（化学工程专业论文）三甲苯精馏工艺模拟与节能策略.pdf

摘要 本文以某厂三甲苯精密精馏的工艺流程为实例，研究了三甲苯三塔工艺及其 节能工艺。三塔工艺，是指在生产偏三甲苯同时联产富集均三甲苯，由于比两塔 工艺多了富集均三甲苯塔，所以导致系统总的能耗过高。三甲苯分离属于精密精 馏，需要的理论板数高，操作回流比也较大，属于高难度分离过程，因此装置的投 资和操作费用都较高。从优化节能出发，在原有流程的基础上，对精密精馏过程 的节能策略进行研究。 利用成熟的化工模拟软件p r o i i ，在常压条件下，采用并联和串联两种流 程对三甲苯分离体系进行了模拟计算，对分离流程中预分塔的回流比、总理论板 数和进料位置进行了灵敏度分析，确定了最优化参数。热力学模型采用p r o i i 中的p r m 方程。结果表明，两种设计方案都能满足分离纯度要求，但热负荷较 高。 针对三甲苯精密精馏能耗高的特点，采用热集成节能方法，实行差压技术达 到合理的热匹配要求。以各塔压力为主要调节变量，找到了热匹配合理的压力条 件，能耗大幅降低。在不考虑设备固定投资的情况下，理论能耗变为原来的4 0 以下。 将热偶精馏塔模型应用于三甲苯分离系统，进行了模拟计算，分析了热偶精 馏塔的主塔进料位置、主塔产品采出位置、气液回流量等参数，得到它们的操作 特性。结果表明，在相同的分离要求下，采用热偶精馏过程，比采用常规分离塔 系，节能1 5 以上。 用改进的b p 人工神经网络建立能耗的预测数学模型，在不同的产品纯度和 收率下，能耗能够较为准确快速的预测。分析了b p 人工神经网络模型的计算结 果与p r o i i 模拟结果的误差。该模型有一定的现实意义，可以用于工程设计参 考。 关键词：精密精馏热集成热偶精馏神经网络p r o i i a b s t r a c t t a k i n gt r i m e t h y l b e n z e n ep r e c i s ed i s t i l l a t i o nf o re x a m p l e ，t h i sp a p e rp r e s e n t s t h r e e - c o l u m nd i s t i l l a t i o np r o c e s sa n ds t r a t e g yo fs a v i n ge n e r g yi np r e c i s ed i s t i l l a t i o n t r i m e t h y l b e n z e n ed i s t i l l a t i o na sah i g hd i f f i c u l ts e p a r a t i o n ，h a ss e v e r a lc h a r a c t e r i s t i c ： h i g ht h e o r e t i c a ln u m b e r so fp l a t e s ，h i g hr e f l u xr a t i o ，t h ei n v e s t m e n ta n dr u n n i n gc o s t a l eh i 【曲t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e di n t os e v e r a lp o i n t sa s f o l l o w s ： a tn o r m a lp r e s s u r e s ，t r i m e t h y l b e n z e n et h r e e c o l u m np r o c e s s e si np a r a l l e lf l o w t y p ea n ds e r i e sf l o wt y p eh a v eb e e ne s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e db ya p p l y i n gp r o i i s e n s i t i v i t ya n a l y s i sa b o u tr e f l u xr a t i o ，t o t a lt h e o r e t i c a ln u m b e ro fp l a t e sa n dt h e l o c a t i o no ff e e di sd e a l e dw i mi ns e p a r a t i o np r o c e s s c o m p a r i n gw i t ht h ep r i m a r y p r o j e c t , t h et w op r o j e c t sh a v eb e t t e ry i e l da n dp u r i t y , b u tt h eh e a tl o a di ss o m eb i g g e r c o m p a r e dw i t ht h eo p e r a t i n gu n d e rn o r m a lp r e s s u r e ，t h en e wp r o c e s su n d e r d i