（化学工程专业论文）塔段透热能量集成精馏塔模拟及研究.pdf

摘要 本文提出了一种新型精馏节能技术一塔段透热能量集成精馏技术。它是利用 精馏塔精馏段作为热源，提馏段作为热阱，相互之间进行透热，在完成各自分离 任务的同时，减少塔顶、塔底能耗。本文以苯甲苯、乙醇水体系为例，对塔段 透热全回流实验装置进行了模拟；同时对苯甲苯体系的普通双塔塔段透热精馏 和乙醇苯共沸物系的塔段透热变压精馏工艺进行了模拟研究，并与双效精馏工 艺进行了用能对比。 本文用表示透热能力大小的塔板透热系数u a 建立模型的透热关系，分析了 不同u a 和塔段压力差下塔段透热精馏的流体特性和节能效果。结果表明塔段透 热改变了塔内负荷分布，应该采用更为合适的变直径精馏塔；塔段透热系数u a 和两塔段压力差显著影响透热过程，对于全同流实验装置，如果u a 基本不发生 变化，两塔段压力差是透热量决定因素。将模型的u a 与文献中总传热系数u 进行了比较换算，结果与之相符。 能量分析表明，透热能量集成会减小精馏塔段冷凝负荷和提馏塔段塔釜负 荷。与双效精馏节能相比，由于透热能量集成减少了精馏操作不可逆性，所需公 用工程品位有所降低，但总用能有所增加。在合适的u a 之下，操作费用与双效 精馏相比可减少1 3 左右。乙醇苯共沸物系变压透热精馏的分离模拟计算表明， 与高浓度比乙醇进料相比，低浓度比乙醇进料工艺更适合选用塔段透热精馏工艺 方式。 关键词：塔段透热，能量集成，双效精馏，变压精馏 a b s t r a c t a san e wa n de n e r g y s a v i n gd i s t i l l a t i o nt e c h n o l o g y ，ad i a b a t i cd i s t i l l a t i o nw i t h h e a ti n t e g r a t i o nb e t w e e nc o l u m ns e c t i o n si ss t u d i e db ym e a n so fs i m u l a t i o n t h i s t e c h n i q u eu s e sr e c t i f y i n gs e c t i o no f ac o l u m na sah e a ts o u r c ea n ds t r i p p i n gs e c t i o no f a n o t h e rc o l u m na sah e a ts i n k ，f o rt h eh e a ti n t e g r a t i o nb e t w e e nc o l u m n s t w ob i n a r y m i x t u r e s b e n z e n e t o l u e n e ，e t h a n 0 1 w a t e r ，a r et a k e na sb a s ec a s ef o rt h es i m u l a t i o no f at o t a lr e f l u xd i a b a t i ch e a ti n t e g r a t i o ne x p e r i m e n t a ls e t u p s i m u l a t i o no fd i a b a t i c d i s t i l l a t i o nw i t hh e a ti n t e g r a t i o nf o rt w oc o n v e n t i o n a lc o l u m n sa n da z e o t r o p i c p r e s s u r e s w i n g d i s t i l l a t i o na r ea l s oc o n d u c t e d u s i n g b e n z e n e t o l u e n ea n d e t h a n o l - b e n z e n es y s t e m s e n e r g yc o s t sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo fd o u b l ee f f e c t d i s t i l l a t i o n t h e s t a g ed i a b a t i cc o e f f i c i e n t ，u a ，w h i c hr e p r e s e n t st h ec a p a c i t yo f h e a tt r a n s f e r ， i s p r o p o s e d t oc h a r a c t e r i z et h ed i a b a t i ch e a tt r a n s f e r f l u i d d y n a m i c s a n d e n e r g y s a v i n gp e r f o r m a n c e a td i f f e r e n tu aa n dd i f f e r e n tc o l u m np r e s s u r ed i