（化学工程与技术专业论文）隔壁塔应用于萃取精馏及共沸精馏体系的研究.pdf

s t u d y o n a p p l i c a t i o no f d i v i d i n gw a l lc o l u m nt o e x t r a c t i v ea n d a z e o t r o p i cd i s t i l l a t i 。ns y s t e m s a t h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e e o fm a s t e r c a n d i d a t e ：x i n g w uc h a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p 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 l e n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp 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己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：蹦 隰功年月7 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 指导教师签名： 日期：加乒年6 月7 日 日期：2 刀l 。年 月7 日 摘要 精馏是化工过程中能耗巨大的单元操作，为了降低精馏过程的能耗，世界范围内的 许多研究机构都致力于开发能量利用率更高的流程，其中主要采用两种技术手段：一是 热耦合技术，如隔壁塔；二是精馏过程与其它过程的集成，比如精馏膜分离技术等。 对于多元共沸物或近沸点混合物的分离，工业上常采用萃取精馏和共沸精馏法，通过向 混合液中加入第三种组分( 夹带剂) ，提高待分离组分之间的相对挥发度，使其得以分 离。 本文将隔壁塔技术应用到萃取精馏和共沸精馏体系，对两种新类型的塔一萃取隔壁 塔和共沸隔壁塔进行了研究。首先，本文以萃取精馏分离甲醇丙酮混合物为案例提出 了萃取隔壁塔的设计优化方法，并用a s p e np l u s 模拟软件进行了单变量分析，确定了其 最优操作参数；然后，本文对萃取隔壁塔进行了剖面分析，并与常规萃取流程进行了比 较，从而证实了萃取隔壁塔消除了返混效应，降低了能耗。 在最优流程的基础上，本文通过有效能损失曲线图说明了萃取隔壁塔有效能损失的 主要原因，并且进一步对萃取隔壁塔进行了热力学分析，计算了其热力学效率。经过对 比，发现萃取隔壁塔的热力学效率比常规萃取流程明显提高，同时年总费用( t o t a l a n n u a l c o s t ，t a c ) 也有较大幅度地降低，具有明显的经济优势。此外，本文对由于萃取隔壁塔 的节能所引起的温室气体c 0 2 的减排量进行了定量计算，最终确定了萃取隔壁塔的环保 效益。 对于共沸隔擘塔的研究，本文采取了与萃取隔壁塔相同的研究方法和步骤，所采用 的案例为异丙醇脱水。结果表明，与常规共沸流程相比，共沸隔壁塔可以显著地减缓返 混效应，提高过程的热力学效率，并能大幅度地降低年总费用和c 0 2 排放量，具有明湿 的经济和环保优势。 关键词：萃取隔壁塔，共沸隔壁塔，节能，热力学效率，年总费用，c 0 2 排放 s t u d yo na p p l i c a t i 。n 。f d i v i d i n gw a l lc 。l u m nt oe x t r a c t i v e a n d a 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 s x i n g w uc h a n g ( c h e m i c a l e n g i n e e r i n g & t e c h n 。1 。g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t e p r o f l a n y is u n a b s t r a c t d 1 8 l i a t i 。n1 s 锄u n i to p e r a t i o n w i t h h i 曲e n e 唧c 。n s u m p t i 。ni nc h e m i c a li n “s 帆t o s a v e e n e 嘲蝴r c h e 璐i nt h ea r c a 。