材料 f 1 益紧张，环境污染f 1 益加剧，动态模拟将是今后过程模拟研究的重要方向。 化工过程系统模拟的实质是对一个大型非线性方程组的求解，针对系统分 析、设计及优化的具体情况不同，化工系统模拟的算法有三大类：序贯模块法、 联立方程法和联立模块法。 序贯模块法是开发最早、应用最广泛的方法，所需计算机内存较小， 易于实现通用化，便于学习和掌握。但是该方法中流程模拟存在物性 参数、单元模块以及系统断裂流股三层嵌套的迭代，同时由于控制过 程及循环嵌套层次的增加，会导致其计算效率降低。典型的模拟系统 有a s p e np l u s ( 美国麻省理1 _ 学院) 、p r o c e s s ( 美崮模拟科学公司) 、 e c s s ( 青岛化工学院) 等。 联立方程法是将描述过程系统的所有方程组织起来，形成一个大型非 线性方程组、进行联立求解。这种方法打破单元模块问的界限，可根 据计算任务的需要确定输入和输出变量，由于联立求解，避免了回路 的断裂、省去了嵌套迭代的时问，提高了计算效率。联立方程法处理 设计与优化问题具有很大的优势和潜力，但也存在稳定性差、存贮量 需求较大，以及难以进行错误诊断等问题。典型的模拟系统有 s p e e d u p ( 英国帝国学院) 、q u a s i l i n ( 英国剑桥大学) 、a s c e n d 一1 1 ( 美 国卡奈基梅隆大学) 。 联立模块法通常将整个模拟计算分为两个层次，第一层次是单元模块 苹取精馏过程流程集成l y 能策略的研究 的层次，第二层次是系统流程的层次。该方法交替使用两种模型：流 程水平上的简化模型和单元模块水平上的精确模型，即用单元模块的 严格模型确定其简化模型的各项系数，然后用简化模型构成联立方程 组来求解。联立模块法便于设计和优化问题的处理，其计算效率比较 高。但是这种方法在系统流程上简化模型的联立求解时，需要较好的 初值产生方法，否则在求解时存在可靠性的问题。 1 1 3 过程系统集成的研究 过程集成( p r o c e s si n t e g r a t i o n ) 作为过程系统工程研究的一个新领域，其概念 的提出始于2 0 世纪7 0 年代，目前其定义、内容及方法仍在不断的发展。国际 上曾专门召开了几次国际会议，会议名称即为“理解过程集成”( u n d e r s t a n d i n g p r o c e s si n t e g r a t i o n ) ，有的把其称为“概念设计”1 2 ”，有的称其为“过程系统的 能量集成” 2 8 1 ，有的称其为“过程整合”【2 9 】。过程集成是当今过程综合的研究 热点，侧重于在一定的物料流程方案的前提下，能量的综合利用与相应的设备 优化选择及流程结构之间的权衡，并考虑系统的柔性、司+ 控性、安全性和环境 目标等。 从狭义卜看，过程集成技术最初是从能量密集型的过程设计中，以提高能 量利用效率为目标发展起来的，具体的理论和方法产生于换热器网络综合问题 的研究。最初是以热力学第二定律分析为基础，用有效能的概念探讨能量的合 理利用，u m e d a ( 1 9 7 8 ) 3 0 1 和l i n n h o f f ( 1 9 7 9 ) 1 3 1 l 午目继在这方面作了开创性的研究工 作。他们先厉发现了过程系统内的能量流动存在着兴点，后来，l i n n h o f f 将这 一发现应用于全过程系统的能量分析及有效利用，逐渐形成了被称之为夹点技 术( p i n c ht e c h n o l o g y ) 的过程设计方法，如今已成为最主要的过程集成技术。 其精髓在于确定过程设计所能达到的目标( 这些目标包括能量、设备、原材料 费用以及柔性等) ，并将所确定的目标在实际的设计中加以实施。目前，央点技 术己在多方面取得了进展。大量的工业实践表明夹点技术对提高系统能量利用 率、降低投资和操作成本等方面具有重要的作用【3 。”j 。在换热网络的集成思想 和央点技术的基础上，其应用领域逐步扩展到提高原料利用率、降低污染物排 放和过程操作等方面p 。”