f f e r e n t i a lp r e s s u r ec a nr l l a k e9 0 0 du s eo fh e a ti n t e g r a t i o n t h ee n e r g ys a v i n gf o rt h e d i s t i l l a t i o ns y s t e mw i l lb ec a r r i e do u tb yt h en e wp r o c e s s ，w i t ht h eh e a tl o a da st h e o b j e c t i v ea n dt h ep r e s s u r ea st h eo p t i m a lp a r a m e t e r t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h e t h e o r e t i c a le n e r g yo fh e a ti n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yb e c o m e sb e l o w4 0 o ft h ee n e r g yo f f o r m e rp r o c e s s ，a n di ti sa ne f f e c t i v ee n e r g y s a v i n go n e t h eo p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c ea n dt h ee n e r g ys a v i n ge f f e c t so ft h et 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 nw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e dw i t ht h et r i m e t h y l b e n z e n es e p a r a t i o n u n i t a p p l y i n gt h et 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 , t h ee x t e n to fe n e r g ys a v i n gi sa b o v e 15 ，c o m p a r i n gw i t ht h ec o n v e n t i o n a ld i s t i l l a t i o np r o c e s s t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n dp r e d i c t i o no fe n e r g yc o n s u m ei se s t a b l i s h e d u s i n gi m p r o v e db pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k w i t ht h i sm o d e l i n g ，e n e r g yc o n s u m ec a n b ef a s tp r e d i c t e du n d e rv a r i o u sy i e l da n dv a r i o u sp u r i t y r e s u l t ss h o wt h a tt h e e s t i m a t i o nb a s e do nt h em o d e lw a sa c c u r a t ea n dh e l p f u lf o re n g i n e e r i n gd e s i g n ， k e yw o r d s ：p r e c i s ed i s t i l l a t i o n ，h e a ti n t e g r a t i o n , 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 ， a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k , p r o i i 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，也不包含为获得岙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。 学位论文作者擞。彳亏签字醐蝴吵“月粕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼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： 签字日期：哆年 弓二 6 只| 嚣e l 导师签名： 窖撕p 签字日期：锄1 年6 月f 譬日 第一章文献综述 1 1 化工过程系统工程 第一章文献综述 化工过程系统工程是将系统工程学的理论和方法应用于过程工业领域的一 门边缘学科，是化学工程学的一个分支。 