f f e r e n c e a r ea n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l us h o w st h a td i a b a t i cd i s t i l l a t i o np r o c e s sc h a n g e st h e c o l u m nl o a d i n gd i s t r i b u t i o ni nt h ec o l u m na n dac o l u m nw i t hc h a n g i n gd i a m e t e r s h o u l db eu s e df o rd i a b a t i ch e a ti n t e g r a t e dd i s t i l l a t i o n u aa n dp r e s s u r ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h et w oc o l u m ns e c t i o n si n f l u e n c ee f f e c t i v e l yd i a b a t i cd i s t i l l a t i o nw i t hh e a t i n t e g r a t i o n f o rac o n s t a n tu a ，p r e s s u r ed i f f e r e n c e i st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r d e t e r m i n i n gt h ea m o u n to fd i a b a t i ch e a tt r a n s f e r u ap r o p o s e df o rt h ee x p e r i m e n t a l s e t u pi sf o u n dt ob ec o n s i s t e n tw i t hh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tu i np r e v i o u sl i t e r a t u r e a f t e rc o n v e r s i o n h e a tb a l a n c ea n a l y s i ss h o w st h a td i a b a t i ch e a ti n t e g r a t i o nr e d u c e st h ec o n d e n s i n g a n dr e b o i l i n gl o a di nt h eo v e r h e a do ft h eh e a ts o u r c ec o l u m na n do nt h eb o t t o mo ft h e s i n kc o l u m n c o m p a r e dw i t ht h ed o u b l ee f f e c td i s t i l l a t i o n ，d i a b a t i ch e a ti n t e g r a t i o n r e d u c e st h ei r r e v e r s i b i l i t yo fd i s t i l l a t i o na n du t i l i t yg r a d eh a sl o w e r e d ，b u tt o t a le n e r g y i n p u ti sa l i t t l eh i g h e r e c o n o m i c a la n a l y s i ss h o w st h a t w i t ha p p r o p r i a t eu a ，o p e r a t i n g c o s tc a nb es a v e du pt o13 c o m p a r e dw i t hd o u b l ee f f e c td i s t i l l a t i o n i na z e o t r o p i c p r e s s u r e - - s w i n gd i s t i l l a t i o nl o w e re t h a n o l b e n z e n ec o n c e n t r a t i o nr a t i of e e d i sm o r e s u i t a b l ef o ru s i n gt h ep r o p o s e dd i a b a t i ch e a ti n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yt h a nh i g h e r c o n c e n t r a t i o nr a t i oo n e k e yw o r d s ：d i a b a t i cd 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 ，d o u b l ee f f e c td i s t i l l a t i o n ， p r e s s u r e - s w i n gd i s t i l l a t i o n 前言 j - j 一 刖吾 精馏技术是过程工业中应用最广泛、最成熟的分离方法，应用于石油、化工、 食品等下业部门。