（化学工程与技术专业论文）共沸隔壁塔的模拟、优化与控制.pdf

t h es i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o na n dc o n t r o lo fa z e o t r o p i c d i v i d i n gw a l lc o l u m 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 ：y a w e nt a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f l a n y is u n 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 f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 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： 婆萄叁盔 日期训f 年6 月岁日 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、缩印或其它复制手段 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：坌坠司兰叁 日期：) 。1 年6 月歹日 指导教师签名：2 互翌主玉兰一 日期： 加，年彭月尸 日 摘要 过程集成与强化是化学工程的重要研究领域，隔壁塔由塔壳与塔内的垂直隔板构 成，通过汽液相物流的耦合实现能量的交换，单塔即可分离三元混合物，是精馏过程集 成强化的典型代表；共沸精馏法是石油化工行业中用来分离共沸或近沸混合物的主要方 法之一，加入系统的挟带剂与待分离组分形成最低共沸物从塔顶蒸出，在塔底得到高纯 度的产品，使用共沸精馏法可降低分离难度，但能耗较大。 本文将隔壁塔技术与共沸精馏原理相结合，以异丙醇脱水过程为例，对共沸隔壁塔 进行了研究。共沸隔壁塔结合了隔壁塔与共沸精馏的优势，是一种高度强化的新型分离 设备，能够在保证产品纯度和产量的同时降低能量消耗，节省操作费用和设备投资，提 高化工过程经济性。 在研究过程中，首先根据剩余曲线图设计了三塔流程、双塔流程和双塔改进流程三 种常规共沸精馏流程，分别分析其特点，将稳定性较强的双塔改进流程转化为共沸隔壁 塔，并在a s p e np l u s 中模拟。结果表明使用隔壁塔分离共沸物系是可行的，异丙醇和水 产品的摩尔纯度均在9 9 9 以上。 在稳态模拟基础上计算共沸隔壁塔的全年总费用，考察共沸隔壁塔主塔理论板数、 侧线提馏塔理论板数、侧线提馏塔进料位置、液相分配比、耦合物流位置等条件对全年 总费用的影响，以全年总费用最小为目标函数确定最优操作条件，并与常规共沸精馏三 种流程进行对比。结果表明在完成同样生产任务的情况下，共沸隔壁塔在能量消耗、设 备投资、操作费用等方面具有明显的优势。 在最优操作条件基础上进行共沸隔壁塔控制策略的研究，为系统设计了温度控制、 流量控制、液位控制、压力控制等基础控制回路：根据塔内温度分布图和液体组成分布 图选取较敏感的点作为测温点，以两点平均温度代替单点温度作为被控变量，通过控制 温度间接控制产品质量；在a s p e nd y n a m i c s q j 进行动态模拟，测试系统在进料流量扰动 和进料组成扰动下的控制性能。结果表明共沸隔壁塔的各项指标均能在一定时间恢复到 规定的数值范围内，且产品质量合格，该控制策略的控制效果较好。 关键词：共沸隔壁塔，异丙醇脱水，模拟，优化，控制 a b s t r a c t p r o c e s si n t e g r a t i o na n di n t e n s i f i c a t i o ni sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hd o m a i no fc h e m i c a l e n g i n e e r i n g ，t h ed i v i d i n gw a l lc o l u m n ( d w c ) c o n s i s t s o fas i n g l es h e l lc o l u m na n dad i v i d i n g w a l l ，w h i c hc a ns e p a r a t et h r e ec o m p o n e n t sa tt h es a m et i m eb yt h ec o u p l i n go fv a p o ra n d l i q u i dp h a s e s d w ci sat y p i c a