（化学工程专业论文）气体分馏装置的工艺操作优化.pdf

中文摘要 本文利用石油化工流程模拟软件p r o i i 对生产流程进行模拟计算，主要 研究了气体分馏装置操作压力、操作温度、回流比、原料组成、产品纯度等参数 对装置操作、能耗、操作费用的影响，提出气分装置操作最佳工艺条件及优化 措施。 气分装置的调优目标是，在保证产品丙烯9 9 6 纯度的条件下，重点控制好 脱乙烷塔的操作，减少丙烯排放量，同时加强丙烯塔的操作优化，降低塔的热负荷 用量。目前的气分装置普遍存在着回流比偏大、操作压力偏高、压力波动大、产 品纯度过高等问题，造成装置能耗居高不下，严重影响装置经济效益的发挥。建 议实际操作应以p r o i i 流程模拟软件计算结果为依据，在满足产品质量要求的前 提下，采取小的回流比和尽可能低的操作温度、操作压力，保持塔压稳定。但对于 脱乙烷塔的操作，适当提高塔压操作是经济合理的。 对于加工掺入饱和l p g 的催化l p g 的气分装置来说，原料组成的变化将导致 装置能耗的大幅度上升。对于南阳石蜡精细化工厂年处理量为3 0 1 0 4 t a 的气体分馏装置，则每年造成经济损失约为2 9 3 7 2 万元，相当于每吨原料 加工费增加9 7 9 1 元。 充分挖掘气体分馏装置的潜力、降低加工成本，对于炼油厂实现精细 化工战略和产品由炼油型向精细化工型转型具有重要的现实意义。本文对 于大型综合性炼化企业以多来源l p g 为原料的气体分馏装置的设计及操作 优化具有重要的指导意义和参考价值。 关键词：气体分馏装置、操作参数、模拟计算、p r o i i 、丙烯、节能、工 艺优化 a b s t r a c t b a s e do nt h es i m a l a t i o nr e s u l t sb yp r o i i ，ap e t r o c h e m i c a lf l o ws i m u l a t i o n s o f t w a r e ，t h eo p e r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha s p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，r e f l u xr a t i o ， c o m p o s i t i o n so ff e e da n dp u r i t yo fp r o d u c t sw h i c hc a ni n f l u e n c ee n e r g y c o n s u m e d a n do p e r a t i o nc o s to ft h eg a sf r a c t i o n a t i o nu n i th a v eb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e di nt h i s t h e s i s t h eo p t i m a lp a r a m e t e r sa n do p t i m i z i n ga p p r o a c ho ft h eg a sf r a c t i o n a t i o nu n i t o p e r a t i o na r eg i v e n t h em a i np u r p o s eo ft h eg a sf r a c t i o n a t i o nt m i to p e r a t i o ni sr e d u c i n gp r o p y l e n e e x h a u s ta n dh e a tc o n s u m p t i o nb yc o n t r o l l i n gd e e t h a n i z a t i o nt o w e ra n dp r o p y l e n e r e c t i f i c a t i o nt o w e r p r e s e n t l y , m a n yp r o b l e m se x i s ti ng a sf r a c t i o n a t i o n ，s u c ha sh i g h r e f l u xr a t i o ，h j g ho p e r a t i n gp r e s s u r e ，w i d er a n g eo fp r e s s u r ev a r i e t ya n de x c e s s i v e p u r i t yo fp r o d u c t ，w h i c hc a u s eh i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e d u c i n gt h eb e n e f i to f t h eu n i t t h e r e f o r e ，t h et o w e rp r e s s u r es h o u l db ek e p ts t a b l y f o rt h er e q u i r e m e n to f p r o d u c tq u a l i t y , t h er e f l u xr a t i o ，t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es h o u l db e a sl o w e ra s p o s s i b l ea c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sb yp r o i i a st ot h eo p e r a t i o no f d e e t h a n i z a t i o nt o w e r , i ti sr e a s o n a b l ea n db e