f p r o c e s ss y s t e m se n g i n e e r i n ga 响e r e s t e d i n d e v e l 。p i n g 一脚8 s s y s e m sw i hh i g h e n e 唧u t i l i z a t i o n e n c y t h e r e a r em a i n l y 铆。m e t h o d s c a n b eu s e df o rt h i s i n t e n t i o n , 舳m e l y ：t h e 珊a l l yc 。u p l e dt e c h n 。l 。既s u c ha sd i v i d i n gw a l l c o l u m n ( d w c ) a n di n t e g r a t i o no fd i s t i l l a t i o np r o c e s sa n d o t h e rp r o c e s s ，s u c ha sd i s t i l i 二。n m e m b m n es e p a r a t e c h n o l o g y e x t r a c t i v ea n da z e 。t r o p i c d i s t i l l a t i 。n sa r ec 。m m 。n i yu s e d m i n d u s t r yt os e p a r a t ec l 。s e b 。i i i n gp o i n tm i x t u r e sa n da z e 。t r o p e sb yu s i n ga na d d i t i o n a l e n t m m 盯t 。a i t e rt h e 托l a t i v e v 。l a t i l i t y 。ft h ec 。m p o n e n t st 。b e s e p a r a t e d t h i sp a p e ra p p l i e 8d w c t e c l l i l 。l 。g yt oe x t r a c t i v ea n d a z e 。t r o p i cd i s t i l l a t i 。ns y s t e 雠，a n d m a k e sas m d y 。f 咖n e w 咖e s 。f d i s t i l l i 。nc 。l 呦s ：e x t m c t i v e d i 、，i d i i l gw a l lc 。l 。砌 ( e d w c ) a n d a z e 。t r o p i cd i v i d i n gw a l lc o l o m n ( a d w c ) i nt h e p r e s e n tw o r k 二e d e s i g n ： o p t 蛐1 z a t l 。np r o c e d u r e s 。fe d w c i n t e n d e df o rt h es 印a r a t i 。n 。fm e t h a n 。妇c e t 。n e m i x t u r e a r ee v a l u a t e df i 昭ta n d t h e nt h eu n i v a r i a t e a n a l y s i si si m p l e m e n t e dw i t ha s p e np i u st 。b t a i n t n e o 邮啪o p e r a t i o np a r a m e t e r s i na d d i t i 。n ，t h ec r o s s - s e c t i 。n a l a n a l y s i s 。fe d w ci sm a d e a n dc 。m p a r e dw i t ht h ec 。n v e n t i o n a l e x t r a c t i v ep r o c e s s ( c e p ) t h er e s u l t ss h 。w st h a te d w c c a nd e c 佗8 8 et h e d e g r e eo f b a c k m i x i n ga n dr e d u c ee n e 唧c 。n s u 删。n b a s e d 。nt h e 。p t i m u mp r o c e s s ，m e r e a s 。n sf o re x e r i g yl 。s s 。fe d w a r ei l l u s t r a t e d t h r o u g he x e 料l 。