le x a m p l eo fr e f i n i n gp r o c e s si n t e g r a t i o na n di n t e n s i f i c a t i o n a z e o t r o p i cd i s t i l l a t i o ni sc o m m o n l yu s e di ni n d u s t r yt os e p a r a t ec l o s eb o i l i n gp o i n tm i x t u r e a n da z e o t r o p e s i na z e o t r o p i cd i s t i l l a t i o n ，t h em i n i m u ma z e o t r o p e sm a d eu po fe n t r a i n e ra n d s o m ec o m p o n e n t sw o u l db ed i s t i l l a t e df r o mt h et o po ft h ec o l u m n ，a n dh i g h - p u r i t yp r o d u c t w o u l db eo b t a i n e df r o mt h eb o t t o m a z e o t r o p i cd i s t i l l a t i o nm a k e ss e p a r a t i o ne a s y , b u tt h e e n e r g yc o n s u m p t i o n i sq u i t eh u g e t h i sp a p e ra p p l i e sd w c t e c h n o l o g yt oa z e o t r o p i cd i s t i l l a t i o ns y s t e m ，a n dm a k e sas t u d y o fa z e o t r o p i cd i v i d i n gw a l lc o l u m n ( a d w c ) t h ec a s ea s s e s s e di nt h i sp a p e ri si s o p r o p y l a l c o h o l d e h y d r a t i o n w i t h c y c l o h e x a n e a sa ne n t r a i n e r a d w ci sa ni n n o v a t i v e h i g l l l y - i n t e n s y i n gs e p a r a t i n ge q u i p m e n t w h i c hc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so fd w ca n d a z e o t r o p i cd i s t i l l a t i o n a d w cc a nr e d u c ee q u i p m e n ts i z ea n de n e r g yc o n s u m p t i o n ，e n h a n c e p r o c e s se f f i c i e n c y , a n db r i n gh i g h e re c o n o m i c b e n e f i t s f i r s t , t h r e ec o n v e n t i o n a la z e o t r o p i cp r o c e s s ( c a p ) n a m e dt h r e e - c o l u m ns e q u e n c e ， t w o - c o l u m ns e q u e n c ea n dt w o - c o l u m np r o p o s e ds e q u e n c ea r ed e s i g n e da c c o r d i n gt or e s i d u e c u r v em a p s ( r c m ) ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h et w o - c o l u m n p r o p o s e ds e q u e n c ew i t hh i g hs t a b i l i t yi si m p r o v e d t oa na d w ca n ds i m u l a t e di na s p e np l u s t h er e s u l t ss