虽然科技的发展，新型分离技术已经开始了工业应用，但在一 定的时期内，精馏技术的统治地位还不能被动摇。精馏分离技术成熟、容易工业 化，但缺点是耗能很大。传统的精馏分离，输入能耗占工业总能耗的4 0 以上， 这在能源日益紧缺的2 1 世纪是不可忽视的。 科学家和工程技术人员根据精馏的特点提出了各式的精馏节能方法。根据精 馏操作条件，合理调整运行参数：运用过程能量集成思想，合理利用余热、废气： 开发各种高效率的精馏塔板、填料，提高精馏分离效率：研究新型精馏技术，如 多效精馏、热耦合精馏、热泵精馏等。这些技术提高了精馏分离过程利用能量的 效率，达到了节约能耗的目的。 透热精馏是在这一背景下提出的，它是通过在精馏塔精馏段每级塔板都引出 热量，提馏段引入热量，把原本在塔顶和塔底一次输入的热量分散到每级塔板， 达到接近可逆操作，降低能量损失的目的。目前对于透热精馏的研究多集中在理 论上，还没有工业应用的例子。以日本和荷兰为代表的科学工作者利用压缩机提 高单个精馏塔精馏段压力，通过精馏段和提馏段之间的压差进行传热，达到透热 精馏的效果。结果显示，这种方法节能效果显著，极具工业化的前景。受其启发， 本文提出了塔段透热精馏的概念。 塔段透热精馏考虑两个可以进行透热过程的塔段，如一个高温精馏塔的精馏 段和一个低温精馏塔的提馏段，在完成正常的分离过程的同时，可以进行热量的 传递。这种透热过程会降低常规精馏塔的塔顶和塔底公用工程的消耗，同时使得 分离过程更接近可逆过程，减少了有效能的消耗。 本研究回顾了精馏技术的发展过程，阐述了其研究现状，并从热力学定律角 度对精馏技术的节能进行了分析。在提出塔段透热精馏的基础上，应用化工流程 模拟软件a s p e np l u s l1 1 ，对全回流塔段透热精馏塔实验装置进行了模拟，为下 一步实验提供了参考；进一步以普通双塔精馏为例，通过引入塔段透热精馏，进 行了塔内参数分析，并与双效精馏进行了对比；最后模拟计算了应用塔段透热精 馏技术的共沸变压精馏工艺，对其可行性应用进行了研究。 符号说明 w 9 丁 e h s f d 召 删 u 彳 c o p x y 希腊字母 刁 下角标 m i n r s c f d b l v m r s 符号说明 分离功，w a t t 热量， w a t t 温度， 有效能，j k g 1 焓， j k g 。1 熵， j k g i k 1 进料流率，崦h r l ， 塔顶产品流率，k g h r - 1 塔底产品流率，k g h f l 塔板透热系数，w a t t c 1 - s t a g e 以 总传热系数 w a t t - i m 之 透热而积m 2 供热系数 液相组成 气相组成 热力学效率 最小值 回流比 再沸器 冷凝器 进料 塔顶 塔底 液相 气相 对数平均 精馏段 提馏段 符号说明 t 塔顶 b 塔底 i 组分 0 环境 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁奎盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：南坦忌 签字日期： 枷c ，7 年厂月z ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：碍脚、 签字日期：沙口7 r 年厂月z 日 导师签名：季、 耷彳阀 签字日期：2 0 0 ，年6 月2 日 第1 章文献综述 1 1 精馏节能技术概述 1 1 1 精馏节能背景研究 第一章文献综述弟一早义陬琢尬 上世纪7 0 年代的石油危机以后，节能研究引起了工业界和学术界的重视。 节能分为结构节能、管理节能、技术节能。在化学工业中，技术节能分为工艺节 能、单元操作设备节能、化工过程系统节能。精馏节能属于单元操作设备节能。 精馏操作是分离操作中应用最“、耗能最大的单元操作。1 9 8 9 年，美国精馏 过程耗能占化学与石油工业的4 1 2 ，占整个工业的8 2 4 ，占全国总耗能的 2 9 9 t 。精馏过程效率的任何微小的改进，都会产生巨大的经济效益。 精馏技术的成熟与广泛应用决定了在相当长时间内其的不可替代性。但其高 耗能的缺点和现代能源紧张的状况是相背的。所以，对精馏塔节能的研究从上世 纪的后1 4 个世纪到现在就没有停止过，节能也取得了进展。 1 1 2 精馏节能基本原理 对于普通精馏塔，能量足分离的唯一媒介。再沸器加热塔底液体，蒸发产 生上升蒸气，塔顶蒸气经塔顶冷凝器冷凝成冷凝液，一部分作为回流自塔内下降。 精馏塔内上升蒸气和下降液体在各层塔板上进行充分的气液接触，因此自动进行 着低沸点组分蒸发和高沸点组分冷凝这样的热交换过程。即通过向低供热，从塔 顶移出热，就可以完成对混合物高纯度的分离操作【2 】。 根据热力学定律，对精馏过程节能的研究可以从热力学第一定律和热力学第 二定律分别加以考虑。 