化工过程系统工程的基本内容是：从化工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，确定化工系统在规划、设计、控制和管理 等方面的最优策略【1 】。其主要采用数学模拟的方法进行研究，即建立过程系统的 数学模型，描述出系统中的每一部分及总体性能，并给以评价。通常，过程系统 模拟包括两个基本部分，一是系统中各单元的数学模型，二是各单元之间的相互 联结，即系统结构1 2 j 。 1 1 1 化工过程系统综合 过程综合作为过程系统工程学科的核心内容，是过程设计中最具创造性和挑 战性的工作，是化工过程概念设计的理论基础。过程系统综合是指在给定原料及 产品要求的前提下，如何构造出一个理想的工艺流程( 包括选择过程单元、构造 流程结构、确定操作参数、制定控制方案等) 的方法，具有重大的社会和经济意 义。进行过程系统综合的概念如图1 - 1 ，指的是：系统的输出是指定的( 希望的) ， 系统的输入是给定的或是可允许选择的一个范围，要求设计者确定该未知的过程 系统，并达到规定目标函数的最优。当组成该系统的单元特性以及它们的规格和 相互间的联接结构确定之后，则该系统就完全规定了【1 】。 箍翼嚣输一鬟亲昙l 一霉雾黠 可选择的输入 j 过程系统l 希望阴输出 图1 1 过程系统综合概念图 f i g 1 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 过程系统综合是一个复杂的多目标最优组合问题，长期以来主要靠工程师的 经验，直到2 0 世纪6 0 年代后期，美国学者r u d d 3 】提出过程综合的系统性理论与 方法以来，该问题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 第一章文献综述 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 h s 推出化 工过程概念设计标志着这一领域的进步。 过程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。 针对上述两个重点，国内外学者开展了详细而深入的研究工作。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：换热器网络综 合；反应路径综合；反应器网络综合；公用工程系统综合；全流程系统综合。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，研究的最 成熟，在实践中取得的成效也最为显著【1 ；分离过程的综合是继换热网络之后 的另一个研究热点f 7 8 】；反应路径及反应器网络的综合目前的研究较少【9 j ；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【1o ，1 1 】；全流程系统综合作为过程系统综合的最终目标，目前尚处于探索阶段， 其进展对于实现整个过程系统的最优设计意义重大【1 2 】。 1 1 2 化工过程流程模拟 化工过程流程模拟是指建立过程系统的数学模型或描述模型并在计算机上 加以体现和实验。利用计算机高超的能力解算化工过程的数学模型，以模拟化工 过程系统的性能，这种技术早在5 0 年代就已经开始在化学工业中应用【1 3 】。现在 已发展成为一种普遍采用的常规手段。化工过程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，还是过程系统综合，都是以流程模拟为 基础的。按模拟对象所要求的特性与时间的关系来区分，过程流程模拟可分为稳 态模拟与动态模拟。 1 1 2 1 稳态流程的模拟 稳态模拟是指化工过程流程模拟研究中开发的最早和应用最为普遍的一种 重要技术，它包括物料和能量衡算、设备尺寸和费用计算、过程的技术经济评价。 从数学角度来看，其实质是求解一非线性方程组，该方程组由单元模块方程、流 程联结方程和约束方程构成。 就其数学模型的表达方式和解算方法而言，已发展了两类模型化方法：序贯 模块法和联立方程法。从5 0 年代就开始发展的序贯模块法至今仍然是适用的主 要方法，而6 0 年代由英国帝国理工学院s a r g e n t 教授首先创始的联立方程法虽然 有很多的优越性，但至今尚未很好的商品化。这两种方法的比较见表1 1 所示【1 3 1 。 2 第一章文献综述 表1 1 两种流程模拟方法的比较 t a b l el lc o m p a r i s o no f t w om e t h o d sa b o u tp r o c e s sf l o w s h e e t 模型化的发展方向是把序贯模块法的通用性和联立方程法的适应性结合到 一个面向对象的模型化环境中去，使之既可供非专家使用，也可供模拟专家使用。 最终用户可以把一些基本的模型对象用图形建模器搭接起来，形成用户单元模 块。每个模块对象应当提供有关自身的所有的重要信息给联立方程解算器，例如： 方程结构、残差、导数等。此外，这些模块对象还应当包括定性工程知识以协助 用户来给定规定或进行诊断。