s sp r o f i l e sa n dt h e nt h et h e 肋。d y n a m i c a n a l y s i s 。f e d w ci sc a 仃i e d 。u t 1n er e s u l s 8 h 。wt h a t h e t h e 胁o d y n a m i ce 慨n c y0 f e d w ci s i m p r o v e da p p a 删y ? 唧砒岫旺p ；m 0 r e o v e r ，t h e t o t a la n n u a l c 。s t ( t a c ) 。fe d w c i sr e c d u c e d , w h i c h 1 i l d i c a t e st h a te d w c h a sm 。r ee c 。n 。m i c a d v a n t a g e s a tl a s t ，t h ee x p l i c i te s t i m a t i 。n 。fc o ， - m i s s i o n s r e d u c t i o nd u et oe n e w s a v i n g s 。fe d w ci sc a 州e d 。u ta n dt h e e n v i r o n m e n t a l 一，i ：r d s ：e x 仃a c t i v e d i v i d i n gw a l lc o j u m ，a z e o t r o p j cd i v j d j n gw a l i c 。i u m n ，e n e r g y s a v l n g s h e r m o d y n a m i ce f f i c i e n c y , t a c ，c 0 2e m i s s i o n s 州 蛳 坩 蛔 k 池 叭 耋l 岫 ；1 喜咖姆m 咖 ； b 船 帅 械咖? 一 胁 k 黜 蠹 湘 嘲 m 慨 眺 一 慨 一 跳 m m 砌 一 咄 蛐 加 g 砌 = = 一 譬邮嘲恤一帕： 慧一一 雠 ；l 砌 帅 薹 呲 一咖一嗍嘶正 舢 m 阿 m 眦 嗽 d 瑚 曲 棚 a 州 一 一一 一一 目录 第一章绪论1 1 1 前言1 1 2 隔壁塔研究进展2 1 2 1 隔壁塔国内外研究现状2 1 2 2 隔壁塔的工业应用3 1 2 3 隔壁塔的基本结构与原理4 1 2 4 隔壁塔的设计与优化8 1 2 5 隔壁塔的适用范围9 1 3 萃取精馏研究进展1 0 1 3 1 萃取精馏简介1 0 1 3 2 萃取精馏溶剂的选择1 0 1 3 3 萃取隔壁塔简介l l 1 4 共沸精馏研究进展1 2 1 4 。1 共沸精馏简介1 2 1 4 2 共沸精馏夹带剂的选择1 3 1 4 3 共沸隔壁塔简介l3 i 5 a s p e np l u s 模拟软件简介l 5 1 6 本章小结1 6 第二章萃取隔壁塔的设计与优化1 7 2 1 设计方法1 7 2 - 2 萃取隔壁塔的模拟18 2 2 1 模拟条件18 2 2 2 物性方法选择与验证1 9 2 3 单变量分析2 0 2 3 1 分配比的影响2 0 2 3 2 溶剂比的影响2 l 2 3 3 回流比的影响2 2 2 4 剖面分析2 4 2 4 1 常规萃取流程与萃取隔壁塔内组成分布比较2 4 2 4 2 常规萃取流程与萃取隔壁塔内温度分布比较2 7 2 4 3 常规萃取流程与萃取隔壁塔内流量分布比较2 8 2 5 本章小结3 0 第三章萃取隔壁塔的性能评价31 3 1 热力学效率计算3l 3 1 1 基本理论31 3 1 2 有效能损失图3 3 3 1 3 计算结果及分析3 6 3 2 年总费用计算3 9 3 2 1 基本理论3 9 3 2 2 计算结果及讨论4 l 3 3 c 0 2 排放量计算4 2 3 3 1 基本理论4 2 3 3 2 计算结果及讨论4 3 3 4 本章小结4 4 第四章共沸隔壁塔的没计与优化4 5 4 1 共沸隔壁塔的设计方法4 5 4 2 共沸隔擘塔的模拟4 7 4 2 1 模拟条件4 7 4 2 2 物性方法选择与验证4 8 4 2 3 模拟结果4 9 4 3 剖面分析5 0 4 3 1 常规共沸流程弓共沸隔壁塔内组成分布比较5 0 4 。