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大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 在整个化工过程中，分离过程的能耗占整个过程能耗的7 5 以上。在众多分离 方法中，精馏是当代应用最广泛的一种工业分离混合物的方法，也是能耗最大的化 工单元操作。在分离过程的能耗中，精馏约占9 5 。因此能量利用的合理与否是精 馏系统优劣的关键。随着能源危机的产生，精馏过程的节能成为目前研究精馏过程 的主要课题。 热偶精馏是自1 9 6 4 年由苏联学者提出的一种新型的节能精馏，又称p e t l y u k 精 馏，它以主塔和副塔组成的复杂塔系代替常规精馏塔序列，由于其可逆混合特性， 可提高热力学效率，在热力学上是最理想的系统结构，可同时节省设备投资与能 耗。在7 0 年代能源危机时，热偶精馏的设计、优化和应用受到西方的广泛关注，开 展了大量的研究工作，主要集中在研究其设计计算方法和塔的操作特性方面。研究 结果表明，与传统的精馏系统相比，热偶精馏在分离沸点相近的物系时能够大幅度 节省加热、冷却费用，但因为其操作灵敏度太高，难以在工业中维持正常操作，因 此这种节能精馏未在工业上推广使用。 本文建立了t c s 热偶精馏模拟的通用数学模型，给出了在t c s 热偶精馏简捷 计算基础上的逐板计算数学模型和求解方法，与t c s 热偶精馏简捷计算进行了比 较，在此基础上对t c s 热偶精馏进行了灵敏度分析，以此选择灵敏板，对t c s 热 偶精馏流程进行优化计算、模拟及控制，编制计算机通用程序，根据热偶精馏的特 点及灵敏度分析的结果提出控制方案。通过苯一甲苯一乙苯物系的实例对本文建立 的数学模型、求解方法及所编制的计算机程序进行了考核计算和灵敏度分析计算， 选择出灵敏板，给出控制方案。结果表明：逐板计算法比简捷计算更能准确、全面 地反映出精馏塔各级塔板的状态分靠；用灵敏度分柝法选择控制方案，使优化控制 更趋完善。 关键词：热偶精馏；模拟；优化；灵敏度分析 大连理工大学专业学位硕士学位论文 o p t i m a lc a l c u l a t i o n ，s i m u l a t i o n a n dc o n t r o lo ft c s t h e r m a l l yc o u p l e d s y s t e m a b s t r a c t i na l lc h e m i c a lp r o c e s s e s t h ec o n s u m p t i o no f s e p a r a t i o ns y s t e m s a c c o u n t sf o r7 5 i n a l le n e r g yc o n s u m p t i o n d i s t i l l a t i o ni sa w i d e l yu s e ds e p a r a t i o np r o c e s s a n di ti st h e l a r g e s t e n e r g yc o n s u m e ra m o n gp r o c e s su n i to p e r a t i o n s ot h eu t i l i z a t i o no f e n e r g yr e a s o n a b l eo r n o ti sk e yf o rt h ee v a l u a t i o no fd i s t i l l a t i o ns y s t e m a f t e re n e r g yc r i s i s ，e n e r g ys a v i n go f d i s t i l l a t i o ns y s t e m sh a sb e e nac r i t i c a lt a s k t h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o ns y s t e m s ，a l s ok n o w n a st h ep e t t y u kc o l u m n ，h a v eb e e n p r o p o s e da sap r o m i s i n ga l t e r n a t i v et oc o n v e n t i o n a ld i s t i l l a t i o ns c h e m e ss i n c e19 6 4 t h e t h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o n c o l u m nh a s i n t e r l i n k i n gb e t w e e nap r e f r a e t i o n a t o ra n da m a i nc o h i n m ，u s u a lm u l t i - c o m p o n e n t ，b e c a u s