这种思想己被d o tp r o d u c t s 的n o v a 系统和美国 c a r n e g i e m e l l o n 大学的a s c e n d 系统部分采用，前者已商品化。 1 1 2 2 动态流程的模拟 动态流程模拟的发展比稳态模拟晚1 0 1 5 年。2 0 世纪9 0 年代以来，由于计 算机性能的极快提高和计算机辅助过程操作( c a p o ) 的发展要求，动态模拟技 术的发展和应用呈迅速上升趋势，动态流程模拟沿着两个方向发展：设计用的模 拟系统和操作实时模拟系统。目前，设计用的模拟系统主要有连续系统模拟语言 c s s l 和具有单元操作动态模型库的模拟器等。动态模拟的方程组有以下一些特 点： 高维数微分方程与代数方程混合方程组，往往大于1 0 0 0 个方程； 稀疏性强( 只有1 的矩阵元素非零) ； 往往是非线性的方程； 第一章文献综述 常常遇到不连续问题。 要开发如通用性强、解算可靠而又方便的软件十分困难，目前尚没有一个满 意的商品化软件为工程公司广泛接受。8 0 年代，动态模拟培训系统得到了大量 推广应用，出现了一些专营培训器的公司。稳态模拟与动态模拟有合并的趋势， 现行的动态模拟软件，有一多半软件既是动态模拟软件又可以作稳态模拟设计 用。 1 1 3 过程系统集成 过程集成是过程系统工程一个新的研究领域，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 gp r o c e s si n t e g r a t i o n ) 。有的把其称为 “概念设计埘1 4 1 ，有的称其为“过程系统的能量集成”【1 5 1 ，有的称其为“过程整 合”【1 6 1 。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、可控性，安全性和环境目标等。过程集成以“t a r g e t b e f o r e d e s i g n 为 特征，强调全过程的整体性，包括以能流为主线的能量集成和以物流为主线的质 量集成两方面内容。能量集成近年来已取得了巨大的进步，已在石油，化工等诸 多行业成功地应用。 1 9 7 8 年英国u m i s t 的l i n n h o 蹲人开发出夹点技术( p i n c hp o i n tt e c h n o l o g y ) 后，才开始大为改观，并在工业实践中得到应用。夹点技术是以热力学为基础， 运用拓扑学的概念和方法，对过程系统做出直观、形象的描述与处理，从客观的 角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并 给以“解瓶颈”的一种方法。这种方法与其它方法不同的是，在设计中工程师始终 处于主动状态，利用夹点技术的概念，工程师可以达到即定的目标，同时考虑到 操作可行性、产品、安全性等，设计出不仅效率高而且可行的集成方案。u m c d a 【l 7 】 和l i n n h o f f t l 8 】分别提出了换热器网络中的温度夹点( p i n c h ) 的问题，提出夹点限 制了换热器网络可能达到的最大热回收。目前夹点技术的过程设计方法，如今己 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，夹点技术己在多方面取得了进展。 4 第一章文献综述 1 2 分离序列综合 随着能源和原材料价格的大幅度上涨以及可持续发展的紧迫要求，使得分离 序列的综合这一问题深入研究和广泛应用于生产中显得尤为重要。分离过程作为 化工过程不可缺少的重要组成部分，在提高生产过程经济效益和产品质量中起重 要作用。而且，由于分离过程的投资经常占到整个过程投资的5 0 - - 9 0 ，其能 耗常占整个过程能耗的7 5 以上【1 9 1 。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，主要原因就在于分离过程的能耗大大高于发达国家。 作为系统集成的一个重要领域，分离序列综合随着集成技术的发展近年来也 取得到了长足的进步。 1 2 1 分离序列综合的发展 分离序列综合属于组合优化问题，当待分离的混合物的组分数增加时，可能 的分离序列数目会呈骤然增长，而各序列的投资与操作费用差异较大，所以从中 选出最优序列是一件非常复杂和困难的任务。近年来，人们提出了多种方法来搜 寻最优分离序列，主要通过减少搜索空间来快速地找到最优或接近最优的分离序 列。 分离过程综合是一个多层次的问题。其外层优化是确定适宜的分离方法及分 离顺序；中层优化是确定适宜的热集成策略及热集成流程结构；内层优化是确定 流程中各单元的结构及最优参数值。多层优化相互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个方面开展研究工作【2 0 ，2 1 】： 分离序列综合； 考虑热集成的精馏流程综合； 共沸分离系统的综合； 分离过程与反应过程同时考虑的综合； 反应精馏系统的综合； 分离系统与整个过程系统同时考虑的综合。 1 2 2 分离序列综合的描述 分离序列综合问题的定义可叙述如下：给定一进料流股，已知它的状态( 流 量、温度、压力和组成) ，系统化的设计出从进料中分离出所要求产品的过程， 第一章文献综述 并使总费用最小。