h o wt h a ti t i sf e a s i b l et os e p a r a t ea z e o t r o p i cm i x t u r eb yu s i n gad w ca n dt h e p u r i t yo fi s o p r o p a n o la n d w a t e rb o t he x c e e d9 9 9 t a k i n gt h ef o u n d a t i o no fs t e a d ys i m u l a t i o n ，t h eo p t i m i z e do 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 so fa d w c a r eo b t a i n e db ym i n i m i z a t i o no ft h et o t a la n n u a lc o s t ( t a c ) w i t hf i v e d e s i g nv a r i a b l e s ：t h es t a g en u m b e ro fm a i nc o l u m n ，t h es t a g en u m b e ro f s i d ec o l u m n ，t h ef e e d l o c a t i o no fs i d ec o l u m n ，t h ec o u p l e ds t r e a ml o c a t i o n ，t h el i q u i ds p l i tr a t i o t h e nt h et a co f e a c hc a pi sc a l c u l a t e du s i n gt h es a m em e t h o da n dc o m p a r ew i t ha d w c ，t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ea d w ch a sab e t t e rp e r f o r m a n c ei ne n e r g ya n dc a p i t a lc o s ts a v i n g t h es t u d yo fc o n t r o ls t r a t e g yo fa d w ci sb a s e do nt h eo p t i m u mp r o c e s s t h ei n v e n t o r y c o n t r o ls t r a t e g yi sd e t e r m i n e df i r s t , s u c h 弱t h ec o n t r o lo ft e m p e r a t u r e ，f l o wr a t e ，l i q u i dl e v e l a n dp r e s s u r e t h r e et e m p e r a t u r ec o n t r o ll o o p sc a nb eu s e dt oc o n t r o lt h ep r o d u c t sq u a l i t y , a n d t h ea v e r a g et e m p e r a t u r e so fs e n s i t i v et r a y sa r ec h o s e nt ob et h ec o n t r o l l a b l ev a r i a b l e t h e c o n t r o ls t r a t e g yi st e s t e dw i t hf e e dc o m p o s i t i o nd i s t u r b a n c ea n df e e df l o wr a t ed i s t u r b a n c ei n a s p e nd y n a m i c s ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f a d w cw o r k sw e l l k e yw o r d s ：a z e o t r o p i cd i v i d i n g w a l l c o l u m n ，i s o p r o p y l a l c o h o l d e h y d r a t i o n ， s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，c o n t r o l 目录 第1 章绪论1 1 1前言1 1 2 精馏技术简介。