3 2 常规共沸流程与共沸隔壁塔内温度分布比较5 2 4 3 3 常规共沸流程与共沸隔壁塔内流量分布比较5 3 4 4 共沸隔壁塔的优化5 6 4 4 1 进料板位置5 6 4 4 2 刨流比和液体分配比5 6 4 5 本章小结5 7 第五章共沸隔壁塔的性能评价5 8 5 1 有效能损失图5 8 5 2 热力学效率计算6 2 5 3 年总费用计算6 4 5 4 c o z 排放量计算6 5 5 5 本章小结6 6 结 论6 7 参考文献6 9 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 3 致谢 7 4 符号说明 换热l 面毛r ( m 2 ) 水的比热( k j k g - k ) 饱和蒸汽价格( $ ) c 0 2 排放量( k g h ) 塔径( m ) 有效能( k 、聊 进料流量( k g h 或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 j 玉力校正系数 板间距校正系数 塔板类型校正系数 液相焓( k j m 0 1 ) 蒸汽焓( k j k g ) 塔板总高度( m ) 摩尔焓( k j m 0 1 ) 汽相焓( k j m 0 1 ) 汽液相平衡常数 液相流量( k m o l h ) 塔高( m ) 有效能损失( k w ) 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 摩尔流量( k m o l h ) 总理论板数 实际板数 号 - 警 静 肠 觥彳。o嘞。 助f r 厅凡乃b e k b 一矗日 髟 三 k 肼 坳| 堇 疗 单位质量燃料燃烧所放出的热- 量- ( k j k g ) 换热量( k 哪 燃料燃烧所释放的总热量( k w ) 再沸器热负荷或汽提蒸汽所需的热量( k 啪 摩尔熵( j m 0 1 ) 熵变( j k ) 温度( k ) 温差( k ) 冷却水进出口温差( k ) 环境温度( k ) 理论火焰温度( ) 烟囱温度( ) 年总费用0 0 0 0 5 年) 系统温度( k ) 液体侧线物流( k m o l h ) 汽相流量( k m o l h ) 最人汽相流量( k m o v h ) 汽相侧线物流 最小分离功( k 哪 轴功( k w ) 碳原子数 液相摩尔分数 氢原子数 汽相摩尔分数 进料物流组成 液相 汽相 脚 9s 蝣 竹 嘶而砌k 脚 珏u 矿 形 瞻 x x y y z塬 矿砾 c l l 三 月 矿 希腊字母 a b 印 九p 协c p y 冷凝器 f 组分 层板 液相 再沸器 汽相 c 0 2 和c 摩尔质量比 d w c 塔体费用校正系数 热力学效率( ) 蒸汽潜热( k 胜g ) 导热系数( k w “m 2 k ) ) 汽相密度( k 咖3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 精馏是化工、石化行业中应用最广泛的单元操作，但精馏过程的能耗巨大、热力学 效率低。随着能源危机的加剧以及全球变暖所造成的严重后果的影响，越来越多的工程 领域的专家致力于开发高能量利用率的流程，以期降低能耗和c 0 2 排放量。在化工、石 化行业中，精馏过程约占据了全球总能耗的3 ，因此专家们致力于精馏过程的节能研 究，其中热耦合技术是精馏过程集成强化的一个有效手段，它不但提高了过程效率和安 全性，而且较大幅度降低了精馏过程的能耗，减少了设备投资，最终降低了生产成本， 提高了经济效益。 热耦合技术在精馏过程中的应用以隔壁塔( d i v i d i n gw a l lc o l u m n ，d w c ) 为丰要代 表。隔壁塔最早于1 9 世纪3 0 年代i 扫l u s t e r 因裂解气的分离提出，并申请了美国专利f l 】； 其典型结构是在普通精馏塔内部设置一块垂直隔板，该隔板将塔分成四个区域：公共精 馏段( 隔壁项部) 、公共提馏段( 隔壁底部) 、预分馏段( 隔板左侧) 以及侧线精馏段 ( 隔板右侧) 。其中，公共精馏段、侧线精馏段和公共提馏段合称为主塔。此后，p e t y l u k 又提出全热耦合精馏塔( 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【2 1 。目前隔壁塔已经具有隔 板可自由拆装、设置位置可按需移动的多种结构形式。 与常规的简单精馏序列相比，隔壁塔能够显著地提高分离过程的热力学效率，既降 低了能耗，又有效地减少了设备投资和操作费用。因此，在热力学上，隔壁塔是最理想 的系统结构【3 i 。以三元混合物的清晰分割为例，传统的方法是采用双塔直接或者间接精 馏序列进行分离，而采用隔壁塔，只需一个塔就可以完成相同的分离任务，并且其侧线 采出的产品纯度比常规精馏塔的要高。由于将两个常规塔合并，隔壁塔节省了一个塔体、 一个再沸器、一个冷凝器以及其它管线等辅助设备。研究表明，对于不同的体系，隔蹙 塔可以节约能晕1 0 - 6 0 ，节省设备投资1 0 - 5 0 0 4 5 。