ei t s r e v e r s i b i l i t yc 锄i m p r o v et h e r m a l e f f i c i e n c y ，i t i st h em o s ti d e a l c o n f i g u r a t i o n ，t h es y s t e m s h a v er e c e i v e dn o t i c e a b l e a u e n f i o ns i n c ee n e r g yc r i s i si n1 9 7 0 s m o s ts t u d i e sa r ef o c u si nt h ed e s i g n o p t i m u ma n d a p p l i c a t i o n ，e s p e c i a l l yi nt h ed e s i g n , c a l c d a t i o na n do p e r a t i o n a lp r o p e r t i e s t h es t u d y r e s u l t ss h o wt h a t 、i t h r e s p e c t t ot h ec o n v e n t i o n a l d i s t i l l a t i o nc o l u m n s t h e t h e r m a l l y c o u p l e dd i s t i l l a t i o ns c h e m e sa r ev e r yp r o m i s i n gf o rb o t he n e r g ya n dc a p i t a lc o s ts a v i n g s b u tt h es y s t e mh a sn o tb e e nc o m m o n l yu s e di ni n d u s t r i a lp r a c t i c eb e c a u s ei t so p e r a t i v e s e n s i t i v i t i e sa r es oh i 曲t h a tn o r m a lc o n t i n u o u s o p e r a t i o n i sd i f f i c u l t i nt h i s p a p e r ，t h eg e n e r a lm a t h e m a t i c a l m o d e l so ft h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n s y s t e m sa r ee s t a b l i s h e d ，t h er i g o r o u st r a y - b y - t r a ym o d e l sb a s e do nu n d e r w o o d f e n s k e g i l l i l a n da p p r o x i m a t i o na n dt h es o l u t i o nm e t h o da r eg i v e nw h i c hi s c o m p a r e dw i t ht h e r e s u l t so fa p p r o x i m a t i o n ，o nt h eb a s i so ft h es e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，t h es e n s i t i v et r a y sa r e s e l e c t e d ，t h eo p t i m a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o na l ei m p l e m e n t e da n dt h ec o n t r o lp r o j e c ti s p r o v i d e d t h em o d e la n dm e t h o d a r ea l lp r o g r a m m e d t h eb e n z e n e - t o l u e n e e t h y lb e n z e n e s y s t e mi su s e dt ot e s tt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，r e s o l v em e t h o da n dp r o g r a m s ，a n dt h e c o n t r o lp r o j e c ti sg i v e n0 1 1t h eb a s i so ft h er e s u l t so f s e n s i t i v i t ya n a l y s i s t h er e s u l t ss h o w t h a t c o m p a r e dt o t h e a p