2 1 3 精馏过程节能技术5 1 4 隔壁塔研究进展6 1 4 1隔壁塔的基本结构与原理6 1 4 2 隔壁塔的研究进展及应用现状。l l 1 5 共沸精馏研究进展1 2 1 5 1 共沸精馏简介1 2 1 5 2 共沸精馏挟带剂的选择1 2 1 5 3 共沸精馏的控制1 3 1 6 化工过程模拟方法简介15 1 6 1数学模型1 5 1 6 2 稳态模拟16 1 6 3 动态模拟17 1 7本章小结1 7 第2 章共沸隔壁塔的设计与模拟。1 9 2 1模拟软件介绍1 9 2 2物系分析1 9 2 3热力学方法的选择与检验2 l 2 4 共沸精馏流程的设计2 3 2 4 1剩余曲线2 3 2 4 2 共沸精馏三塔流程2 4 2 4 3 共沸精馏双塔流程。2 5 2 4 4 共沸精馏双塔改进流程2 5 2 4 5 共沸隔壁塔2 9 2 5 共沸隔壁塔的模拟3 0 2 5 1 平衡级模型3 0 2 5 2 模拟过程。3l 2 6 本章小结3 3 第3 章共沸隔壁塔的优化3 4 3 1 共沸隔壁塔的优化方法3 4 3 2 共沸隔壁塔的优化过程3 8 3 2 1 侧线提馏塔进料位置对全年总费用的影响3 8 3 2 2 侧线提馏塔理论板数对全年总费用的影响3 8 3 2 3 耦合物流位置对全年总费用的影响：3 9 3 2 4 主塔理论板数对全年总费用的影响4 0 3 2 5 液相分配比对全年总费用的影响4 l 3 3 共沸隔壁塔的优化结果4 2 3 ，3 1 共沸隔壁塔的最优操作条件4 2 3 3 2 共沸隔壁塔的最小全年总费用4 4 3 4 本章小结4 5 第4 章共沸隔壁塔的控制研究“。4 6 4 1 过程控制系统简介4 6 4 1 1 被控变量和操纵变量的选择4 6 4 1 2 执行器的选择4 7 4 1 3 控制器的选择4 7 4 2 动态模拟相关参数的设定4 7 4 2 1 流体输送机械与调节阀的设定4 7 4 2 2 设备尺寸的计算4 9 4 3 共沸隔壁塔的控制策略4 9 4 3 1 共沸隔壁塔的控制指标与主要干扰4 9 4 3 2 共沸隔壁塔的基础控制设计5 l 4 3 3 共沸隔壁塔产品质量控制设计5 3 4 3 4 共沸隔壁塔的控制性能分析5 7 4 4 本章小结。6 2 结论6 3 总结。6 3 问题与展望6 3 参考文献。6 5 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 9 j 【谢7 0 常用符号 彳 a d w c a q g c s c y h d f f c f d 凡 f p f s f t 办 所 h i p a k 凰 l c m w m s n n 删 符号说明 换热面积( m 2 ) 共沸隔壁塔 水相 水的比热( k a k g k ) 饱和蒸汽价格( $ ) 环己烷 塔径( m ) 进料流量( k m o l h ) 压力、材料结构等校正系数 设计类型校正系数 材料校正系数 压力校正系数 板间距校正系数 塔板类型校正系数 液相焓( k j m 0 1 ) 塔板总高度( m ) 汽相焓( k j m 0 1 ) 异丙醇 汽液相平衡常数 增益 最终增益 液相流量( k m o l h ) 塔高( m ) 平均分子量( k g k m 0 1 ) m a r s h a l l s w i f t 指数 总理论板数 实际板数 o r p 。 q r c m r t a c t l t 2 u 矿 赋 形 】， z 下标 c 三 r 矿 希腊字母 e 厶 p v f j 有机相 最终周期 换热量( k 聊 剩余曲线图 温度) 全年总费用 共沸隔壁塔主塔区 共沸隔壁塔侧线提馏区 液体侧线物流o 咖o i i ) 汽相流量( k m o l h ) 最大汽相流量( k m o l h ) 汽相侧线物流( k m o l h ) 汽相摩尔分数 进料物流组成 冷凝器 液相 再沸器 汽相 d w c 塔体费用校正系数 蒸汽潜热( k j 瓜酚 导热系数( k w ( m 2 k ) ) 汽相密度( k g m 3 ) 积分时间常数( m i n ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 过程集成与强化是化学工程的重要研究领域，旨在完成生产任务的前提下，通过减 少装置数目、减小生产设备尺寸等方法使工厂布局紧凑合理、能耗更低、废料更少，从 而降低生产成本、提高生产效率、增强生产的安全性、减少环境污染，是实现绿色化学 的关键技术。热耦合技术通过塔间汽液相耦合物流进行能量的交换，是精馏过程集成强 化的有效手段，使用热耦合技术可提高精馏过程效率、大幅降低能耗、减少设备投资和 生产成本，使整个系统更富经济性。 l9 世纪3 0 年代l u s t e r l l 】在裂解气分离流程中提出了隔壁塔( d i v i d i n gw a l lc o l u m n 。 