j 。 2 0 世纪，过程工业在全世界取得了巨大的进步和发展，单元技术已经达到 了很高的水平，生产规模和效率不断提高。但发展与污染的矛盾、可持续发展 仍是需要解决的问题。过程集成从更为广泛的角度，将一些新技术、新流程集 成在一起，力争从源头上解决过程工业的优质、节能、环保及可持续发展等 题，世界上许多机构进行了这方面的研究【3 8 - ”l 。其中国际能源组织( 1 e a ) 成 立的过程集成委员会和英幽u m i s t 成立的山1 6 家跨国公司参与的过程集成研 究协会，是目前世界主要的过程集成研究中心。 目前，过程集成的尺度主要在宏观范围内1 4 0 ，如图1 3 所示。其最简化的 层次是单一生产过程内的集成；其次是把不i 司工艺过程之削的能量及物质集成 统一起束考虑，构成企业界的过程集成：最高层次是要考虑过程1 ：业与社会、 环境的协调发展，形成生态t 业。随着过程集成技术的发展，其应用尺度不断 向更小的分子和更大规模的化学供应链扩展，过程集成的乃法也不尽限于兴点 分析，数学规划、人工智能技术以及这两种方法与热力学方法的交叉和结合也 被引入过程集成【4 “。现在过程集成泛指从系统的角度进行设计优化，将化工系 统中的物质流、能量流和信息流加咀综合集成，为过程的丌发提供直接的方法 和工具支持。在这种情况下，一些新的过程集成的概念和技术被提出，如质量 交换网络、考虑环境影响的过程集成、多联产系统、工业生态化以及化学供应 箭年集成等。 1 2 分离过程综合 图1 3 不同层次的过程集成 f i gi 一3p r o c e s si n t e g r a t i o na td i f f e r e n tl e v e l s 12 1 分离过程综合的发展 分离过程作为化 = ：过程不可缺少的重要组成部分，在提i 岛q - i “过程经济效 益和产品质最中起重要作用。而且，t hj 分离过程的投资经常1 1 一到整个过程投 萃取精馏过程流程集成社能策略的研究 资的5 0 一9 0 ，其能耗常占整个过程能耗的7 5 n 上r 42 1 。因此，分离过程设计的 好坏对整个过程的性能至关重要。相比于发达国家，我国的化工过程强化集成 的研究还存有相当的差距。我国的单位产值能源消耗量比世界先进水平高的多， 主要原凶就在于分离过程的能耗大大高于发达国家。 分离过程综合是一个多层次的问题，多层优化相囊：嵌套和依赖使问题呈现 出十分复杂的特性。目前，分离过程综合已在以下几方面展丌1 研究工作： ( 1 ) 分离序列综合； ( 2 ) 考虑热集成的精馏流程综合； ( 3 ) 共沸分离系统的综合； ( 4 ) 分离过程与反应过程同时考虑的综合； ( 5 ) 反应精馏系统的综合； ( 6 ) 分离系统与整个过程系统同时考虑的综合。 化工分离自出现以来，其分离技术有了很大的发展，但精馏以其独特的优 势始终占据着主导地位。k i n gj c 4 3 1 、b a r n i c k i l 4 4 1 曾指出，在选择分离方法时应 首先考虑精馏，除非存在明显的理由不适于精馏。由于精馏在工业中的大量存 在，它的每一个进展都会带来巨大的经济效益。有人估计，在1 9 5 0 1 9 7 0 年中， 美国用于精馏装置的总投资为2 7 亿美元，正是由于精馏技术的改进这2 0 年内 节省了2 0 亿美元。因此努力开发和实现精馏过程节约能耗的措施是很有吸引力 的。目前，有关分离过程综合的研究9 0 以上集中在精馏系统综合的研究上。 12 2 精馏系统综合 ( 1 ) 精馏系统综合定义及其分类 过程综合( p r o c e s ss y n t h e s i s ) 是当今工程节能的丰要手段，其方法i l j 用于 分离系统的结构及各子系统性能优化的最优组合。t h o m p s o n & k i n 将分离( 精 馏) 系统综合问题表述为：给定一股进料混合物，已知它的状态( 组成、流率、 温度和压力) ，系统地设计出能从进料混合物中分离出所要求产品的精馏流程或 结构，并使总费用最小。