p r o x i m a t i o n ，t h er i g o r o u st r a y b y t r a y m o d e l sf o r t h e r m a l l y c o u p l e dd i s t i l l a t i o ns y s t e m sc a l lr e f l e c tt h e s t a t ed i s t r i 【b u t i o no ft r a y sm o r ee x a c ta n d c o m p r e h e 璐i v e t h ec o n t r o lp r o j c o t sa r em o r ep e r f e c tb a s e do nt h es e n s i t i v i t ya n a l y s i s k 斜w o r d s ：t h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l 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 ；s e n s i t i v i t y f l l l a l y s i s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 作为国民经济支柱产业的化学工业是一个消耗资源、能量密集、危险性大及品 种繁多的行业，而能源是国民经济发展的基础，能源管理和节能技术是一项涉及面 广，又与科学技术进步有着重大关系的课题。随着生产的发展和人民生活水平的提 高，能源需求量日趋紧张，节能对能源供需平橼起着重要作用，可提高能源利用的 经济效益，投资少，见效快，可促进技术进步，提高生产力，减少环境污染。节能 是我国一项重要的和长期的能源政策。 在整个化工过程中，分离过程的能耗占整个过程能耗的7 5 以上。在众多分离 方法中，精馏是当代应用最广泛的一种工业分离混合物的方法，已广泛应用于化 工、石油、食品、轻工等许多工业部门，它也是能耗最大的化工单元操作，在分离 过程的能耗中，精馏约占9 5 。因此能量利用的合理与否是精馏系统优劣的关键。 随着能源危机的产生，精馏过程的节能为目前研究精馏过程的主要课题。 对精馏过程的各种节能措施，可区分为下述三种类型： ( 1 ) 热能的充分回收与利用； ( 2 ) 减少过程本身的能量需求，如：减少回流比，找出最优回流比的适宜范围； ( 3 ) 提高精馏的热力学效率，如：增设中间再沸器和冷凝器、热泵精馏、热偶 精馏等。 此外，采用廉价的低品位热能也是节能的有效方法。精馏过程中一般的节能改 造常局限于单个塔，例如改变操作回流比、设置中间再沸器、利用热泵等。然而， 在实际生产中，由于一些实际问题的限制，使得常规精馏塔在整个过程中的能量集 成受到限制。此时应考虑采用非常规精馏塔序，例如组合塔、热偶精馏塔等。 对于多元混合物的精馏，流程优化是重要的节能措施，其一是合成热集成普通 塔流程的软件已经商品化，并已将精馏塔与反应器等其它单元装置作为一个热集成 系统；其二是用复杂塔代替普通塔的热偶精馏流程，这种流程更拉近于可逆状态。 研究结果表明热偶精馏塔比最好的普通塔流程还能大量节能。 1 1 一种新型的热偶合精馏塔精馏塔节能研究的一个前沿 对于不可逆过程，推动力越大意味着能量损失也越大。精馏过程的传质推动力 为汽、液相的实际浓度与其平衡浓度的差值。在常规的精馏塔中，即使在最小回流 比条件下，每一块塔板上都有相当的能量损失。精馏中的平衡线为曲线，操作线为 t c s 热偶精馏的优化计算、模拟及控制 直线，两者间的距离为传质的推动力。因此，可以考虑，使操作线变为曲线，更接 近于平衡线，即让操作线和相平衡线有一定的距离，且保持平行，这样就减小了精 馏塔中的每一块塔板上的传质推动力，每块塔板上的能量损失都近似相等。 以前常用的方法通常为设置中间冷凝器和中间再沸器。现在采用调整精馏段和 提馏段的压力，让精馏段与提馏段直接偶合，使精馏段中的蒸汽部分冷凝，放出的 热量供提馏段中的液体部分汽化。这称之为再回流与汽化的热偶合。近年来，日本 的学者高松武一郎又提出了无冷凝器和无再沸器的直接热偶合精馏塔，如图1 1 所 示。 压坦 t 盛 图1 1 理想热偶合精馏塔的结构示意图 f i g 1 1c o n f i g u r a t i o n o f i d e a l t h e r m a l l yc o u p l e d d i s t i l l a t i o n c o l u m n 图l t 2 理想热耦合糟馏塔的节能原理 f i g 1 2t h e o r y o f e n e r g ys a v i n g f o r i d e a l t h e r m a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o nc o l u m n 大连理工大学专业学位硕士学位论文 一一 从图1 2 中可见，塔底的操作线斜率是垂直线，即意味着没有再沸器，塔顶部的 操作线斜率是水平线，即意味着没有冷凝器。