d w c ) 概念，隔壁塔通过在普通精馏塔内部设置垂直隔板，将塔划分为不同的区域， 区域间利用汽液相耦合物流实现传热，在一个塔内就可完成常规精馏流程中两个塔才能 完成的分离任务，是热耦合技术在精馏过程中的主要应用。此后，p e t y l u k 2 】提出了全热 耦合精馏塔( f u l l yt h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o nc o l u m n ，f t c d c ) 的概念，并指出在热 力学上，隔壁塔和全热耦合精馏塔是完全等效的【3 1 。 与常规精馏序列相比，隔壁塔具有较多优势，能够显著提高分离过程的效率，其侧 线产品的纯度比常规精馏塔高；隔壁塔将两个常规塔合并为一个塔，节省了一个塔体、 一个再沸器、一个冷凝器及其它管线等辅助设备，可有效减少设备投资；在操作过程中， 隔壁塔中的物料在塔釜中停留时间相对较短，只被加热一次，尤其适合热敏性组分的分 离；从热力学上分析，隔壁塔通过汽液相物流的耦合实现了能量的充分利用，较大幅度 的降低了能耗和操作费用。据文献报道 4 1 ，对于不同的体系，隔壁塔可以减少1 0 6 0 能 量，节省1 0 5 0 设备投资。但隔壁塔结构复杂、各区域间存在耦合物流、自由度较多， 其设计、优化和控制的难度较大，这在一定程度上限制了隔壁塔在工业上的应用。 共沸精馏法是石油化工行业中用来分离共沸或近沸混合物的主要方法之一。对于组 分间沸点相近的混合物，采用传统精馏方法分离需要相当多的塔板，耗费大量的能量； 对于组分间能形成共沸物的混合物，产物浓度受限于共沸点，采用传统精馏方法无法获 得高质量的产品。共沸精馏通过向原料中加入挟带剂，使待分离组分间的相对挥发度增 大，突破共沸瓶颈，降低分离难度，得到高纯度和高附加值的产品。然而挟带剂在流程 中循环使用，总是与系统中至少一种组分形成最低共沸物由塔顶蒸出，与常规精馏流程 保证产品纯度和产量的同时减少能量消耗、降低操作费用和设备投资，提高整个系统的 经济性，获得相应的环保效益。 1 2 精馏技术简介 分离过程是将混合物分成两种或两种以上不同组成的产品的操作，可为化学反应提 供符合质量要求的原料，清除对反应或催化剂有害的杂质，减少副反应，提高目标产品 收率，对反应产物进行分离提纯，获得合格产品，并使未反应物得以循环利用。分离操 作广泛应用于石化、冶金、食品、制药、原子能等工业，对提高生产过程经济效益和产 品质量具有重要的作用。 工业上常见的分离过程包括平衡分离和速率分离。平衡分离借助热能、溶剂、吸附 剂等分离媒介使混合物分为两相，根据相平衡时各组分在两相系统中的不等同分配实现 分离，闪蒸、精馏、吸收、萃取等过程属于平衡分离；速率分离是在浓度差、温度差、 压力差等推动力作用下，利用各组分间扩散速度的差异实现混合物的分离，膜分离、超 滤、反渗透、渗析等过程属于速率分离。 蒸馏在化工生产中具有重要的地位，它利用混合溶液各组分间沸点的差异实现分 离。工业上实施蒸馏的操作方法有闪蒸、简单蒸馏和精馏等。精馏起源于1 9 世纪初期， 是一种利用回流使液体混合物分离的蒸馏方法。精馏经过数百年来的发展己相当成熟， 常用于石油、化工、制药、食品等领域。在精馏塔中，混合液由于回流的作用反复进行 部分汽化和部分冷凝，汽液两相逆流接触，进行相际传质，液相中的易挥发组分进入汽 相，汽相中的难挥发组分转入液相，最终在塔顶得到较纯的易挥发组分，在塔底得到较 纯的难挥发组分。 在化工生产过程中，常使用特殊精馏法分离组分间沸点相近或能形成共沸物的混合 物【5 】，通过向混合溶液中添加新的组分，改变原组分间的相对挥发度，降低分离难度。 特殊精馏包括共沸精馏和萃取精馏，共沸精馏中新加入的组分与被分离物系形成最低共 沸物由塔顶蒸出，在塔底得到高纯度的产品；萃取精馏中新加入组分的沸点比原组分高， 可提高原组分间的相对挥发度。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 a b a b b 图1 - 1 将隔壁塔技术应用于共沸精馏流程示意图 f i g l 一1 d w c t e c h n o l o g yi nc a p 反应精馏将化学反应和物理分离过程结合在一起，是精馏技术中的一个特殊领域。 反应精馏具有以下优点【6 】：反应器和精馏塔合为一体，可节省设备投资；反应产物生成 后接着被移除，增加了反应的转化率；产物的移除使反应物始终保持较高的浓度，提高 第l 章绪论 了反应的速率；反应热的利用可为系统节省能量。反应精馏可用于醚化、酯化、缩合、 烷基化、脱水等反应过程。 当混合溶液的分离要求较高、原料品种或组成经常变化时，常采用间歇精馏的操作 方式【7 1 。