设计者面临两个问题：一是找出最优的分离序列和每一个分离 器的性能；二是对每一个分离器找出其最优的设计变量值，如结构尺寸、操作条 件等，即分离序列的综合是一个两水平问题，在塔系最佳化的同时，每个塔的设 计也要最佳化。 分离序列最优化是在化工流程模拟的基础上发展起来的，不同的流程模拟方 法结合不同的最优化策略，就产生了不同类型的分离序列的综合策略。分离序列 最优化问题表达为 目标函数： m i n f ( m , z )( 1 1 ) 约束条件： s ( 础z ，z ) = o ( 流程描述方程组) c ( c o ，五z ) = o ( 尺寸及成本关系式) j i l ( 国，x ) = 0 ( 等式设计约束) g ( c o ，功 o ( 不等式设计约束) 式中：国为没有给定的、可调节的设备参数及物料参数，是决策变量；x 为 流股变量；z 为内部单元变量；s ( 缈，x ，z ) = 0 表示包括所有单元设备的内部物料和 能量衡算方程以及流程联接方程在内的方程组；h ( c o ，x ) = 0 表示要达到某种设计 指标的约束条件解法。这两组方程的解法有三种，序贯模块法、联立方程法、联 立模块法。 对不同的分离序列进行优化采用的目标函数也不同，为使系统能尽量达到通 用，满足一般的优化要求，必须给出一个通用的目标函数，通过分析可以看出对 流程进行优化一般有三个目的： 1 ) 能量消耗( 或操作费用) 最小，这包括水、电、汽等的消耗； 2 ) 同样原料消耗下某种产品的产量最高，即效率最高； 3 ) 产品的质量。 一个流程若其生产成本主要以能耗为主，则优化的目的应属于第一类，优化 目标函数应是在一定产量条件下的能耗最低。如果流程的原料消耗是决定成本的 主要因素，则优化的目的属于第二类。第三类是以产品的质量为追求目标。为了 能以一定的形式统一给出目标函数的表达式，我们将目标函数分解成能流、物流 和模块参数的线性组合，形式如下： ，= ( a q + a w + a f l ) - e a f l s x 0 - 2 ) 其中为q 能流，w 为功耗，f l 为物流流量，s x 为物流组成，五，龟，毛，f 4 分 别为系数，根据实际情况决定。 分离过程主要包括蒸馏、吸收、解吸、干燥、结晶和蒸发等。根据熵增加原 6 第一章文献综述 理，物质的混合过程是一个不可逆过程，混合过程是自发的过程，但是要将均相 混合物分离成同温、同压下的两种或两种以上的组分则必须消耗一定的能量( 功 或热量) 。分离过程一般是以热能为分离剂的操作过程，有时还需加入质量分离 剂。这些以热能为分离剂的操作单元一般需要被加热或者冷却，如果都用公用工 程来完成势必增大操作费用。对分离序列进行热集成，充分利用工艺物流来完成 其加热和冷却，可以大大节省公用工程用量。例如在改变塔的操作压力、设置中 间再沸器、设置进料闪蒸罐、利用热泵等节能技术的同时，把几个单塔看作一个 整体，在化工系统设计中，利用夹点设计方法，当通过夹点的热流量为零时，公 用设施加热负荷都达到最小值。此时该换热器系统达到了最大程度的热量回收， 一个精馏塔相当于一个分离器，应放在夹点的上方或者下方进行过程系统的热集 成提高效率瞄引。 1 3 精馏过程的节能技术 我国的能源虽然比较丰富，但利用率很低，据统计总利用效率只有2 5 。远 低于工业发达国家，造成了能源的巨大浪费。因此节能的潜力很大，节能的任务 也很迫切。在工业生产中，石油化学工业的能耗所占比例最大，精馏过程是化学 工业中能耗最大的单元过程。据统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。我国的炼油厂消耗的原油占其炼油量的 8 1 0 ，其中很大一部分消耗于精馏过程。因此，在当今能源紧缺的情况下，对 精馏过程的节能研究，就显得十分重要。 精馏的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，可以从不改变流 程结构和改变流程结构两方面来考虑。 1 3 1 不改变流程的节能技术 不改变流程的节能技术主要是指优化过程的操作参数，包括选择合适的操作 压力、回流比、进料热状态及回收率等。 1 3 1 1 选择合适的操作压力 操作压力是精馏过程重要的一个操作参数，它对精馏过程的影响表现在以下 几个方面： ( 1 ) 塔顶蒸汽冷凝温度和塔釜液的加热温度。 7 第一章文献综述 塔顶蒸汽冷凝即为塔顶汽相产品的露点温度。塔釜液的加热温度即为釜液的 泡点温度。这两个温度随压力的增高而上升，随压力的降低而下降。如果塔顶蒸 汽的冷凝温度低于4 0 ，则不能选用水作为冷却剂，而需要更昂贵的制冷剂， 所以通常以此温度作为精馏操作压力的下限。塔釜加热温度的升高意味着所需要 的加热剂水蒸汽的压力( 温度) 升高。当釜液温度超过加热生蒸汽温度上限时， 需要采用更昂贵的加热剂，操作费用急剧增大。所以塔釜加热生蒸汽的加热温度 不能超过加热生蒸汽温度上限，并以此作为确定精馏塔操作的一个上限。此外对 于精馏操作，塔的操作压力还需保证所处理的物料不能在高温下受热分解或聚合 结焦。 ( 2 ) 组分间的相对挥发度 压力的变化会导致物料的相平衡关系的变化【2 3 】。