从图1 1 可见，耪馏段和提馏段平行 放置，从提馏段上升的蒸汽通过压缩机增压增温后进入精馏段底部，在沿着精馏段 上升的过程中，通过传热面向提馏段传递热量而部分蒸汽得到冷凝，形成液相回 流。从耪馏段底部流出豹液相，经灌压，注入提馏段顶部，在浴提馏段下降的过程 中，吸取精馏段传递过来的热量而汽化，形成上升蒸汽( 汽相回流) 。液相回流量沿 精馏段向下逐渐增加，面汽相回流量沿提馏段由塔底向上逐渐增加，为了使热量传 递能够进行，精馏段的压力需比提馏段的压力大，形成一定的压差，以保证足够的 推动力“3 。 分离靠热偶合来摆动，热偶合通过两段之间的热交换来实现。为了提供传热所 必须的推动力，精馏段工作在比提馏段高的压力下，为了调整工作压力，一个压缩 机和一个节流阎被安排在两部分之间；由于热偶合，使得精馏段产生向下的液相 流、提馏段产生向上的蒸汽流，操作时可去掉再沸器和冷凝器。 从理论上讲，这种塔除加料中热量外，不需要输入热量，所需的能量是压缩机 的输入功，类似于热泵糖馏。但不同于热泵糖馏的是，热量的偶合不是全部热在塔 底，而是通过每块塔板逐级偶合，。相当于精馏段每块塔板有一中间冷凝器，而提馏 段每块塔板有一中间再沸器，减少了整个塔的不可逆性，从而进一步节约了能量。 分隔塔是w r i g h t ( 1 9 4 9 年) 第一次提出的新型热偶合精馏装置，也被称为p e t l y u k 塔。这种分隔塔结构使得多股物流同时在塔内进行传质、换热，实现在一个塔壳里 完成一个常规塔序列所能完成的分离任务。整个精馏过程更接近于可逆状态，大大 降低了能耗o 。 1 。2 热偶精馏的模拟计算 在7 0 年代能源危机时热偶精馏受到西方的广泛关注，它的设计。“、优化c s - t 和 应用近年来都受到人们的广泛关注瓯“，开展了大量的研究工作，主要集中在研究其 设计计算方法“”和塔的操作特性方面“。，与传统的精馏系统相比，热偶精馏在分 离沸点相近的物系时能够大幅度节省加热、冷却费用。国内许锡恩等人对非理想体 系热偶耪镶计算方法和操作稳定性闻题作了研究“”，建立了热偶糖馏静动态模型， 并进行动态特性的分析，对液相分层的三相热偶精馏采用n a p h t a l i s a d h o | m 的块状 三对角矩阵法完成了热偶塔系内部或全部平衡级上液相可能存在分层的精馏过程的 模拟。杨友麒“8 以二甲苯分离装置为对象，对热偶精馏t c s 进行了模拟计算，计算 t c s 热偶糟馏的优化计算、模拟及控制 了产品纯度对连接流股流率变化的灵敏度，探讨了这种节能精馏未在工业上推广使 用的原因及应用前景，指出：对于难分离体系不推荐用热偶精馏塔，因为其操作灵 敏度太高难以在工业中维持正常操作；对于较容易分离的体系可以采用热偶精馏 塔。近几年，国内外学者又提出了新的模拟算法“。 1 2 1 同伦延拓算法 ， 热偶精馏是一种既节省设备投资又节约能耗的理想装置，它是交联塔系中的一 个重要分支。1 9 8 4 年w a y b u m 和s e a d e r t l 8 3 对交联塔系的应用及模拟计算发展历史作 了详细介绍，其中包括热偶精馏( p e t l y u k ) 。对于交联塔系的模拟计算大致可分两 类，一类是序贯模块法，另一类是整个交联系统同时求解。当交联流股变化明显影 响塔的操作状态，或者存在多解情况时，序贯迭代可能收敛很慢或者完全不收敛， 也不可能同时求得多解。牛顿法是最常用的同时校正法，但要求良好的初值，而且 对一组初值至多只能收敛于一组解，而同伦延拓法是迄今已知的允许任意初值且能 获得多解的唯一方法。采用同伦延拓法，考虑任意塔板可以存在交联流股的能用精 馏过程的数学模型，在多种工况下均能得到多解，并从中找出操作特性、经济效益 均佳的设计条件“”。 1 2 2t c s 人工神经网络一遗传算法 对热偶精馏过程模拟和优化的传统方法是先将系统分解，然后依次进行主副塔 的收敛计算，在计算过程中难于实现主副塔之间的整体匹配和优化。会对这一问题 提出一种新的方法，即人工神经网络和遗传算法指结合，改进热偶精馏过程的模拟 和优化。 人工神经”( a r t i f i e i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 是一类模拟人脑功能的全新信 息处理系统，它能够逼近任意非线性函数关系，具有高度鲁棒性和容错能力。遗传 算法”“( g e n e t i c a l g o r i t h m s ，g a ) 借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的高度并 行、随机、自适应搜索算法，通过多代遗传和进化，从而获得最佳解决方案。在体 现知识的复杂性及微观认识不完备的化学和化工领域中，a n n 和g a 均己得到广泛 应用。利用人工神经网络和遗传算法的特点，将二者结合以改进热偶精馏过程的优 化方法，先由神经网络建立黑箱数学模型，再由遗传算法优化热偶精馏的操作参 数，通过计算结果比较，表明该方法可迅速得到优化变量和目标函数，且获得全局 最优解“”1 。该方法应用子t - - 烯分离及乙膊回收流程的研究中。