另外隔壁塔尤其适合于热敏性组分 的分离，这是因为在操作过程中物料只被加热一次，在塔釜中的停留时间相对较短。 虽然隔壁塔具有较多的优点，但其结构复杂，各区域之间通过耦合物流相互连接， 这样其自由度比简单塔明显增多，从而增加了其设计优化、操作和控制的难度；尤其是 隔壁塔的控制问题，这是自隔壁塔的概念提出以来限制其工j i k 应用主要原因。 第一章绪论 对于多元共沸物或近沸点混合物的分离，工业上常采用萃取精馏和共沸精馏的方法 来处理。这两种特殊精馏的基本原理都是在原料中加入第三种组分( 夹带剂) ，以提高 待分离组分问的相对挥发度，使其得以分离。但是常规萃取精馏和共沸精馏一般采用双 塔操作，能耗相对较大，尤其是对于常规共沸精馏，夹带剂和进料系统中至少一种组分 形成最低共沸物由塔顶蒸出，气相负荷较大，能耗较高。本文将萃取精馏原理和隔壁塔 技术有机结合，构成一种新型的耦合精馏装置一萃取隔壁塔( e x t r a c t i v ed i v i d i n gw a l l c o l u m n ，e d w c ) ；同理，将共沸精馏原理和隔壁塔技术结合起来，构成了共沸隔壁塔 ( a 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 ) 。在保证产品纯度和产量的条件下，上述 两种类型的隔壁塔可以用来进行旧流程的改造并使能耗大幅度降低，从而实现设备投资 和操作费用的降低，并获得相应的环保效益。 1 2 隔壁塔研究进展 1 2 1 隔壁塔国内外研究现状 自从隔壁塔的概念被提出以后，在接下来的几十年中隔壁塔得到了广泛的关注，特 别是能源危机的出现，促使隔壁塔的研究获得了突破性进展。 2 0 世纪8 0 年代，f i d k o w s k i 等【6 7 】以塔内最小蒸汽流量为目标函数，提出了隔壁塔 分离理想三组分混合物的线性优化方案。但是该方案忽略了塔板数的影响，只可以作为 初步的探索研究，并不能为后续的严格模拟计算提供初始值。 进入9 0 年代，t r i a n t a f y l l o u 等【8 】提出一种简化的常规三塔模型来类比分离三元混合 物的隔擘塔，然后根据f e n s k e u n d e r w o o d g a l l i l a n d 公式进行设计计算。他们的研究表 明，预分馏段的汽液相采出量是由该塔段中轻重组分的回收率决定的，并且受到主塔汽 液相总流量的制约；此外，t r i a n t a f y l l o u 等第一次揭示了隔壁塔节能的本质原因一减缓 了返混效应，而返混效应是造成精馏过程热力学效率低下的主要原因。t r i a n t a f y l l o u 的 三塔模型可以为严格模拟提供较好的初值，推动了隔壁塔的进一步研究和应用。 9 0 年代末，d u n n e b i e r 等【9 】提出了。种新的隔壁塔的优化设计方法，即应用简单塔 的严格模型和数值优化方法，解决隔壁塔等复杂塔的设计操作参数。这种方法使设计过 程更加合理可靠，但在连续和非连续参数的设计问题上存在诸多不足。h e m a n d e z 等【j o 】 在t r i a n t a f y u o u 等三塔简化模型的基础上，以能耗最小为目标函数，先计算出主塔和预 分馏段的理论塔板数并确定进料位置，然后采用动态模型优化其它操作参数。该方法没 有说明耦合物流位置的确定依据，而且固定了某些变量，因此也存在一定的缺陷。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 l 世纪初，a m m i n u d i n 等】提出了一种半严格法，该方法同样以三塔简化模型为 基础，从进料状况和产品纯度出发，利用平衡级概念计算各个塔内的组分浓度分布，并 且调节塔板数使之最终满足中间组分的纯度要求。值得一提的是，该方法并不是简单的 以能耗最低为优化目标，而是以设备投资和操作费用( 年总费用) 最小化为目标来优化 操作参数。同年，鼬m 【1 2 ，1 3 】提出一种严格设计方法。该方法的设计过程主要分为两步： 一是先计算预分馏段和主塔的理论板数( 取最小理论板数的2 倍) ：二是严格模拟。先 设定耦合物流的初值，然后逐步调整相关参数使塔顶、塔底和侧线采出产品纯度符合要 求，从而得到最优化操作结果。 近年来，国内外更有数位学者针对隔壁塔的设计及稳态模拟做了大量研究。k o l b e f 】 详细阐明了隔壁塔的结构及耦合方法；h a l v o r s e n h l 对隔壁塔的优化操作进行了简捷分 析；p r e m k u m a r t l 6 】等把六种工业上常见的分离j 组分混合物的常规流程改为隔壁塔流程， 并且提出了隔壁塔的简捷设计方法；f l o r e s l 对隔壁塔进行了热力学分析，阐明了隔壁 塔分离效率高的原因。