用数学形式表示为 懒妒= c ，g ，) 1 一t 1 ( 1 1 ) 式中：f ，一可行的分离单元； c 一分离器i 的总的年度费用； 卜一s 的一个子集； 青岛科技人学研究生学位论文 s 一能产：生所要求产品的所有可行的分离器结构的集合： x ，一分离器i 的设计变量； x 一沦域b ，) “。 浚问题是一个混合整数非线性规划( m i n l p ) 问题，即做出从s 中产生予 集i 的离散决策，以及对连续变量x 的决策。医【此，设计者面临两个问题： 是找到最优的流程结构和每一个分离单元的性能；二是找到每个分离单元的最 优设计值，如结构尺寸、操作条件等，即在系统流程机构最优化的同时，每 个操作单元的设计也要最优化。 精馏系统综合问题从定义和数学形式上看，对于满足分离要求所采用的具 体流程方案没有明确限制，实际上，考虑到问题的复杂性以及具体分离过程的 背景知识，研究者常把这一大而复杂的系统分解为诸多子系统或子问题，并从 不司的侧面或层次进行求解，主要从三个方面对该问题进行分类： 按照分离流程中塔的构形进行分类，包括简单塔综合问题和复杂流程综 合问题。 按照是否考虑系统的热集成进行分类，可分为无热集成的综合问题和热 集成综合问题。同时，根据热集成形式的不同，还可以进一步分为塔问热集成、 塔和塔系之问热集成以及塔与整个系统热集成等问题。 按照产品纯度的要求进行分类。这种分类方法只是给出了问题研究的大 概轮廓，实际上各子问题之间并不是完全独立的，而是具有相关性的。 由于问题所涉及的知识呈现出层次性和独立性，使得各个子问题可以在不 同的层次下进行求解，同时又有知识的相关性，要求整个问题在总的策略下协 调求解。 ( 2 ) 精馏序列综合的规则 自6 0 年代丌始在相当长的一段时间内，精馏系统综合的研究工作集中在由 简单塔组成的精馏序列的综合上，并提出了几个著名的经验规则，主要归纳如 下： 经验规则1 ：难分离的组分应放在分离过程的最后处理： 经验规则2 ：最好将各个组分逐个从塔顶馏出，即采用直接分离序列； 经验规则3 ：进料中占据份额大的组分应首先分离出去； 经验规则4 ：最好采用塔顶馏出物和塔底产物流量近于等摩尔分配： 经验规则5 ：将回收率要求很高的馏分放在塔系的最后分离； 荦取精馏过程流料集成协能策略的研究 经验规则6 ：避免重复得到相同的产品以使得分离设备的数量最少； 经验规则7 ：当采用质量分离剂刚，除非其对后继分离过程有利，应在卜 一个分离器中立即回收，以减少后继过程的负荷。 为了避免这些规则在使用时出现冲突，n a d g i r & l i n t 4 3 1 将分离顺序的各个经 验规则分为四类，即分离方法规则、设计规则、组分规则和组成规则，将经验 规则按照重要程度排成次序，然后按顺序使用这些规则。 ( 3 ) 精馏过程分类 精馏过程的热力学基础是组分问的挥发度的差异。按照操作过程可分为间 歇精馏和连续精馏；按操作方式可分为常减压精馏、恒沸精馏、萃取精馏、反 应精馏、催化精馏、抽提精馏、热泵精馏和精密精馏。常减压精馏是普通的精 馏方法；恒沸精馏和萃取精馏的基本原理都是向待分离的混合物中加入第三组 分，以提高组分间的相对挥发度，从而用精馏的方法将它们分离；反应精馏是 在进行反应的同时用精馏的方法分离出产品的过程，当有催化剂存在时的反应 精馏称为催化精馏，催化精馏过程按照所用催化剂相态不同又可分为均相催化 精馏和非均相催化精馏过程。 1 3 精馏过程的节能技术 精馏过程是化学工业中耗能最大的单元过程。据估计分离过程的能耗约占 整个化学工业用能的4 0 ，而其中9 5 是精馏过程消耗的。美国曾统计全美国 4 0 0 0 0 多个精馏塔的耗能量相当于1 9 0 m l ( 1 2 0 万桶) ，几乎占全国能耗的3 。 因此，精馏过程的节能具有非常重要的意义，其节能措施涉及到分离方案的选 择、设备选型、操作、控制和管理等方面。从过程系统综合的角度出发，精馏 过程的节能措施和方法，可以通过不改变流程结构和改变流程结构两个方面来 考虑。 