以碳五组分分离 装置为实例，采用常规精馏序列进行设计投产后运行正常。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 3 热偶精馏塔的操作稳定性问题 热偶精馏塔在操作中无法保证主塔和副塔间回流液体量及上升蒸汽量按设计计 算值分配，所以只有那些分离性能对连接流股变化不敏感的热偶精馏有可能正常操 作，并为设计找出了操作特性最优解。到目前为止，国内外热偶精馏塔的研究一般 都限于理想物系，对非理想系统的研究很少报道o ”1 。 曲平等人”以丁二烯分离装置为对象，对热偶精馏t c s r 用于非理想体系的操 作特性和节能效果进行了模拟分析与研究。根据分离要求确定主塔最小馏出的液量 后，熟偶精馏t c s r 的分离能力和节能效果受汽相连接流股流率的影响，其次为汽 相连接流股的抽出位置。丁二烯分离装置中应用热偶精馏t c s r 后可以在满足分离 要求的前提下节能4 0 左右。并在此基础上，对这种偶合塔计算了主塔底乙烯基乙 炔含量变化对汽相连接流率变化的灵敏度。结果表明：这种偶合用于丁二烯分离装 置上，是可以满足操作平稳性要求的。 王延敏以碳五分离装置为例，对热偶精馏塔用于非理想体系的操作特性和节 能效果进行了模拟分析与研究。根据分离要求确定了热偶精馏塔的操作特性，研究 了热偶糖馏塔的节能效果。结果表明：碳五分离装置采用热偶精馏塔，与常规精馏 塔序列相比，在满足分离要求的前提下，节能2 3 3 左右。 黄克谨等人以苯和甲苯二元物系为例进行仿真研究来分析理想热偶合精馏塔的 操作性能，决定合适的操作压力是理想热偶合精馏塔节能的关键。结果表明：上升 汽量和下降液量的逐板变化使得理想热偶合精馏塔更接近于可逆操作，因而较之常 规精馏塔具有更高的操作效率。冷凝器和再沸器的去除，不仅使其结构更加简单， 而且进步降低了能耗。通过对一个苯和甲苯混合物的仿真计算，充分证实了理想 热偶合精馏塔具有应用于实际化工过程的可能性。 1 3 热偶精馏塔的灵敏度分析 对于优化设计的目标，关键在于控制。国内外对此进行了研究，但是发表的研 究成果很少，尤其对节能型的热偶精馏过程更是如此。现在国内外在中型化工企业 的精馏控制仅限于仪表或手动操作，即使有的车间使用了微机操作，也尚未采用优 化控制手段，如果利用微机对糟馏过程进行优化控制，将取得更大的经济效益。 对于化工系统的最优化设计及最优控制方案问胍的研究，灵敏度分析是必不可 少的，而这一方面的研究只有在6 0 年代才逐步受到重视。之所以要进行灵敏度分 t c s 热偶精馏的优化计算、模拟及控制 析，是由于过程系统的最优化设计、最优化控制问题中所使用的数学模型必不可少 地存在着各种不确定性；而且，过程系统在实际控制及运行中，也不可能毫无偏差 地保持在预定的最优化变量及最优化控制变量值，总会有某种程度的偏差发生。为 解决这一问题，需对该系统进行灵敏度分析。 对热偶精馏t c s r 进行了主塔底乙烯基乙炔含量变化对汽相连接流率变化的灵 敏度计算，得出结论：虽然从节能角度出发，汽相连接流股流率愈小愈好，但从操 作的平稳性考虑，汽相连接流股流率宜大不宜小。这种偶合塔用于t - - - 烯分离装夏 上，是可以满足操作平稳性要求的嘲。 使用热偶精馏流程对丁二烯分离装置的改造。 1 3 1 蒸馏系统的改造 图1 3 丁二烯蒸馏系统原流程示意图 f g 1 3 f l o wc h a r to f b u t a d i e n e d i s t i l l a t i o ns y s f e m 图1 - 4 热偶 鞴擎馏t c s - r 流程示意图 f i g 1 4 f l o w c h a r t o f t c s - r t h e r m a l l yc o u p t e d d i s t i l l a t i o n 大连理工大学专业学位硕士学位论文 原流程见图1 4 所示“，丁二烯蒸馏系统一般包括四个塔：丁二烯萃取精馏塔 ( i ) 、丁二烯蒸馏塔( i i ) 、丁炔萃取精馏塔( i i i ) 、丁炔蒸出塔( ) 。i i 塔蒸出的粗 丁二烯自塔顶排出后进入i 塔将丁炔和l ，3 一丁二烯分离，由于粗丁二烯中1 ，3 一丁二 烯占极大比例，从i i 塔n i i i 塔，它经过了两次汽化和冷凝，重复消耗了能量，又因 为粗丁二烯进入塔后仍需用乙腈、水作萃取剂，所以采用热偶糟馏t c s r 代替 i i 、塔。塔i 萃取精馏后含有大量溶剂的粗丁二烯进入偶合塔主塔中部，萃 取剂从主塔的上部加入。萃取精馏后的高浓度i ，3 - 丁二烯从主塔顶部排出，经脱水 精馏后送聚合工序。从主塔提馏段富含炔烃的某块塔板抽出汽相侧线进入副塔底 部，炔烃自副塔塔顶蒸出，塔底排出液返回主塔汽相采出板进行再分离。主塔底排 出的乙腈与水供循环使用，改造后的流程见图1 4 “”。主塔可看成是i i 、i i i 塔串 联，即1 i 塔为提馏段，m 为精馏段；副塔相当于塔。热偶精馏t c s r 较原流程省 去一个塔，两个再沸器和一个冷凝器，设备投资费用和操作费用可大幅度节省“”。 1 3 2 溶剂回收系统的改造 由于生产中对溶剂的要求很高，故原工艺采用四个塔进行溶剂回收。