1 1 2 1 基于热力学第一定律的节能原理 对一个普通精馏塔进行热力学第一定律分析，如图1 1 所示。 精馏操作所需要的最少加热量是在最小回流比状态下操作所需要的热量 ( q r ，m 。) ， q 。= 皱。+ ( q ，+ 绕+ 鲱) ( 1 一1 ) 式中，q r m 。为最小回流比下冷凝器的蒸气冷凝负荷。但是，在实际操作中 不可能是最小回流比，因为那意味着无穷多块理论板。实际回流比使得冷凝器的 第一章文献综述 蒸气冷凝负荷增加了q c r ，故所需要的再沸器加热量变为： o r = ( q c 。+ 鳊) + ( 绋+ q b + 绋) ，、 = q + ( q ，+ q 备+ q f ) 、 这样，带出系统的热量包括冷凝器中蒸气冷凝热，以及塔顶产物和塔底产物 的显热，多提供的再沸负荷又被冷凝负荷抵消了。 精馏塔的第一定律节能就是回收q c 、q d 、q b ，减少q r 。所以精馏塔的节能 可以分为热能回收型和热能节减型。热能回收型是回收带出系统外的热量，如冷 凝器出来的热量和塔顶、塔底出料的热量。热能节减型就是考虑如何减少塔底再 沸器的负荷。此时表征能量被利用程度可以用基于热力学第一定律的热效率来表 示。热效率反映了过程中能量在数量上被利用的程度。 q b 图1 i 精馏塔的热平衡分析 f i g 1 1t h e r m o b a l a n c ea n a l y s i so fd i s t i l l a t i o n 1 1 2 2 精馏过程的热力学第二定律分析 有效能定义为 e = h r o s 式中t o 为环境温度。h 是摩尔焓， ( 1 3 ) s 是摩尔熵。有效能e 是温度、压力和 组成的函数。前人【3 1 已经证明，系统净功消耗为等当功和环境对系统作轴功之和： 一陟，m 缸瓦一e 分离+ 瓦s 产生 ( 1 4 ) 稳态可逆过程，熵增为0 ，最小分离功等于物流的有效能增量，即 一五= a e = 艄一r o a s ( 1 - 5 ) 热力学效率是基于热力学第二定律，它是能量在数量和品位上的变化。热力 2 第章文献综述 学效率反映了过程中有效能被利用的程度【4 1 ，它是能量在数量上和品位上被利用 的综合反映，更准确地是反映了过程完善程度。热力学效率又称为有效能效率， 其定义是：把分离过程中系统有效能的改变与过程所消耗的净功之比定义为分离 过程的热力学效率，即 r = 占丹离( 一w 净) ( 1 - 6 ) 对于精馏过程，精馏操作依赖于从再沸器加入热量q s ( 温度为t s ) 和从冷凝 器移出热量q c ( 温度为t c ) 。该过程所消耗的净功等于， 一- - q 。( 1 一挚) 一q c ( 1 一 ) ( 1 - 7 ) sj r 若分离过程产物的焓与原料的焓差别极小而可以忽略时，有 l 1 一= q r o 一) ( 1 8 ) r s 若冷却介质是温度为环境温度t o 的冷却水，贝j j ( 1 8 ) 变为 r w 挣= q ( 1 一詈) ( 1 - 9 ) s 另一方面，由( 1 _ 4 ) ，( 1 - 6 ) 得到 。一皈离一 驴葛2 ( 一w ) 一r o a s ，一牛 ：1 一坐监 一一 ( 1 1 0 ) 可见过程的不可逆程度越大，其热力学效率越低。对于实际分离过程，热力 学效率必然小于可逆过程。不同类型的分离过程，其热力学效率各不相同。一般 来说，只靠外加能量的分离过程，热力学效率高螳，同时有能量分离剂和热量 分离剂的分离过程热力学效率低些。但这些都是理想情况，实际过程还有别的因 素，要具体分析计算。 1 1 2 3 基于热力学第二定律的节能原理 有效能和热力学效率是热力学第二定律的重要概念。精馏过程是一个不可逆 过程，精馏过程有效能损失和热力学效率降低是由下列过程的不可逆性引起的： 一是流体流动的压降；二是相浓度不平衡物流间的传质或不同浓度物流间的混 合；三是不同温度物流间的传热或不同温度物流间的混合【5 1 。 图l - 2 是精馏过程常用的y x 图，图中平衡线和操作线之间所夹面积表明塔 内传质的不可逆程度。操作线越靠近平衡线，精馏过程所需要能量就越少。但操 作线越靠近平衡线，所需塔板数就增加，使得投资增大。而且塔板数增加，会使 得压力降加大，塔顶和塔爷的温差也会加大，根据式( 1 8 ) ，净功消耗就加大。 第一蕈文献综述 y 图1 2 精馏塔操作y _ x 图 f i g 1 - 2y - xd i a g r a mo fc o n v e n t i o n a ld i s t i l l a t i o nc o l u m n 压差、温差和浓度差均是相应过程的推动力。推动力与不可逆性相关。推动力越 大，不可逆性越大，有效能损失就越大。减少有效能损失就要减小推动力。但推 动力又是实现精馏过程所不可缺少的，只有保持必要的推动力，精馏过程才得以 进行。所以平衡好推动力与热力学效率的关系，提高热力学效率就必须减小压差、 降低温差和缩小化学位差别。 1 2 精馏节能方法 1 2 1 基于精馏操作的节能方法 基于精馏操作的节能，是以精馏原理为基础，减少精馏过程本身的能量需求。 