目前，研究者们对隔壁塔的研究更是扩展到分离四组分( 甚垒更 多) 混合物得到四种产物的情况，并已着眼于将隔壁塔技术应用于特殊精馏体系，如反 应精馏1 8 , 1 9 1 。为了能实现工业化应用，一些专家对隔壁塔的控制问题进行了研究。 国内对隔壁塔研究较少，仅江苏工业学院的叶青等 2 0 , 2 1 入采用醋酸水，丙烯丙烷 等体系进行了萃取隔壁塔的模拟研究并申请了相关专利。 1 2 2 隔壁塔的工业应用 世界上第一座工业化的隔壁塔是1 9 8 5 年由德国的b a s f 公司设计制造的，该公司 目前已设计制造了2 0 余座隔壁塔，其中大部分用于三组分混合物的分离【2 2 , 5 。k e l l o g g 公司和b p 公司设计出一座用于烷基重整流程的间歇操作的隔壁塔，该塔的生产能力比 原流程增加了一倍【2 3 1 ；s u m i t o m o 重工和k y o w a y u k a 公司合作开发了生产乙酸乙酯的隔 壁塔【2 3 】；l i n d ea g 公司建造了世界上最大的隔壁塔f 2 4 】，塔高1 0 7 m ，直径5 m ，该塔目 前归南非的s o s o l 公司所有；k r u p p 公司为v e b ao e l 公司设计了一座用于从热解汽油中 分离芳烃苯的隔壁塔；另外，c h e r r o n 公司也设计了一座相同类型的隔壁塔，即将投入 生产1 2 3 】；美国u o p 公司成功地将隔壁塔应用于提纯粗庚烷的生产装置中，该装置简化 了生产流程，提高了生产效率【2 5 】。为了保护知识产权，上述公司均已申请了专利。 目前，全球已有近3 0 0 座隔壁塔投入生产运行，而且工业投产量还在逐年增加。但 国内目前为止还没有发现隔壁塔的工业应用实例。在能源需求日益紧张的现代工业社 3 第一章绪论 会，减小我国精馏技术水平同国外的差距，降低企业的生产成本和能量消耗，提高产品 在国际上的综合竞争力，是现代中国化工行业的必行之路。 1 2 3 隔壁塔的基本结构与原理 对于多元混合物的分离，常规的方法是采用两个及以上的精馏塔进行操作，而且每 个塔都设置塔顶冷凝器和塔底再沸器( 某些特殊类型的塔除外，如汽提塔没有再沸器) 。 如果从第一个塔塔顶采出一股汽相物流进入第二个塔，而从第一个塔侧线抽出一股液相 物流作为塔顶回流返回到第一个塔，这样便可以省去第一个塔塔顶的冷凝器；同理，如 果从第一个塔塔底采出一股液相物流进入第二个塔，而从第二个塔侧线抽出一股汽相物 流作为塔底加热蒸汽返回到第一个塔，便可以省去第一个塔塔底的再沸器；如果第一个 塔塔顶和塔底的汽液相交换同时进行，便可以节省一个冷凝器和一个再沸器。卜述的三 种精馏方式均可以实现热量的耦合，因此称之为热耦合精馏。 以三元混合物分离为例( 其中a 、b 和c 三种组分按照相对挥发度递减顺序排列) ， 热耦合精馏方案根据耦合程度不同可分为侧线精馏系统、侧线提馏系统和全热耦合精馏 塔或隔壁塔。 图1 1 为分离三组分混合物的常规直接序列，若体系满足一定的条件可以转化为图 1 - 2 所示的侧线精馏系统，该系统由主塔和侧线精馏塔组成。一股汽相物流由主塔侧线 抽出送入侧线精馏塔底部作为加热蒸汽，该股汽相物流中中间组分b 的含量最高；而侧 线精馏塔底部的液相物流返回到主塔；在主塔的塔顶和塔底分别得到轻组分a 和重组分 c ，而中间组分b 经侧线精馏塔提纯后，由其顶部采出。 a b c 图i 1 常规直接序列 a b c 图1 2 侧线精馏系统 f i g l - i 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 一2 s i d e - r e c t i f i e rs y s t e m 图1 3 为分离三组分混合物的常规间接序列，若体系满足一定的条件可以转化为图 1 4 所示的侧线提馏系统，该系统由主塔和侧线提馏塔组成。一股液相物流由主塔侧线 抽出送入侧线提馏塔顶部作为塔顶回流，该股液相物流中中间组分b 的含量最高；而侧 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 线提馏塔顶部的汽相物流返回到主塔：在主塔的塔顶和塔底分别得到轻组分a 和重组分 c ，而中间组分b 经侧线提馏塔分离后，由其底部采出。 