1 3 1 不改变流程的节能技术 精馏过程中不改变流程的节能技术主要是指优化过程的操作参数，如选择 合适的操作压力、同流比、进料热状态及回收率等。 ( 1 ) 选择合适的操作压力 精馏过程中操作压力的影响主要表现在以下几个方面： 塔顶蒸汽冷凝温度和塔釜液体的沸腾温度。此两温度随压力的增高而i + 列，如果塔顶蒸汽冷凝温度低于4 0 。c ，其冷凝就不能采圳水和空气作为冷却剂， 青岛科技人学研究生学位论文 而需要更昂贵的制冷剂，所以通常以此温度来确定塔的压力下限。而塔釜温度 的升高意味着所需要的加热剂一水蒸汽压力( 温度) 的升高，当塔釜温度更高 时，需要采用其他更昂贵的加热剂，操作费用剧增。所以蒸汽的加热温度彳i 能 超过最高公用工程温度，并以此来确定塔压的上限。此外，塔的操作压力还需 要保证处理的物料不能在高温下受热分解或聚合结焦。 组分间的相列挥发度。压力的升高将使组分间的相对挥发度下降，相列 挥发度又影响回流比、塔板数、汽液流量等一系列变化。当压力变化不大时， 此影响不很显著，当压力变化较大时，相对挥发度的变化对分离费用有相当影 u 吼如石油裂解的深冷分离过程中，此影响对操作压力的选择是一个重要因素。 塔的操作费用和造价。如果塔压力超过o 6 8 m p a 时，需要增加塔壳厚 度，小于0 6 m p a 时，一般没有影响。 ( 2 ) 选择合适的回流比 在精馏塔的设计和操作时，回流比是一个重要的参数。一方面它直接影响 再沸器和冷凝器的热负荷，决定分离的净功耗，从而确定操作费用；另一方面 与塔设备的投资密切相关。一般认为最佳回流比为最小回流比的1 1 1 1 2 4 。 ( 3 ) 选择合适的进料热状态 塔的进料热状态( 以q 表示) 是精馏塔设计的另一重要参数，同时影响塔 的操作费用、设备费用和分离效果。当塔的能量受提馏段支配时，进料的预热 使q 变小，从而可以减少提馏段的蒸汽负荷；当塔的能量受精馏段支配时，进 料的冷却使q 增大，从而减小冷凝器中加入的冷却剂的用量。 ( 4 ) 选择合适的组分回收率 对于多塔分离过程，虽然产品的纯度有具体的要求，但是每个塔的产品回 收率并不是唯一- 的，此时f 确选定各塔的回收率有重大的经济意义。 13 2 改变流程的节能技术 ( 1 ) 热泵精馏 热泵是一种靠消耗外部功将低温位的热源提高到高温位来使用的装置。在 精馏过程中，利用热泵将冷凝器中的低温热源提高到再沸器可以使用的温位， 则可以减少外部d 吣4 , c 和冷却的公用工程消耗。 ( 2 ) 增设中问再沸器 在精馏过程中采用中间换热的热集成方案可以降低对能量品味的要求和降 低过程的不可逆性，从而减少有效能损失。d h o l evr & l i n n h o f f b 4 6 1 h u a n ge ta l l 4 7 | 苹取精馏过程流程集成节能策略的研究 列中间换热器的热力学分析和使用规则作了详细的说明和总结。 ( 3 ) 多效精馏 多效精馏是从多效蒸发的概念引申出来的一种节能型精馏结构。多效精馏 虽然可以节省大量的能量消耗，但增加了设备投资。p h i l l i p 4 引和高维平等系 统分析了各种多效精馏的优化方法和使用规则。 ( 4 ) 采用复杂精馏结构 复杂精馏结构包括复杂塔和复杂精馏流程，精馏过程中，山于受到过程背 景及操作条件的制约，并不是所有的分离都能通过上述技术达到过程能耗最小 的目的。 所谓复杂塔是对一般意义上的简单塔( 一股进料，塔顶和塔底出料，塔 顶仝凝器，塔底再沸器) 而占的，除了由多股进料和侧线直接采出产品的塔构 形外，还包括预分馏塔和具有热偶合的精馏塔，如侧线汽提塔、侧线精馏塔和 p e t l y u k 塔( 完全热偶合塔) ，其流程见图1 4 。热偶合精馏塔结构的特征是，从 某个塔内引出一股液相物流直接作为另一塔的塔顶回流或引出一股汽相物流直 接作为另一塔的汽相回流，这样可以在塔中避免使用冷凝器或荐沸器，从而直 接实现热量的偶合。这种新型的节能精馏是在6 0 年代中期由原苏联学者 p e t l y u k 5 0 1 首先提出来的。它的设计卧5