1 2 1 1 预热进料 精馏塔的馏出液、侧线馏分和塔釜液在其相应组成的沸点下由塔内采出，作 为产品或排出液，但在送往后道工序使用、产品储存或排弃处理之前常常需要冷 却。利用这些液体所放热量对进料或其他工艺流股进行预热。利用精馏塔采出液 热能预热进料，以较低温位的热能代替了再沸器所要求的高温位热能，无疑是低 温位热能的有效利用方法。对于比较容易分离的体系，在把进料一直加热到露点 进料的情况下，与泡点进料相比，如果回流比不变，精馏操作过程有效能损失减 少，再沸器加热量减少，但所需理论板数增多如果固定再沸器加热量不变，则塔 顶冷却量必增大，回流比相应增大，所需塔板数减少。如果吲定塔板数不变，则 回流比增大，装置的塔径和冷凝器将增大，再沸器的加热量减少。因此，塔料的 预热是有利的。 1 2 1 2 改变进料板位置( 多股进料) 一般来说，进料板的物料组成应与进料成分相近。如果进塔物料成分与加料 4 第一章文献综述 板成分差别较大，应更换进料位置。在保持产品出u 质量品质的前提下，进料中 组分增加，可降低进料板位置，减小提馏段可降低塔釜加热热量。如果被分离组 成相同，浓度不同，可采取具有多个进料口的单塔进行处理。实践证明，多股进 料使得精馏塔操作线更接近平衡线，各平衡级传质和传热的推动力减少，精馏过 程的热力学效率得到提高，这样就减小了有效能损失。然而由于精馏段操作斜率 减小，回流比减小，所需塔板数增加 1 2 1 3 塔顶蒸气余热回收利用 塔顶蒸气冷凝通常占精馏耗能很大比例。如果能有效利用这部分能量，就能 取得显著节能效果。通常对塔顶蒸气的利用有以下几种方式 ( 1 ) 直接热利用。通常产生低压蒸气。在高温精馏、加压精馏中，用蒸气 发生器代替冷凝器把塔顶蒸气冷凝，可以得到低压蒸气，如果再经压缩机压缩而 成中压蒸气，可外供其他用户作热源【6 】。此法效率较高，还可以和工厂的蒸气互 换 ( 2 ) 余热制冷。采用吸收式制冷装置( 例如溴化锂制冷机) 产生冷量，通 常产生高于o 的冷量。如可以通过排热发生急冷水，效率较高，但是应崩面有 限。 ( 3 ) 余热发电。用塔顶余热产生低压蒸气驱动透平发电。传热性能很好， 操作方便，循环回收动力。 1 2 1 4 塔设备改进节能 精馏塔的分离效率很大程度上由塔设备决定。精馏塔的塔内压降，塔板效率 都会影响精馏塔能量的消耗。塔内压降越大，塔内阻力就会增大，有效能损失就 会增加。采用效率高，压降低的新型塔板，如伞形气帽、浮动筛板、新垂直筛板 及穿流式浮板等；应用新型高效填料，如板波纹填料、规整填料等，降低精馏 塔操作压力，则被分离物系各组分的相对挥发度增大，有利于提高分离效率和降 低能耗。例如年产3 0 万吨乙烯j 。的脱甲烷塔，操作压力由3 5 m p a 降至0 7 m p a ， 可节能2 0 0 0 千瓦时；粗蒽精馏塔由常压改为减压，可节能6 6 1 7 1 。 1 2 2 精馏塔热集成节能研究 以精馏塔热集成研究为对象的新型精馏塔节能技术引起了国内外学者和工 业界的兴趣，如热泵精馏、多效精馏、热耦合精馏，近几十年取得的很大的进步， 一些流程已经工业化。 第一章文献综述 1 2 2 1 热泵精馏 热泵精馏是把精馏塔塔顶蒸气加压升温，使其用作塔底再沸器的热源，回收 塔顶蒸气的冷凝潜热【8 】。 图1 3 是一个热泉精馏的示意图。热泵精馏是依据热力学第二定律，给系统 加入一定的机械功，将温度较低的塔顶蒸气加压升温，作为高温塔釜的热源。因 为回收的潜热用于过程本身，又省去了塔顶冷凝器、冷却水和塔釜加热蒸气，故 可使精馏的能耗明显减少。 用于精馏塔的热泵主要有两种形式。第一类热泵是以过程本身的物料为制冷 系统的工作介质，称为开放式热泉系统。第二类热泵是用外界的工作介质为冷剂， 液态冷剂在冷凝器中蒸发，使塔顶物料冷凝。气化后的冷剂进入压缩机升压，然 后在压缩机出口压力下在再沸器将热量传递给塔釜物料，本身冷凝成液体，如此 循环反复。这种塔内物料与制冷系统的工质两者之间封闭的系统称为闭式热泵。 实际热泵循环过程存在着不可逆损失，在压缩过程中有一部分功转化成热， 传热过程有温差，流动过程有压降，因此实际热泵系统的功耗比理想的系统要大。 热泵精馏的效果一般由供热系数c o p 来衡量，它表示加入1l ( j 压缩功可提供给 再沸器多少k j 的热量，c o p 越大，效果越好。 具有高c o p 值的热泵系统应具有下列特性： ( 1 ) 塔顶、塔底温差小； ( 2 ) 塔的阻力小； ( 3 ) 压缩机容量大、效率高； ( 4 ) 换热器传热温差小； ( 5 ) 工作介质的潜热大。 热泵精馏本身适用于塔顶和塔底温度相接近的场合。被分离物系的沸点越接 近，需采用较大同流比，就需要大量加热蒸气。这时，热泵精馏节能显著。对于 丙烯丙烷分离过程如使用这种方法，其热力学效率可以从3 6 提高到8 1 。 图1 - 3 热泵精馏塔示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f h e a t - p u m pd i s t i l l a t i o nc o l u m n 6 第一章文献综述 常规热泵适合于小温差精馏，对于如乙醇水体系的大温差精馏1 23 i ，如果用 热泵，必须选择多级压缩机，投资费用及操作费用高，追加投资回收期厂，节能 效果不明显。