压力的升高将使组分间的 相对挥发度下降，相对挥发度的下降又影响精馏塔的操作回流比、塔板数、气相 流量等一系列的操作参数。当压力变化不大时，此影响不是很显著，但当操作压 力变化较大时，相对挥发度的变化对精馏塔的分离费用有非常大的影响，这种影 响是精馏塔操作压力选择的一个重要因素。 ( 3 ) 塔的操作费用和造价 因为气体的密度与压力成正比，对于一定质量流率的气体，压力高则体积流 量可以减小，从而使塔径减小，但塔压超过0 6 8 m p a 时，精馏塔属于压力设备， 则须考虑增加塔壳厚度。由此可见压力和塔的操作费用和造价有着密切的关系 【2 4 】 o 1 3 1 2 选择合适的回流比 精馏设计中最重要的操作参数是对回流比的选择。降低操作回流比，可降低 能耗。同时，也将引起设备费用的相应增加。但由于能源价格的上涨，往往综合 操作费用和设备费用两方面的结果，降低回流比仍是十分有利的。 回流比r 与q c 和q r 必有直接关系【2 5 - 2 7 。减小r ，可同时减小冷凝器和再沸器 的热负荷，从而达到节能的目的。当r 接近最小回流比r m i n 时，系统的操作费用 ( 主要由塔内蒸汽的加入量和冷却剂的消耗来决定) 越小，但分离所需要的塔板 数增加很快，因而塔的设备费用也迅速增加，所以最佳回流比的确定需要使系统 的设备费用和操作费用之和达到最小。对于传统的简单塔( 一股进料，塔顶和塔 底出料，塔顶全凝器，塔底再沸器) 而言，一般认为最佳回流比可以选择在r m i n 的1 1 l 1 2 4 之间，但是对于复杂精馏塔结构、多个塔的分离问题时，回流比的 选择需要在总的策略下进行权衡、优化考虑。 第一章文献综述 1 3 1 3 选择合适的进料热状态 进料热状态q 定义为使每千摩尔物料变成饱和蒸汽所需的热量与每千摩尔进 料的汽化潜热的比值。q 是精馏塔设计的一个重要参数【捌，它同时影响塔的操作 费用、设备费用和分离效果对于具体的分离问题，最佳进料热状态需要根据使 系统的设备费用和操作费用之和最小这一经济指标来确定。 1 3 1 4 选择合适的组分回收率 组分回收率和要求的产品浓度有直接的关系【2 9 】。对于单塔来说，若指定塔 顶和塔底产品的浓度，也即产品的回收率已确定，若仅指定某种产品的浓度，则 设计人员可以根据经济分析决定其他产品的回收率。对于多塔分离过程，虽然对 产品的浓度有具体的要求，但每个塔的产品回收率并不是唯一确定的，此时正确 选择各塔的回收率有很重大的经济意义。在精馏过程考虑热集成时，为了减小相 邻两个精馏塔塔顶、塔底物料的温度差以实现热集成，这时组分的回收率需要根 据经济效益来权衡考虑。 综上所述，选择合适的操作参数均可取得一定的节能效果，且这些途径在精 馏节能技术中是比较容易实施的。 1 3 2 改变流程的节能技术 精馏过程是能量消耗最大的单元操作。在精馏操作中，塔顶蒸汽的余热以及 系统总的加热生蒸汽冷凝液能级较高。尤其是塔顶蒸汽的冷凝潜热，约占精馏系 统能源的9 5 。这部分潜热可以用来预热物料等，也可以通过多效精馏或热泵 精馏的方法加以利用。 1 3 2 1 热泵精馏 热泵精馏( h e a tp u m p ) 3 0 1 是一种靠消耗外部功将低能级的热源提高到高能 级来使用的装置。基于热泵的原理，对于这种在低温下放热，在高温下吸收能量 的分离装置，如能将冷凝器中的低温热源提高到再沸器可以使用的能级，则可减 少外部加热和冷却的公用工程消耗。热泵精馏就是基于这一原理而产生的节能型 的精馏塔流程。s m i t h & l i n n h o f f 3 1 1 、k i s t 一3 2 】等对热泵精馏的原理、热力学分 析、优化方法和使用规则做了比较详细地总结。 1 3 2 2 热偶精馏 热偶精馏 3 3 - 3 6 1 是一种新的节能精馏，热偶精馏是通过减少了系统内热力学 9 第一章文献综述 不可逆性达到节能目的，因而备受关注。在1 4 节中详细介绍热偶精馏。 1 3 2 3 增设中间换热器 对于在操作条件极端的情况，即塔顶冷凝器的冷却剂和塔釜再沸器的加热剂 均需要价格昂贵的公用冷却剂或加热剂时，整个精馏系统操作费用非常高。如果 在精馏段的适当位置加入中间冷凝器提供部分冷量，在提馏段的适当位置加入中 间再沸器提供部分热量，显然会大大降低系统操作费用。所以采用中间换热的方 案可以降低对能级的要求【2 5 1 。 中间增设换热器的精馏节能的实质在于：通过中间换热器改变精馏操作线， 从而减小并合理布置塔内热量、质量传递的推动力，降低塔内热量，质量传递的 不可逆性，减小损失功，提高过程的热力学效率，达到节能的目的。 1 3 2 4 热集成技术 ， 当分离多组分混合物时，各塔在不同的温度和压力下工作。如果能用一个或 几个塔的冷凝器( 热源塔) 所排除的热量作为热源去加热一个或几个塔的再沸器 ( 热阱塔) ，则可以显著地减小公用工程消耗量，从而达到节能的目的。热集成 就是这样一个通过匹配不同温位的精馏塔而形成的换热网络。热集成是实现精馏 系统能量优化利用的重要手段，其研究领域和范围非常广泛。 关于精馏系统热集成的方法有四种：一是塔顶冷凝器与塔底再沸器之间的热 集成；二是冷凝器、再沸器与系统外的可用热源之间的热集成；三是某一精馏塔 塔顶冷凝器与另一精馏塔中再沸器之间的热集成；四是具有中间再沸器和中间冷 凝器的多组分精馏系统的热集成。 