利用耦合塔对 该系统进行了模拟优化计算，i 号塔作为哥塔，2 号、3 号、4 号塔合并为一个主塔，为 达到原四塔的分离要求，主塔采用了双侧线流程。 采用耦合塔的目的是降低能耗，为达到这一目的有必要对塔内各结构参数及操作参 数进行优化，目标函数是使主塔再沸器的热负荷为最小，约束条件是主塔塔顶丁二烯及 侧线采出溶剂的纯度达到规定的要求。为达到这一分离要求，必需在乙醇、乙醚等轻组 分富集的地方引出侧线，排出这些轻杂质。具体的优化过程是通过调整蔼塔的进料位 置以及塔顶液相进料量l 、及气相采出量v ，使副塔较完全地把轻重组分分开，进而调 整进入主塔的两股物料的位置及轻杂质侧线、溶剂侧线采出的位置，在保证分离要求的 前提下，应使轻杂质的采出量较小，以减少物耗量。同时，使主塔的回流比尽可能小， 以达到节能的目的n “。 乙腈萃取法生产丁二烯有许多优点且符合我国国情，它的精馏系统有很大的节能空 间，通过设置中间再沸器和热偶合精馏两种热集成方案的实施，比较并确定了不同条件 下的最优热集成流程，节能分别达3 1 1 和4 8 6 。同时水洗单元和再生系统间通过水 的回用及再生回用，可大大节约新鲜水使用量和废水排放量“。 t c s 热偶精馏的优化计算、模拟及控制 1 4 热偶精馏的实际应用 由天津大学石油化工技术开发中心研究开发的世界单套生产规模最大、技术水 平最高的酒精分离装置_ i 山东九九有限公司年产5 0 万吨酒精精馏装置”日前在山东 一次开车成功，生产出了特优级酒精产品，达到了技术要求。 该装罱是食用酒精和燃料酒精的超大规模联合生产装置，可以生产各种规格的 酒精产品，具有较强的规模效益和市场适应能力，为我国大规模燃料酒精装置的建设提 供了成功范例。该装置采用了世界领先的热耦合精馏技术，大型高效填料塔技术和 复合塔板技术等天大石化中心的多项专利专有技术。其开发成功标志着我国己具备 采用了具有独立知识产权技术，自己建设超大规模酒精生产装置的能力；标志着我 国酒精工业超大规模精馏技术实现飞跃，在酒精分离领域达世界领先水平。 此前国内酒精生产装置单套规模最大的为年产2 0 万吨，国际上单套生产规模最 大的为年产3 0 万吨。天大成果转化的这套生产装置，主要精馏塔直径都大于6 米， 最大塔设备的直径为9 米，建设中采用了世界领先的热耦合精馏技术、大型高效填 料塔技术和复合塔板技术等天大石化中心的多项专利技术。其开发成功，表明我国 已具备采用具有独立知识产权的技术，自己建设超大规模酒精生产装置的能力。 目前，就所发表的文献看。对热偶精馏系统的灵敏度分析尚未见报道，本文建 立了t c s 热偶精馏动态模拟的通用数学模型，给出了在t c 8 热偶精馏简捷计算基 础上的逐板计算数学模型和求解方法，与t c s 热偶精馏简捷计算进行了比较，在此 基础上对t c s 热偶精馏进行了灵敏度分析，以此选择灵敏板，对t c s 热偶精馏流 程进行优化设计及优化控制，编制计算机通用程序，提出最优化控制方案。结果表 明：逐板计算法比简捷计算更能准确、全面地反映出精馏塔各级塔板的状态分布： 用灵敏度分析法选择控锦方案，使优化控制更趋完善。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 过程分析和数学模型 热偶精馏是一种特殊的精馏过程，根据流程的特点对过程进行分析，建立过程的数 学模型，进行逐板计算和灵敏度分析，由逐板计算和灵敏度分析的结果可以确定灵敏 板，进而选择控制方案。 2 1 流程叙述 2 i it c s 热偶精馏流程图 注：1 ) 初步分馏塔( 一塔)2 ) 主塔( 二塔) 3 ) 冷凝器4 ) 再沸器 图2 1t c s 热偶精馏流程图 f i g 2 1 f l o wc h a r to f t c s t h e r m a l l yc o u p l e dd i s t i l l a t i o n 2 1 2t c s 热偶糈馏流程叙述 热偶精馏塔由两个塔构成，两塔之间由液相和汽相物流连接，体系中只有第二塔塔 顶有冷凝器，塔底有再沸器如图2 1 所示。多组份混合物由一塔进料，在一塔内将进料 分成两股产品物流，塔顶蒸汽由二塔上部进入二塔，并在此处采出一股液相物流作为一 塔回流返回一塔塔顶，由此实现一塔与二塔的热量交换，可节省一塔塔顶冷凝器；一塔 塔釜的液相物流由二塔的下部进入二塔，并在此处采出一股汽相物流返回一塔塔釜，由 t c s 热偶精馏的优化计算、模拟及控制 此实现一塔塔釜与二塔的热嚣交换，因此可节省一塔塔釜的再沸器。在第二塔中，将两 股进料分彤2 - - - - - 股产品物流p l ，乜， ，分别由二塔的塔顶、塔中、塔釜采出。 2 , 1 3t c s 热偶精馏流程的特点 这种热偶精馏节省了冷凝器、再沸器各一个，可节省能量体用量，可应用于多 组份物系的分离，尤其适用于三组份物系的分离，可将其分离为近于纯的三个组 份。其缺点是由于两个塔偶联部分要求压力相等，因此塔压较难控制，给操作带来 了困难。 2 1 4t c s 热偶糈馏流程的适用条件 此流程可应用于多组份物的分离，尤其适用于三组分物系的分离，可将其分离 为近于纯的三个组分。 