a b c a b c 图l - 3 常规间接序列 图l - 4 侧线提馏系统 f i g l - 3 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 - 4 s i d e - s t r i p p e rs y s t e m 图l - 6 为w r i g h t 【z 6 1 - 于1 9 4 9 年提出的隔壁塔，即在一个简单精馏塔的中间设置一块垂直 隔板，使进料和侧线产品物流分别位于隔板的两侧。隔壁塔的作用原理类似于双塔的预 分馏系统( 见图1 5 ) ，其隔板左侧的预分馏段相当于预分馏系统的预分馏塔，主塔部分 则相当于预分馏系统的第_ 二个塔，但只需要一个塔体、一个再沸器和一个冷凝器。隔壁 塔尤其适合于分离轻组分、中间组分以及重组分相对挥发度差别较大，且中间组分的含 量较高的物系，能耗比常规流程显著降低。 a b c a b c 图1 - 5 预分馏系统图i 石隔壁塔 f i g l - 5 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 - 6d i v i d i n gw a l lc o l u m n 图1 - 8 为p e t l y u k 提出的全热耦合精馏塔，又称俐j p e t l y u k 塔【2 l 。p e t l y u k 塔由预分馏塔 和主塔构成，其设计过程可以按照图1 7 所示的常规三塔分布序列进行8 1 。预分馏塔的作 用是将混合物进行初步分离，在塔顶得到全部的轻组分a 和部分中间组分b ，而在塔底 得到全部的重组分c 和部分中间组分b ；主塔的作用是将预分馏塔塔顶和塔底的物料进 一步分离，最终在其顶部得到符合纯度要求的产品a ，在中部得到产品b ，在底部得到 产品c 。值得注意是，在热力学上，隔壁塔( 如图1 - 6 所示) 完全等同于p e t l y u k 塔，因此 5 第一章绪论 其设计过程可以按b 胃, p e t l y u k 塔来进行。 a b c a b c 围l - 7 常规三塔分布序列图1 - 8 全热耦合精馏塔 f i g l - 7 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 - 8f u l l yt h e r m a l l yc o u p e i dd i s t i l l a t i o nc o l u m n 除了上述几种常见类型的热耦合精馏塔以外，本文涉及到了其它类型的热耦合精馏 塔，比如热耦合萃取精馏塔和热耦合共沸精馏塔，本文将进行详细描述。 隔壁塔比常规精馏序列节能的主要原因有两方面：( 1 ) 隔壁塔有效地避免( 或减缓) 了中间组分在塔内的返混效应，提高了精馏过程的热力学效率；( 2 ) 在隔壁塔中，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上的组成基本一致，避免了剧 烈传质所造成的有效能损失，符合最佳进料板的要求。下面仍然以分离三元混合物为例 进行说明，其中a 、b 、c 分别为轻组分、中间组分和重组分。 工业上分离三元混合物时，一般采用常规直接序列( 图1 1 ) 和常规间接序列( 图 1 3 ) 的方法。以常规直接序列为例，轻组分a 由第一个塔的塔顶抽出，而在该塔塔底 得到b c 混合物。根据精馏作用原理，第一个塔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 - 9 为常规直接序列中b 组分浓度分布图。由图1 9 可以看出，自上而下， 第一个塔内中间组分b 在各层塔板上的浓度分布先逐渐增大后减小，其中在靠近塔釜处 的某一层板上浓度最高，这就是精馏过程中所谓的返混效应，返混效应造成了有效能的 严重浪费；另一方面，由第一个塔底部采出的b c 混合物以较低的中问组分含量进入第 二个塔，在进料过程中不可避免地会造成该塔进料板上的物流混合，从而产生能量损失。 同理，常规间接序列与常规直接序列存在相同的返混效应和进料混合，只是返混 效应在第一个塔中出现的位置有所不同。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 - 9 常规直接序列中b 组分浓度分布 f i g l - 9c o m p o s i t i o np r o f i l e so rbi 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 1 0 隔壁塔中b 组分浓度分布 f i g l - 1 0c o m p o s i t i o np r o f i l e so fbi nd w c 图1 1 0 是隔壁塔中b 组分浓度分布图。