这时可以采用分割式热泵，将精馏塔分成上下两部分，在上塔采用 热泵精馏。从一卜塔顶出来的蒸气部分进入压缩机升压升温，另一部分进入冷凝 器。下塔类似常规精馏的提馏段，即蒸出塔，进料来自上塔的釜液，蒸气出料则 进入上塔塔底。在上部塔和下部塔塔底分别加入热量。分割点的选择对整个系统 的费用影响很大，是一个优化的过程。 除了上述的热泵外，还有用于气提减压精馏的蒸气喷射泵方式，也可以达到 节能效果【9 】。 1 2 2 2 多效精馏 多效精馏是将精馏塔分成能位不同的多塔，能位较高塔的塔顶蒸气向能位较 低的再沸器供热，同时它自己也被冷凝。理想情况，在多效精馏中，只是第一个 塔的塔釜需要加入热量，最后一个塔的塔顶蒸气用冷却介质冷凝，而其余各塔都 不需要供热和冷却i l o j 。 f r e s h e r 在1 9 5 1 年介绍过多效精馏工艺，r a t h o r e 在1 9 7 4 年探讨了多组分多 效精馏方案。t y r e u s 和l u y b e n 在1 9 7 5 年研究了多效精馏节能情况。k a t z e n 在 1 9 8 0 年提出了实用的双效精馏流程，用于制取无水乙醇。国内很多学者f 1 1 1 3 1 近 年来在多效精馏模拟方面一直进行着不懈地研究。 b i d l b 2d n i b n 图1 - 4 多效精馏示意图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f m u l t i - e f f e c td i s t i l l a t i o n 陶l - 4 所示为一般的多效精馏流程图，原料被均匀输送到n 个塔中。塔的操 作压力依次降低，使得前一效的塔顶温度略高于后一效的塔釜温度。第一效塔釜 由水蒸气供热，其塔顶蒸气作为热源加热第二效的塔釜，同时被冷凝得到产品。 第章文献综述 以此类推，直到第n 效，在其塔釜被上一效塔顶蒸气加热后，塔顶蒸气由外界 冷却介质冷凝。整个过程只有第一效和最后一效需要外部热量供给，中问没有外 加能量供给。 多效精馏的节能效果理论上可以用如下公式表示： ，7 ：掣1 0 0 ( 1 - 1 1 ) n 刁是节能效果，n 为多效精馏的效数。 但随着效数增加，节能效果增加的越来越少，而装置的投资费用则越来越大。 所以多效精馏多以双效、三效为主。多效精馏在应用过程中要注意几个原则： ( 1 ) 塔操作温度、压力均不能超过临近温度、压力。 ( 2 ) 第一效精馏塔塔底温度不能超过热源温度。 ( 3 ) 最后一效塔顶温度必须高于冷却介质温度。 ( 4 ) 对热敏物质，第一效的温度4 i 能高到其热分解温度。 ( 5 ) 前一效塔顶蒸气与后一效塔釜液间必须有一合理的温度差，以实现热量 传递。 工业成熟的多效精馏有日本化学机械制造公司对联氨食盐水体系脱水精馏 采用了三效方式，以及甲醇水体系的二效逆流精馏方式；有些丙烯丙烷体系也 是用双效方法节能。双效精馏这种应用还可以用于两个无关塔的能量耦合上。在 炼油厂中利用常压塔排出的热再沸脱丁烷塔。 1 2 2 3 热耦合精馏塔 在单塔中，塔内两相流动要靠冷凝器提供液相回流和再沸器提供气相回流来 实现。但在设计多个塔时，如果从某个塔内引出一股液相物流作为另一塔的塔顶 回流，或引出气相物流直接作为另一塔的气相回流，则在某些塔中可避免使用冷 凝器或再沸器，从而直接实现热量的偶合。所谓的热偶精馏就是这样一种通过气、 液互逆流动接触来直接进行物料输送和能量传递的流程结构，典型完全热耦合精 馏塔参见图l - 5 。它包括一个主分馏塔( 右塔) ，和一个预分馏塔( 左塔) 。通过直接 从主分馏塔中引t b n 线物流作为预分馏塔的气、液相回流，使预分馏塔不需要使 用再沸器和冷凝器，从而实现热量的耦合。两个塔只需用一个冷凝器和再沸器， 节约了设备费用和能量消耗。 第一章文献综述 图l - 5 热耦合精馏塔示意图 f i g 1 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f 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 nc o l u m n 热耦合精馏塔最早在1 9 3 7 年由b r u g m a i m 】提出，6 0 年代，p e t y l u k 等做了深 入研究，所以对完全耦合塔，也称之为p e 母i u k 塔【1 5 】。工业实际应用中，常常将 p e t y l u k 结构中的两个塔并到一个塔壳中，并用一个隔板分开，这种塔叫做 d i v i d i n g 、a i l 塔i l6 | 。能源危机使得热耦合塔在世界范围内得到关注。很多学者致 力于此类塔的研究。a g r a w a l 【1 7 j 等首先改进了全热耦台塔的排布，增强了其可操 作性，并且提出并证明了其等价流程。c a b a l l e r o l l 8 j 提出了全热耦合塔的热力学等 价塔序列，克服了原来耦合塔操作不便的困难。s t u p i n t l 9 】对热耦合塔设计进行了 研究，结果显示热耦合塔所需气相比传统分离少2 0 以上，与传统精馏系统相比， 热耦合精馏在分离近沸点物系时能够大幅度节省加热冷却费用。