热集成的关键是进行换热的单元之间要达到指定的温差，塔压是影响塔温的 主要因素，通过变动需要热集成的两塔塔压可以达到温差要求。本文在第二章中， 针对三甲苯精密精馏塔系，以塔压作为关键参数来优化热集成。 1 3 2 5 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，但增加设备投资。p h i l l i p 3 7 】和高维平等【3 8 】系统分析 了各种多效精馏的优化方法和使用规则。 1 3 2 6 实现精馏过程与全系统的能量集成 以上所讨论的节能流程均是根据精馏系统自身的特性来考虑。但是分离系统 作为过程系统的一个子系统，必须与整个过程系统的能量利用相协调才能达到最 终意义上的最优。例如一个化工厂可能包括反应过程、分离过程、公用工程和环 i o 第一章文献综述 保工程等几个子系统，如果把各个子过程孤立分解，并单独进行子系统的设计， 就无法达到各子系统之间的能量集成，从而难以实现总体的优化。所以精馏塔与 全系统的能量集成可以看作一个全系统的换热网络的综合问题，需要根据不同的 背景过程能量特性来寻找合理的集成方案。这一问题也是过程系统工程研究的重 要内容【3 9 4 0 。 1 4 热偶精馏 热偶合的精馏塔是一种新的节能精馏，由于其减少了系统内热力学不可逆性 达到节能目的而备受关注。而一般节能改造常局限于单个塔的改造，例如改变操 作回流比、设置中问再沸器、利用热泵等，在实际生产过程中，由于一些实际问 题的限制，使得常规蒸馏塔在整个能量集成中受到限制。近年来，人们对偶合塔 的优化和应用开展了大量研究工作。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，实现主副塔之间的整体匹配和优 化【4 1 1 。 1 4 1 热偶精馏的发展 热偶精馏是六十年代中期由前苏联学者【4 2 】首先提出的，是用由主塔和副塔 组成的复杂塔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， 从而降低能耗，在热力学上是较理想的系统结构。这种新型的节能精馏技术在七 十年代能源危机时，受到西方的广泛关注，进行了许多研究。直至八十年代仍有 不少文献报道研究其设计计算方法。 r e v 和酬3 5 】等比较了几种复杂塔系的能耗情况，证明了进料组成在一个比 较小的相对挥发度的范围内，对于严格的模拟和优化模型，热偶精馏塔是具有优 势的。w a y b 眦和s e a d c r 等【4 3 删对包括热偶精馏过程在内的所有偶联精馏塔系的 模拟进行了评论，提出了适用于难收敛问题的同伦一拓展法，并且以苯一甲苯一 二甲苯混合物的分离为例进行了模拟，提出了简化的优化模型，具有一定的理论 意义。l i i l 和s e a d e r l 4 5 对于内联分离塔系的计算方法进行了研究，阐述了从一个 起点发现非线性方程式所有或者一些解的方法，在所有的计算步骤中，采用j a c o b i 矩阵的结构，该算法能够得到真实的解。 国内对热偶精馏塔的研究报道也非常多。许锡恩等】提出了以改进的 n a p h t a l i s a n d h o l m 法为基础的计算方法，给出了j a c o b i 矩阵及其所含各类子矩阵 的结构和用于计算子矩阵中的所有非零元素的偏导数表达式，并以正丁醇一水一 第一章文献综述 正丙醇三元系为例说明了该方法的正确性。周爱月【4 7 删等采用n e w t o n 同伦延拓 算法求解复杂精馏过程和热偶精馏过程，取得了方便、快速和可靠的效果。 1 4 2 热偶精馏塔的设计 热偶精馏多年来受到广泛的关注和研究。尽管热偶精馏是一种有吸引力的新 型精馏，但是由于控制问题和缺少设计方法，几十年来，并未在工业上获得广泛 的推广使用。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 理想物系的研究很少报道。国内外有人专门针对热偶精馏的不易操作性，进行了 分析研究。 杨友麒即】从操作性角度分析了热偶精馏塔难以推广的原因及工业前景，指 出，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塔有可能 正常操作，其操作特性可以满足工业应用的要求，并为设计找出了操作特性最优 解。 李风华等【5 1 】研究了热偶精馏塔用于非理想体系精馏中节能改造的可行性， 模拟了丁二烯溶剂回收系统在热偶精馏塔中的应用。在减少设备投资的同时，可 以降低能耗3 0 左右。其计算方法是通过分解和断开回路，通过结构参数及操作 参数的优化，找出较优的操作状态。为保证分离要求，副塔没有必要把轻重组分 完全分开，但必须保证塔顶重组分含量和塔底轻组分含量低于某个值，方可达到 规定的分离要求。证明在控制条件比较完善的前提下，利用热偶精馏塔分离非理 想物系是可行的。 曲平等 5 2 】以丁二烯分离装置为对象，对热偶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。结果表明，根据分离要求确定主塔最小馏 出的液量后，热偶精馏的分离能力和节能效果受汽相连接流股流率的影响最大， 其次为汽相连接流股的抽出位置。