2 2 数学模型 2 2 1 物料衡算 已知如下基础数据 ( 1 ) 进料流率f ( k m 0 1 , n ) ，进料组成顿( t 0 0 1 分数) ，迸料状态q ； ( 2 ) 组分数肼，轻关键组分序号腑，中间组分数h ：令m c l 为最轻中间组分的序 号，m c n 为最重中间组分的序号； ( 3 ) 轻关键组分在产品只中的回收率或分离分率髭8 ；重关键组分在产品只中的回 收率或分离分率酽： ( 4 ) 比重关键组分重的组分不在塔顶出现，即f ，= 织此时i h k ； 比轻关键组分轻的组分不在塔底出现，即f f ，此时i h k ； ( 5 ) 在第二塔塔顶到侧线采出只，关键组分为肫和l k + l ，l k + l 为重关键组分；在 第二塔侧线采出r 到塔底，关键组分为触一l 和五岛触一i 为轻关键组分： ( 6 ) 中间组分在产品忍中液相侧线采出；中间组分的回收率为 , - f o 。l = p 2 m d j m d l 巧n 。，= p 2 。l ff m ， 在中间组分m c l 和m e n 之间的组分分离分率为：j c 。1 ；m c l i 脚c 珂 大连理工大学专业学位硕士学位论文 令 根据以上已知条件和假设 系统总物料衡算： f = 鼻+ b + b = f x f , ( 1 ) e o 间组分数为1 时的物料衡算 如果行2 1 ，即只有一个中间组分m c ，m c 在产品p a 中的分离分率为r f 。，设有 。( 1 吮。) 2 出现在产品p - 中，有厶。- ( 1 一吮。) 2 出现在产品p ，中，则衡算式 为： 弓= p l + ( 1 一) 厶。1 2 0 互= 厶吮+ 兀( 1 - ) + 厶嚣 b = 厂拼t 厶。- ( 1 一专拶) 十厶。- ( 1 一：。) f 2 0 ，= i + 】 p t 中各组分的流率 如中各组分的流率 j = 1 - 肫一l f = l k z = 搠c f = h k m i = l 腩一1 f = l k t ，= ， 呢，= z 髭。 t ，= ( 1 一吮。) 厶。1 2 0 w ，= 0 既2 ，= 0 ：。= 厶- ( 1 一) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 吮 f+ 砺 f 州吲 1 i p t c s 热偶精馏的优化计算、模拟及控制 只中各组分的流翠： i = m e 2 = 麓吮。 i - h k w d = ，“ 嚣 i = h k + l 卅 呒2 f = 0 i = l 腩 z = ，卵c f = h k 既3 ，= 0 “= ( 1 一吮。) 厶。2 0 w m = f t , k ( 1 - 芒篆、 f = h k + l m 3 ，= ( 2 ) 中间组分数大于2 时的物料衡算 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 在p t 中出现的m c l 为磊。( 1 一吮。) ；在b 中出现的脚c h 为厶。( 1 - 吮。) ， 则组分的物料衡算： 只= p ；+ 工f c l ( 1 一坑。) 硎一1 尸2 = 厶。( 1 一髭。) + 厶。死。+ ，+ 厶。 h b = 厶( 1 一吮。) + 厶( 1 一搿) + 厂 t = h k + 1 只中各组分的流率： i = 1 腩一l f = l k w n i = j | w m l = 氕 喾 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 f = m c l i = m c 2 m 岛中备组分的流率： l ，= ( 1 一吮“) 兀。 r e i ，= 0 i 2 1 腩一1 阡名2 ，= 0 f = l k f = m c l w = f l ( 1 - 警、 z ，= ；吮。， i 。m c 2 m e n 一1 阡0 2 i = ： i = l , n c 咒 f = h k ：，= 厂研 w 口2 = f f 嚣 i = h k + 1 m 睨2 f = 0 只中各组分的流率 各物流组成 2 1 m c i q 一1 3 ，= 0 2 2 7 ”c 胛阡0 3 ，= 厂，( 1 一研) i = 后阡0 。= ，i ( 1 一f 船) i 2 触+ 1 聊 3 ，= 石 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) t c s 热偶精馏的优化计算、模拟及控制 x p l f = 吩i ，日 x p 2 ，= w p 2j p 2 x p 3 f = w p 3 ，只 2 2 2 逐板计算 精馏塔的逐板计算是在糟馏简捷计算的基础上，对整个塔进行的较为严格的逐 级计算，适用于多组分、非恒摩尔流、非理想物系。 