工业应用上，因 为控制、操作以及缺乏系统的设计方法的原因，应用有限，但还是有相关的工业 应用报道【2 0 2 2 1 。国内许锡恩等人【2 3 l 对非理想体系热耦合精馏计算做了研究，建 立了热耦合精馏的动态模型，并进行了动态特性分析；曲，l ，等【2 4 】以丁二烯分离装 置为对象，对全热精馏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。 热耦合精馏在热力学上是最理想的流程结构，既可节省投资设备，又可以节 省能耗。但在操作中使主、副塔之间气液分配保持设计值是较困难的，分离难度 越大，其对气液分配偏离的灵敏度越大，操作越难稳定。因此，只对易分离物系 采用热耦合精馏。 1 3 透热精馏技术 透热精馏足精馏节能领域的一个研究重点，代表着一个重要研究方向。与前 9 第一章文献综述 面热集成节能方法多利用再沸器、冷凝器耦合不同，透热精馏通过塔内板间提供 或移走热量，使得操作条件更趋于平衡，从而降低了过程的不可逆性，减少有效 能消耗，提高了有效能利用率。也就是说，在透热精馏中，能量不是伞部从塔底 输入，从塔顶取出。而是在塔中间通过某种取热方式取热或供热。目前，围际上 对透热精馏技术研究比较深入，主要包括增设中间冷凝器和中间再沸器精馏塔、 理想透热精馏塔、内部能量集成精馏塔( h i d i c ) 。 1 3 1 增设中间冷凝器和再沸器精馏塔 温度是热能品质的度量，如果温度分布发生变化，即使热能在数量上没有改 变，也可以减少不可逆损失。采用增设中间冷凝器，把冷凝器负荷分配到塔的上 段，或增设中间再沸器，把再沸器加热量分配到塔的下段可以取得节能效果。 比较常见的增加冷凝器和再沸器流程见图1 6 。二二级冷凝和二级再沸精馏塔， 在精馏段设置第二个冷凝器，在提馏段设置第二个再沸器。总冷凝量和总再沸加 热量没有变化，即两个冷凝器的负荷加和与原来一个的负荷相同；两个再沸器加 热负荷之和与原来一个再沸器负荷相同。但是，由于中间的冷凝器可以使用较高 温度的冷源，使精馏塔在较高温度排出热量，减少了有效能损失；同时中间再沸 器可以使用较低温度的热源，避免了高品质能量的浪费。但这种方式是有条件的， 即从工艺设备整体的热平衡考虑回收的余热应能加以利用，或应有适当的用户。 设有中问再沸器的实例是甲基异丁基酮水苯酚体系【25 | 。这种工艺节能的要点是 进料段沸点远比塔底沸点低，设在近精馏段的中间再沸器可用透平排出的中压蒸 气做热源，塔底再沸器则用3 0 0 热载体做热源。由于发生了热的质的变化，故 透平排出的蒸气被有效利用。 器 冷凝器 再沸器 器 图1 6 二级冷凝器和再沸器精馏塔示意图 f i g 1 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e c o n d a r yc o n d e n s e ra n dr e b o i l e r 1 0 第一章文献综述 1 3 2 理想透热精馏塔 如果在精馏段的每一层都设置冷凝器，在提馏段的每一层都设置再沸器，以 便根据平衡线的要求在可以保持一定推动力情况下完成分离任务，使精馏过程接 近最小分离功，这就是理想透热精馏。 图1 7 理想透热精馏示意图 f i g 1 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fi d e a ld i a b a t i cd i s t i l l a t i o nc o l u m n 理想透热精馏的概念最早由f o n y o 2 6 27 】在上个世纪7 0 年代初提出的。他提出 在精馏塔的每块塔板上都加入换热装置。以后理想透热精馏的概念逐步发展，被 以不同的名字研究，m a h 掣猫j 评价了带有不i 一压力的精馏段和提馏段透热精馏， 提出了二次回流和蒸发的概念( s r v ) ，以后又逐步发展成带有压缩机形式的不同 压力内部热集成精馏( h i d i c ) 。另一方面，很多学者仍然在理想透热精馏概念下 研究。r i v e r o 从上世纪9 0 年代开始研究透热精馏1 29 i ，并于1 9 9 3 年进行了乙醇 水物系的透热精馏实验研究，结果表明透热精馏比普通精馏有显著的熵产生降 低。这也是迄今唯一的理想透热精馏实验工作。更多的学者在理想透热精馏的理 论方面不断探索，研究集中在塔板传热和传质熵产生的最小化，目的想建立最小 化方法。s c h a l l e r 【3 0 j 等通过数值仿真，得到了透热精馏塔的热力学第二定律效率 最高换热器负荷，数值最优化结果与应用了不可逆热力学得到的计算相吻合，他 们还把热流、质量流以及换热器的熵产牛计算在内，研究了传热规律对透热精馏 最优性能的影响。s a l a m o n 等【3 l j 提出等热力学长度( e t d ) 概念，通过使每层塔板 都交换热量来提高精馏塔的热效率，并给定了每一层塔板的最优温度和加热量及 排热量构型，对离散系统的热力学长度进行了优化。g e l e i nd ek o e i j e r 3 2 】等研究 了在透热精馏塔中传质和传热对熵产生的影响，并进一步讨论了整个塔熵产生最 第一章文献综述 小时传热面积在塔内的分布情况。