证明在丁二烯分离装置中应用热偶精馏后可以 在满足分离要求的前提下节能4 0 左右。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气相连接流率变化的灵敏度，得出结论：虽然从节能角 度讲，气相连接流股流率愈小愈好，但从操作的平稳性考虑，气相连接流率宜大 不宜小。 w a yb u m 和s e a d e r l 5 3 】在考验微分同伦拓展( h o m o t o p y c o n t i n u a t i o n ) 、法解算热 偶精馏塔时，发现在总的自由度满足要求前提下，主塔的设计规定数目超过而副 塔的设计规定数目不足时，从三种不同的起始估算值出发，可以得到两个相互独 立的收敛解。杨友麒也考察了这种多解现象，指出，不仅首先应将各个解找出来， 而且要进行各种解的操作特性模拟计算，以便找出操作特性的最佳解作为设计依 第一章文献综述 据，不同的解虽然均可满足设计规定要求，但不论从外形尺寸或操作特性上均不 一样。 何莉等【3 4 】认为传统的热偶精馏模拟计算过程繁复，且基于传统模拟过程的 优化方法也难以得到良好的可行解。利用人工神经网络和遗传算法的特点，提出 将二者结合以改进热偶精馏过程的优化方法，并将该方法应用于丁二烯分离及乙 腈回收流程的研究中，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，表明该方法可以迅速得到优化变量和目标 函数，而且获得全局最优解。 1 5 神经网络 人工神经网络能够逼近任意非线性函数关系，可以实现任何非线性的连续映 照。它是一种大规模、并行、分布式信息处理系统，具有高度的鲁棒性和容错能 力。 对于一般的化工过程，由于系统的复杂性，有时甚至连要建立起能确切反映 系统行为的微分方程组也是困难的，而使用神经网络的方法，可以绕开许多细节 性的问题，直接建立起系统输入与输出的联系，因而越来越受到人们的重视。精 馏过程由于其影响因素多，表现出复杂的非线性，人工神经网络建模有应用优势。 1 5 1b p 神经网络的基本原理 误差后向传播神经网络( b a c kp r o p a g a t i o nn e t w o r k ) ，简称b p 神经网络，是 人工神经网络模型中使用最广泛的一种。最早是由w e r b o s 在1 9 7 4 年提出的， r u m e l h a r t 等人于1 9 8 5 年发展了反向传播算法。近年来，人们将b p 神经网络用 于多种化工建模问题。 b p 神经网络的学习过程是由正向传播和反向传播所组成的。从结构上讲， b p 神经网络是典型的多层网络，分为输入层、隐含层和输出层，层与层之间多 采用全互连方式，同一层单元之间不存在相互连接。多层b p 神经网络的结构如 图1 2 所示。b p 神经网络的基本处理单元为非线性输入一输出关系。 第章文献综述 y 1 y 2 ff y n 12h 输出层 隐含层 输入层 图l - 2 多层b p 神经网络示意图 f i g 1 - 2t h es t r u c t u r eo f m u l t i l a y e r b pn e t w o r k 当给定b p 网络模型的一个输入向量时，该向量由输入单元传入隐含层单元， 经隐含层单元逐层处理后传到输出层单元，由输出层单元处理后产生一个输出向 量。这是一个逐层状态更新的过程，称为前向传播。如果输出向量与期望输出之 间有误差，那么就转入误差后向传播，将误差值逐层沿连接通路传送并修正连接 权值。对于给定的一个训练集，用每一个个体训练网络，重复前向传播和误差后 向传播过程，直到该网络对训练集中的每个输入向量的实际输出值和期望输出值 的误差都小于一个设定值为止。归结起来，b p 神经网络的过程为向量前向传 播”一+ “误差后向传播”_ + “记忆训练_ “学习收敛”。 b p 神经网络学习过程的具体步骤如下； ( 1 ) 初始化。给各连接权 及阀值旧) 赋予( - 1 ，1 ) 之间的随机值。 ( 2 ) 随机选取一样本对x k 和y k 提供给网络。k 指样本数量。 ( 3 ) 计算隐含单元输入 对于隐含单元，各单元输入信息加权求和后得到该层的输入信息： 丝 n e t j = x i ( 1 - 3 ) i = l 其中，w 是第i 输入单元到鳓单元的权重；x i 为输入单元的输入信息；m 为 所有连接到i 单元的输入单元数。 ( 4 ) 计算隐含单元的输出 该n e t 信号经过激活函数的处理得到该单元的输出，激活函数可以是线性函 数、阶跃函数或非线性函数。b p 算法通常采用s i g m o i d 函数： 1 4 第一章文献综述 八工) = 1 ( 1 + e 吖) ，即q = l ( 1 + e 一哟) + e ( 1 - 4 ) 式中，o i 为隐含单元的输出；曰! j 为隐含单元的阀值。 ( 5 ) 计算输出单元的输入 对于输出单元，各单元输入信息加权求和后得到该单元的输入信息： s n e t l = w , k 0 ， ( 1 5 ) 式中：w j k 是靳隐含单元到第k 输出单元的权重；o j 为第j 隐含单元的输出信 息；s 为所有联结n k 单元的隐