已知： ( 1 ) 各板迸料流率v ：( k m o l h ) ，进料组成x 岔( m 0 1 分数) ，各板汽相采出量 g j o c m o l h ) ，各板液相采出量s l ( 1 1 1 0 9 h ) ，进料状态g g 及其热负荷q ； ( 2 ) 组分数胁，全塔实际塔板数n ，精馏段实际塔板数够塔顶温度掰，塔底 温度m ，塔顶、塔底压力p d 、p w ，回流比玎，塔顶、塔底采出量d 、阢板效率 e r i c ； ( 3 ) 各组分的物性数据( 包括：临界温度死，临界压力尸c ，偏心因子o m e g ， 热容常数鲫，b b ，c c ，d d ，安托因方程常数或h b 方程常数爿n 。 ( 1 ) 平衡级的理论模型 模型塔内理论板见图2 2 所示。 吩 图2 , 2 模型塔内第，块理论板 f i g 2 2t h e o r yp l a t e ji nt h em o d e lc o l u m n 大连理工大学专业学位硕士学位论文 设在有 个理论级的系统中有m 个组分，现对其变量数和系统的方程数即约束数 作如下分析，如表2 1 所示。 表2 ，1 自由度分析表 t a b 2 1t a b l eo f f r e e d o ma n a l y s i s 则, v v - 腩r - - - ( m + 6 ) n 即需指定的变量为 峋蚪个，通常指定各级压力弓，气、液相侧线采出流率q ， f s j ，热负荷9 ，进料流率巧，进料焓研，进料组成巧，共( 卅6 加个，这样可使独立的方 程数与变量数相等。 为使问题简化，一般设模型塔内的压力是按一定的规律分布的。 在指定上述变量值以后，在严格计算中其它变量间的关系必须满足m e s h 四个方程 组，取液相摩尔分数却，温度乃和气相流量巧为独立变量，则物料平衡方程( m 方程) ： m i 缸t 。| ，t | v i 、= l i d x 。i 吐一叮i 七g 矗y 。 一t l i + s i ) x i 。i 七v i n y t 。| “七f f x f , ! = 0 ( 2 2 9 ) t c s 热偶精馏的优化计算、模拟及控制 气液平衡方程( e 方程) 浓度加和式( s 方程) 热量平衡方程( h 方程) ： e b i p t p = y 。i k i j x = 0 ( 2 3 0 ) s j ( y u ) = y u 一1 = 0 s j ( x “) = x “一1 = 0 ( 2 3 1 ) q 晚，弓，巧) 。厶_ 1 一彤+ g ) 玛一心+ s p 嘻+ - + 巧蟛一g = o ( 2 3 2 ) 式中：局各板气相焓值： 卜各板液相焓值； 嘞二各板进料焓值。 m e s h 方程为攻2 聊+ 3 ) 个，方程中的独立变量厶v j , x u , y t , t 。及项非显性的) ，总数也 是n ( 2 m + 3 ) 个，因而是可解的。 得 为使计算简化，可将上列方程进一步合并，将e 方程代入m 方程，可消去均 0 一i x “一l 一( + q ) k 叫+ x u 一( 十s ) x t d 十_ + l k t , j + i , x “= 一科，j 为了消去( 或功，可对第- 板以上作总物料衡算，得： 改写为 矿川+ 艺r = ，+ 窆( g i + s ) + d 2 ， 一1 i t 2 i = 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 式中：d = + s 对于第，块板令： 因此，式2 3 3 可写成 对于第1 块板，j = 1 得 对于再沸器，户h 得 = 矿川+ ( 疋一瓯一s k ) d 卜1 爿，= 上川_ + ( e - g 。- s d d b ，2 一 ( + g ，) 。k u + 工，+ s j 】 2 - 【( _ + q ) k “+ 。+ ( e g k s k ) 一d + s ， c j = + f k u + d i = 一f i ，可j 。i a i x l 、， + b i x i 。卜1 + c i x l 、i “= d i 蜀x j l + c 1 x f 2 = d a 。z f 。一l + b h x = 乜 因此，得到一组方程，称为m - e 方程： 一1 7 ( 2 3 3 ) t c s 热偶精馏的优化计算、模拟及控制 b i z ，1 l + c i 工2 = d a j x | 。h ，b j x t 。i 七cj x | 。i n = dj a x t n + b t x | = d l 为了消去( e 匈，作任一理论板的总物料衡算，得 将式2 3 5 代入式2 3 3 ，得 + s = 上川+ _ + l + 一( _ + g j ) ( 2 3 5 ) l l j 矿- i h j _ , - ( v j ：g ，以+ ”一( _ 们棚 t o + v i h l h i + f j 琦| 一i = 0 。“ s 方程保留一个，即 k i x 。一1 0 = 0 这样，经合并整理后的方程式共为劬+ 2 咖个，独立就是为m 玎个q ，n 个蟛， 个 弓，总数也为咖+ 2 咖个，因此是可求解的。 ( 2 ) 实际塔逐板计算数学模型 假定蟛的初值： 假定乃的初值 k = 0 = 厶+ + q 2 k ：3 s j _ n f 2 一o - g 巧) n f ，冬一 t q ? = t d + ( t w t d ) 心一