间歇精馏将全部原料一次性加入蒸馏釜内，通过加热使之沸腾，塔项蒸气经冷 凝后，一部分作为产品，另一部分回流至塔内；精馏结束后，残液一次性由釜内排出， 再加入下一批原料。随着精细化工工业的发展，间歇精馏的应用范围越来越广，其研究 也得到了相应的重视，开发新型的操作模式对于缩短操作时间、节省能耗具有明显的效 果。间歇塔中持液量的计算也得到了一定的发展，对工程设计和实际生产操作过程的指 导有着较大的意义。 当今社会能源紧张、石油提价，人们对分离技术的要求越来越高，分离难度也越来 越大。为了适应这些新的要求，除了对当前常规精馏过程加以改进外，还可将精馏与膜 分离、吸附等其他分离方法有机结合起来，开发新型分离流程和新的分离方法。 可靠的精馏实测数据有助于开发压降模型，也是检验物性方程的基础。从二十世纪 六七十年代至今，美国精馏研究公司进行了一系列工业规模的实验，取得了十分有价值 的实测数据，为各种精馏模型的建立奠定了重要的基础。 在计算机技术飞速发展的带动下，基于理论板的物料衡算、能量衡算和平衡关系模 型的精馏过程稳态模拟已相当完善，能够模拟大部分复杂精馏过程的计算程序成为工程 设计人员不可缺少的工具。计算程序的应用对于拓宽精馏的应用范围、提高经济效益具 有较大意义。近年来，特殊精馏和反应精馏的模拟计算取得了较大进展，但在物性方程 的修正、通用算法的改进、收敛过程的稳定性等方面仍有较大的研究空间。 精馏过程的控制在二十世纪七十年代之前主要为常规仪表与计算机的直接数字控 制，控制算法以各种p i d 、串级、比值、前馈等为主；七十年代至八十年代，大型生产 装置开始采用集散型控制系统，在硬件上将控制回路分散化、数据显示与监督功能集中 化，大幅提高了控制的可靠性；八十年代实现了高级过程控制和优化操作，多种改进后 的控制算法如多变量解耦控制、预测控制、推断控制等被广泛应用于工业生产过程现场， 美国出现了如s e t p o i n t 、d m c 、s i m c o n 等专门研究控制与优化的软件公司，其软件大量 推向市场，在几百家大型石油炼化企业中获得一致好评，至今仍然具有很强的竞争力。 目前精馏领域的研究依然十分活跃，而且不断取得成果。精馏的基础研究由宏观整 体向微观局部发展，研究目标由现象描述向过程机理转移，研究方法由化工理论向多学 科交叉方向拓展，研究手段向高技术化迈进。随着科学技术和工业生产水平的提高，精 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 馏技术以低能耗、低成本为目标，在提升产品质量的同时促进绿色化工的发展，具有非 常广阔的研究与应用空间。 1 3 精馏过程节能技术 据统计【8 】，石油化工、炼油生产过程中4 0 7 0 的能量用于分离，而精馏能耗占其 中的9 5 。精馏是石油化工生产过程中非常重要的单元操作过程，其目的在于将混合物 中的各组分分离至符合质量要求的纯度，广泛应用于石油、化工、制药、食品等领域。 然而精馏过程的热力学效率低、能耗巨大，在当今世界能源日益短缺的情况下，精馏过 程的节能研究非常重要。为降低生产能耗和c 0 2 排放量，工程领域的专家致力于开发高 能量利用率的精馏流程。 精馏过程的节能目标是在满足产品质量要求的前提下把能耗降到最小。精馏的本质 是将物理有效能转化为扩散有效能，在这个过程中因流体流动的压降、不同浓度物流间 的传质与混合、不同温度物流间的传热与混合等不可逆现象产生物理有效能的损失。压 差、浓度差和温差是不可缺少的推动力，但推动力越大过程的不可逆性也越大，有效能 损失也大。推动力间存在相互作用与影响，在实际情况中需要综合考虑，寻求切实可行 的节能措施，合理、有效地利用能量 g j 。通过塔内热集成、塔系间热匹配，可实现精馏 塔的节能优化，常见方式有： 1 ) 多效精馏。多效精馏是一种充分利用能量品位的有效节能措施，常用于分离多 组分混合物。多效精馏流程中若干精馏塔按压力递减顺序排列，高压塔塔顶蒸汽冷凝所 释放的热量用于汽化次级低压塔塔釜液，除压力最低的塔外，其余塔塔顶蒸汽的冷凝潜 热均被精馏系统自身回收利用，减少了传热的不可逆性，降低了能耗。 2 ) 热泵精馏。对于组分间相对挥发度较小的低温精馏系统，热泵精馏是一种提高 热力学效率的有效手段，其原理为利用膨胀阀和压缩机改变冷凝和沸腾温度，将冷凝器 释放的热量作为再沸器的热源。热泵精馏将回收的潜热用于过程本身，省去了冷凝器所 需的冷却水和再沸器所需的加热蒸汽，外界仅向系统提供压缩机消耗的能量。 3 ) 使用中间换热装置。对于塔内温差较大的精馏塔，可通过增加中间换热器的方 式节省能量。普通精馏塔中能量由温度最高的再沸器加入，由温度最低的冷凝器移出， 净功消耗大，热力学效率低，操作费用也随塔釜温度的升高和塔顶温度的降低而升高。 