从图1 1 0 可以看出，预分馏段首先将三 元混合物初步分离成两股物流，即在其顶部得到全部轻组分a 和部分中间组分b 的混 合物，而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，主塔的l 二部将a b 组分进行分离，主塔的下部将b c 组分 进行分离，最终在隔壁塔的塔顶得到符合纯度要求的产品a ，塔底得到产品c ，而中间 组分b 则由主塔中浓度最高的塔板抽出，整个操作过程完全消除了中间组分b 的返混 效应。同时，主塔上部侧线抽出一股液相物流返回到预分馏段的项部作为液相回流，而 主塔下部侧线采出一股汽相物流返回到预分馏段底部作为加热蒸汽。这样，预分馏段可 省去一个塔顶冷凝器和一个塔底再沸器，只用一个塔体即可完成分离任务，减少了设备 投资。另外，预分馏段顶部和底部进入主塔的进料组成也与主塔中这两层进料板上的组 成相近，符合最佳进料板要求，从而进一步减少了有效能损失。 7 第。章绪论 1 2 4 隔壁塔的设计与优化 隔壁塔的设计变量比常规精馏塔多得多，尤其是其控制问题，一度限制了隔壁塔的 发展应用【8 1 。图1 1 1 展示了常规直接序列与p e t l y u k 塔( 或隔壁塔) 设计变量的比较。 由于隔壁塔在热力学上完全等价于p e t l y u k 塔，因此对隔壁塔的模拟与优化可以完全按 照p e t l y u k 塔的模拟与优化来进行。 黟l 庋叫 进料一 位置? d 蝥 廷岁徐 回流履? 1 一 - p 匿9 瓣 图l l l 常规直接序列与p e t l y u k 塔设计变量的比较 f i g l - 1 1c o m p a r i s o no fd e s i g nv a r i a b l e sb e t w e e nc o n v e n t i o n a ld i r e c ts e q u e n c ea n dp e t l y u kc o l u m n 三元混合物的分离作为最常见的案例，在p e t l y u k 塔等热耦合塔的研究中被广泛的 应用，所涉及的研究内容包括参数估计、设计优化、敏感性分析和热力学分析等方面。 其中研究者们最为关心的就是热耦合塔的合理优化，以期最大幅度地降低能耗。 f i d k o w s k i 等饽j 首先提出第一个系统的设计优化p e t l y u k 塔的方法。该方法以一个线 形简捷模型为基础，其优化的目标函数是塔内的汽相流量。然后，f i d k o w s k i 等f 7 1 又进一 步将该方法扩展延伸到了其它复杂的热耦合塔的设计优化。但是，该方法所确立的设计 模型的精确性不够高。 对丁侧线精馏系统和侧线提馏系统的设计优化，c a r l b e r g 等f 2 7 1 提出的最小回流比计 算方法获得了广泛认可。该方法主要分为两步：一是将这两种类型的热耦合塔分别建立 与之相对应的简单塔流程，使耦合流程中的每一个塔的作用清晰化；二是简化这两种类 型热耦合塔的设计自由度。在此基础上，c a r l b e r g 等【2 7 又提出了p e t l y u k 塔的最小回流 比计算方法，在设计过程中他们首先做了相应的简化和假设。图1 1 2 为c a r l b e r g 等【2 7 】 在p e t l y u k 塔的设计计算过程中所采用的三塔模型图。图1 1 2 中左图塔1 的作用是实现 物料的初步分离( 非清晰分割) ，而塔2 的再沸器和塔3 的冷凝器都是“假设的”，左图 中各个塔的具体作用可以通过与右图的对比获悉；然后，c a r l b e r g 等同样采用简化设计 自由度的方法计算各个塔的最小回流比。 8 裔l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 b b c 图l 一1 2 p e t l y u k 设计计算三塔模型图 f i g l - 1 2t h r e e - c o l u m nm o d e lo fp e t l y u kc o l u m nd e s i g n t r i a n t a f y l l o u 等1 8 】提出了一种基于u n d e r w o o d 三塔简捷模型的p e t l y u k 塔的设计和优 化方法，并且揭示了p e t l y u k 塔节能的本质原因是减缓了返混效应。另外，a m m i n u d i n 等】和k i m 等 1 2 , 1 3 分别提出一种半严格和严格的p e t l y u k 塔的设计优化方法。上述几种 方法已经在1 2 节进行了综合阐述。 目前为止，众多的工程领域的专家对p e t l y u k 塔等复杂的热耦合塔的设计和优化以 及控制