s a u a r 3 3 1 提出把等热力学距离和等分作用力方 法应用到二元精馏中。 虽然理想透热精馏的理论研究很深入，但其实验研究一直没有进展，这也就 限制了其工业应用的前景。与此同时，另一种形式的透热精馏一h i d i c ，正在快 速发展着。 1 3 3 内部能量集成精馏塔( h i d i c ) h i d i c 是在m a h 的二次回流与蒸发( s r v ) 理论上发展起来的【3 4 1 。它的思想借 鉴了理想透热精馏，但是使片j 了完全不同的方式，在最近二十年时间，因为各地 学者的努力发展，已经取得了很大的进步。 图1 8 是h i d i c 的示意图。该技术将传统精馏塔分成精馏段和提馏段两个单 塔。进料在提馏段的顶部。提馏段气相通过压缩机进入精馏段，精馏段的液相通 过节流阀减压流网到提馏段。因为精馏段压力增大，所以温度高于提馏段，通过 精馏塔的设计可以使得精馏段和提馏段之间进行换热。这样，就相当于在精馏段 每级塔板引入了一个小冷凝器，在提馏段的每级塔板引入了一个小再沸器，但却 不用使用外加冷凝、再沸蒸气，达到减少有效能损失，节约能量的目的。同时， 由于每级塔板都有换热，塔顶冷凝器和塔底再沸器的负荷就大为减少，在理想情 况，负荷可以减少到零，这样就达到了完全的热耦合，设备费也大为减少。 图1 8 内部能量集成精馏塔 f i g 1 8s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n t e r n a l l yh e a t i 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 1 2 第一章文献综述 1 3 3 1h i d i c 发展概述 在上世纪8 0 年代，日本学者首先开始了对h i d i c 的研究。t a k a m a t s u 和 n a k a i w a 3 5 3 6 1 对h i d i c 的分析和设计方法进行了研究。他们基于相间传质理论提 出了h i d i c 的数学模型。以甲醇一水物系为算例对h i d i c 系统进行了研究。结 果显示，当h i d i c 的回流比低于传统塔最小回流比时，其仍可以正常操作，且 相对于传统塔，h i d i c 在任何操作条件下的节能量都近似于3 0 。进入9 0 年代， 在国家节能计划支持下，从1 9 9 3 年，日本开始了对h i d i c 的全面研究。并在9 0 年代末开始进入实验阶段研究【3 。结果显示，h i d i c 可以像传统塔一样平稳操作， 可以达到无同流或无再沸的操作状态，说明系统内部的能量耦合良好以产生足够 的内回流和再沸蒸气。另外，实验中对苯一甲苯物系进行了研究，相对于传统塔， h i d i c 的能量消耗量减少4 0 。 本世纪以来，h i d i c 的研究更加深入。荷兰代尔夫特大学过程设备实验室 z o l u j i c 课题组与日本同行在这方面展丌了竞争。他们联合a b b 、b p 、s h e l l 等工业巨头，对h i d i c 进行了发展。z o l u j i c l 3 8j 在对h i d i c 进行热力学分析后认 为，h i d i c 塔的节能效果与热泵系统相似，都随着物系相对挥发度的减小，系统 的节能效果逐渐增大。相对于热泵系统，h i d i c 的优势在于它的压缩比相对较小 小，并且近似可逆操作，减少有效能损失。所以在设备投资近似相等的情况下， h i d i c 的有效能消耗近似为热泵系统的一半，节能效果明显。同时作者认为其结 构设计的复杂与操作控制的复杂性也足一大挑战，需要后续工作的努力。 z o l u j i c l 3 9 对h i d i c 的c 3 分离塔进行了概念设计和经济性分析。模拟结果显示， 内部能量耦合操作是可行的，相对于热泵系统有一定的优势，其平均年度消费总 额比热泵系统降低2 0 ，同时也指出压缩机投资和操作费用对内部能量耦合系统 的经济性影响最大。文中还对换热面积的分布进行了研究，某些塔板间的换热面 积相当大是影响其可行性的一大冈素，另外需要平衡换热面积和压缩比来达到内 部能量耦合系统的最优设计。m g a d a l l a l 4 0 1 介绍了h i d i c 系统的概念设计。在板 式塔的精馏段和提馏段引入换热媒介。提出了一种在热力学和水力学角度评价 h i d i c 的操作和设计可行性的方法。基于温度分布和水力学计算，得到了不同形 式的h i d i c 的可行区域。最后对塔内部传热面积设置提出建议。g a d a l l a 4 1 】对二 氧化碳排放装置的h i d i c 装置进行了模型研究，将所有的过程节能减排条件进 行了优化。结果表明应用h i d i c 方法节能可达到二十一个百分点，减排二氧化 碳二十二个百分点，同时操作费用也大为降低。 日本学者的工作没有止步，在新的国家计划的支持下，研究进一步深入。 m n a k a i w a l 4 2 j 在原来h i d i c 的基础上提出一种新的结构，用精馏段塔顶产品的余 热来加热进料来达到更大程度的能量耦合。但其过程的复杂性使得设计和操作难 第一章文献综述 度加大，故有必要同时