使用中间换热装置可缓解这种状况，若塔上部温度分布存在显著变化，可在精馏段设置 中间冷凝器，利用低品位冷剂作冷源，节省塔顶冷凝器中高品位冷剂的用量，减少能耗； 第1 章绪论 若塔下部温度分布存在显著变化，可在提馏段设置中间再沸器，利用低品位热源，减少 塔底再沸器高品位热源的消耗。 更加直接有效的节能方式是改变精馏塔的结构，开发能够分离多组分混合物的新型 精馏塔。b r u g m a 1 0 】于1 9 3 7 年提出了热耦合方案，这一方案突破了传统简单塔序列的概 念，构造了能分离三组分混合物的节能型复合精馏流程。热耦合精馏通过塔间汽液相耦 合物流进行能量交换，为两塔提供精馏所需的下降液体和提馏所需的上升蒸汽。热耦合 精馏可根据耦合程度的不同分为侧线精馏系统、侧线提馏系统、全热耦合精馏系统和隔 壁塔。热耦合精馏与常规精馏相比，可节省大约3 0 的能耗，大大提高了能量的利用效 率，并且以耦合物流取代换热器，节省了设备投资，具有极大的经济价值。2 0 世纪6 0 年 代，c a h n 和m i c e l i 1 、p e t l y u k 和p l a t o n o v 2 】对热耦合精馏进行了相关研究；8 0 年代 f i d k o w s k i 和k r o l i k o w s k i t l 2 】等提出了热耦合精馏系统的设计方案。随着化工过程研究的 不断进展，热耦合精馏技术将日趋成熟，在实践中得到越来越多的应用。 1 4 隔壁塔研究进展 1 4 1 隔壁塔的基本结构与原理 隔壁塔是热耦合技术在精馏过程中的主要应用，通过在普通精馏塔内部设置一块垂 直隔板将塔划分为不同的功能区域，仅需一个塔即可完成常规精馏流程中两个塔才能完 成的分离任务。除隔壁塔外，热耦合精馏还包括侧线精馏系统、侧线提馏系统和全热耦 合精馏系统。下面以a 、b 、c 三元混合物的分离为例对这几种分离方式进行说明，其中 a 、b 、c 分别为轻组分、中间组分和重组分。 图1 2 为常规直接序列，由第一塔塔顶得到轻组分a ，第二塔塔顶得到中间组分b ， 第二塔塔底得到重组分c ；当体系满足一定的条件时，常规直接序列可转化为如图1 3 所示的侧线精馏系统。该系统由主塔和侧线精馏塔组成，从主塔侧线抽出一股中间组分 b 含量较高的汽相物流，进入侧线精馏塔底部作为加热蒸汽，从侧线精馏塔底部抽出一 股液相物流返回主塔。在主塔塔顶得到轻组分a ，主塔塔底得到重组分c ，侧线精馏塔 塔顶得到中间组分b 。侧线精馏系统以耦合物流代替了一个再沸器。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 a b c a b c 图l - 2 常规直接序列图l - 3 侧线精馏系统 f i g l - 2 c o n v e n t i o n a ld i r e c ts e q u e n c e f i g l - 3s i d e r e c t i f i e rs y s t e m 图1 4 为常规间接序列，由第一塔塔底得到重组分c ，第二塔塔顶得到轻组分a ， 第二塔塔底得到中间组分b 。当体系满足一定的条件时，常规间接序列可转化为如图1 5 所示的侧线提馏系统。该系统由主塔和侧线提馏塔组成，从主塔侧线抽出一股中间组分 b 含量较高的液相物流，进入侧线提馏塔顶部作为塔顶回流，从侧线提馏塔顶部抽出一 股汽相物流返回主塔。在主塔塔顶得到轻组分a ，主塔塔底得到重组分c ，侧线提馏塔 塔底得到中间组分b 。侧线提馏系统以耦合物流代替了一个冷凝器。 a b c a b c 图l - 4 常规间接序列图l - 5 侧线提馏系统 f i g l 一4 c o n v e n t i o n a li n d i r e c ts e q u e n c e f i g l - 5 s i d e - s t r i p p e rs y s t e m 图1 - 6 为常规三塔分离序列，混合物先在第一塔中初步分离，在塔顶得到全部轻组 分a 和部分中间组分b 的混合物，塔底得到全部重组分c 和部分中间组分b 的混合物， 再经由第二塔和第三塔进一步分离，在第二塔塔顶得到轻组分a ，塔底得到中间组分b ， 在第三塔塔顶得到中间组分b ，塔底得到重组分c 。当体系满足一定的条件时，常规三 塔分离序列可转化为如图1 7 所示的完全热耦合塔 1 3 】。该系统由预分馏塔和主塔组成， 预分馏塔相当于常规三塔分离序列中的第一塔，主塔相当于常规三塔分离序列中的第二 7 第l 章绪论 塔和第三塔，预分馏塔和主塔间由汽液相耦合物流连接，预分馏塔塔顶和塔底的物料进 入主塔中进一步分离，最终在主塔顶部得到符合纯度要求的产品a ，在主塔底部得到产 品c ，由主塔侧线抽出产品b 。完全热耦合精馏塔以耦合物流取代了一个再沸器和一个 冷凝器，与常规三塔分离序列相比节省一个塔体。 a b c a b c 图1 6 常规三塔分布序列 图l - 7 完全热耦合精馏塔 f i g l 一6 c o n v e n t i o n a ld i s t r i b u t e ds e q u e n c e f i g l - 7f u l l yt h e r m a l l yc o u p e l dd i s t i l l a t i o nc o l u m n 图1 8 为预分馏系统，混合物先在第一塔中初步分离，在塔顶得到全部轻组分a 和 部分中间组分b 的混合物，塔底得到全部重组分c 和部分中间组分b 的混合物，再经 由第二塔进一步分离，在第二塔塔顶得到轻组分a ，塔底得到重组分c ，塔的侧线采出 中间组分b 。当体系满足一定的条件时，预分馏系统可转化为如图1 9 所示的隔壁塔， 即在普通精馏塔内部设置一块垂直隔板，将塔分成四个区域：位于隔壁顶部的公共精馏 段、位于隔壁底部的公共提馏段、位于隔板一侧的预分馏段、位于隔板另一侧的侧线精 馏段。其中公共精馏段、侧线精馏段和公共提馏段合称为主塔。预分馏段相当于预分馏 系统的第一个塔，主塔相当于预分馏系统的第二个塔。预分馏段与主塔间由汽液相耦合 物流连接，在主塔项部得到符合纯度要求的产品a ，在主塔底部得到产品c ，由主塔侧 线抽出产品b 。隔壁塔以耦合物流取代了一个再沸器和一个冷凝器，只需一个塔体即可 完成三元混合物的分离。在热力学上，隔壁塔和全热耦合精馏塔是完全等效的【3 1 。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 a b c a b c 图1 - 8 预分馏系统图1 - 9 隔壁塔 f i g l - 8 p r e f r a c t i o n a t o ra r r a n g e m e n ts y s t e m f i g l - 9d i v i d i n gw a l lc o l u m n 隔壁壁塔通过对塔内汽液相物流焓值的合理分配实现热量的利用，是热力学上最理 想的精馏系统。与常规精馏序列相比，隔壁塔具有以下优势：避免或减缓中间组分在塔 内的返混【b 】，提高精馏过程的热力学效率；由预分馏段顶部和底部进入主塔的物料，其 组成与主塔进料板处基本一致，避免了因剧烈传质造成的有效能损失，符合最佳进料板 的要求；只需一个塔体、一个再沸器、一个冷凝器即可完成常规精馏两个塔才能完成的 分离任务，在设备投资上更加节省。 在如图1 2 所示的常规直接序列中，根据精馏作用原理，各层塔板上的液相组成是 不同的，项部塔板轻组分a 的浓度最高，塔底重组分c 的浓度最高，而中间组分b 则 分布在塔顶和塔底之间。图1 1 0 为常规直接序列中b 组分浓度分布图，第一个塔内中 间组分b 的浓度先随塔板高度的降低逐渐增大，在靠近塔釜处的某一层板上达到最高， 之后又逐渐减小，这种纵向的浓度变化导致返混效应，传质推动力减小、传递速度降低、 有效能严重浪费；在常规直接序列中，b c 混合物进入第二个塔时与进料板处物流混合， 因组成差异较大，不可避免的造成能量的损失。 9 第1 帝绪论 图i - 1 0 常规直接序列中b 组分浓度分布 f i 9 1 1 0c o m p o s i t i o np r o f i l e so fbi nc o n v e n t i o n a ld i r e c ts e q u e n c e 图1 一1 1 是隔壁塔中b 组分浓度分布图。预分馏段将三元混合物分离成两股物流， 在其顶部得到全部轻组分a 和部分中间组分b 的混合物，在其底部得到全部的重组分c 和部分中间组分b 的混合物。预分馏段顶部和底部的两股物流进入主塔后，主塔上部将 a b 组分分离，主塔的下部将b c 组分分离，最终在隔壁塔的塔顶得到高纯度的a ，塔 底得到高纯度的c ，由主塔中b 浓度最高处抽出中间组分b 。隔壁塔的分离过程中不存 在中间组分b 的返混，由预分馏段顶部和底部进入主塔的物流与主塔中进料板处的组成 相近，符合最佳进料板要求，减少了因混合产生的有效能损失：预分馏段与主塔间的汽 液相耦合物流代替了一个冷凝器和一个再沸器，只需一个塔体即可完成分离任务，节省 了设备投资和操作费用。 图l l l 隔壁塔中b 组分浓度分布 f i g l - 1 1c o m p o s i t i o np r o f i l e so fbi nd w c 需要指出的是，隔壁塔有一定的应用范围，当物系的分离需由再沸器提供大量的热 量或需由冷凝器将物料冷却至很低的温度时，单纯依靠汽液相耦合物流无法提供足够的 能量，这种情况下不适宜采用隔壁塔【1 4 】。 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 4