n e f i c i a it o i m p r o v et o w e rp r e s s u r e p r o p e r l y t h ec h a n g eo fc o n s t i t u e n t so ff e e d s t o c kw i l l r e s u l t i nt h ei n c r e a s eo fe n e r g y c o n s u m p t i o nf o rt h eg a sf r a c t i o n a t i o nu n i t sw h i c hs a t u r a t e dl p ga n df c c l p ga r e f e d n a n y a n gw a xf i n ec h e m i c a lp l a n th a sap r o c e s sc a p a c i t yo f 3 0 1 0 4 t a b u ti t h a st h el o s so f2 9 4m i l l i o nr m ba n n u a l ，w h i c he q u a lt oa d d9 7 9 1r m b p e r t o ni n p r o c e s sc o s t i th a sar e m a r k a b l em e a n i n gf o rr e a c h i n gt h eg o a lo fr e a l i z a t i o no ft h ef i n e c h e m i c a ls t r a t a g e ma n dt r a n s f o r m a t i o no ft h ep r o d u c tf r o me x e r t i n gt h ep o t e n t i a lo f t h eg a sf r a c t i o n a t i o nu n i ta n dr e d u c i n gt h ep r o c e s sc o s to fr e f i n e r y 1 1 1 er e s u l t so ft h i s t h e s i ss h o u l dh a v eag u i d e dv a l u eo nd e s i g n i n ga n do p e r a t i n gt h eg a sf r a c t i o n a t i o n u n i tw i t hd i f f e r e n tf e e ds o u r c e s k e y w o r d s ：g a sf r a c t i o n a t i o nu n i t o p e r a t e dp a r a m e t e r s s i m u l a t i o nc a l c u l a t e d p r o i i p r o p y l e n ee n e r g yc o n s u m p t i o nt e c h n o l o g i c a l o p t i m i z a t i o n 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，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书丽使用过的材料。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。 学位敝作者躲缸，矽缔签字魄矿厂年纱月，z ，日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盎盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎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) 剃姗虢影+ 影绎铷魏彳虬 签字日期：妒厂年g 月v 日 签字日期：山口| ，年驴月，胡 天津大学工程硕士学位论文第一章前言 1 1 开题背景 第一章前言 随着石油化学工业的发展，炼油厂不断向化工方向延伸，炼厂气的综合 利用也越来越受到人们的重视，其中精丙烯、丙烷馏分、异丁烯馏分、反、顺丁 烯、正丁烷馏分、戊烷馏分都是生产高附加值化工产品重要的原料。尤其是近 几年来，随着世界经济的快速增长，极大地促进了聚丙烯树脂工业的发展，对 聚合级丙烯( 纯度 9 9 6 ) 的需求量突飞猛涨、供不应求。在炼厂中，聚合级丙 烯主要来源于气体分馏装置对催化裂化液化气的分离，而世界上约三分之二的 丙烯资源来源于催化裂化装置，三分之一来源于乙烯装置。可见，丙烯资源量 是有一定限度的，而随着经济的快速增长，世界聚丙烯树脂的消费也以1 0 的 速度增长。随着世界经济一体化进程的加快，石化产品的市场竞争也日趋激烈， 迫使石化企业不断降低成本。因此，对炼化企业的成本压力越来越大，要求炼 化企业进一步优化操作、节能降耗，达到降本增效的目的【1 】。 南阳石蜡精细化工厂气体分馏装置，原设计处理能力为8 o 1 0 4 t a ，采用三 塔流程，承担着为1 5 1 0 4 t a 聚丙烯装置提供聚合级丙烯原料的任务。由于气 体分馏装置原料严重不足，因此只好对装置采取塔盘堵孔措施将处理能 力改造为3 2 1 0 4 t a 。2 0 0 2 年度加工量为2 8 8 万吨，装置负荷率为9 0 。 2 0 0 3 年国家推行新汽油标准后，新建的汽油改质装置副产的饱和l p g 直接 掺入催化l p g 中出f c c 装置去气体分馏装置；为了利用装置过剩的处理能 力，实现“安全、平稳、长周期、满负荷、优质”运行，发挥装置配套优势， 挖掘装置潜力，探索了从外厂购买催化l p g 作为补充原料的揞旎，收到了一 定效果。2 0 0 3 年实际加工l p g 3 5 8 4 5 t ，其中，含汽油改质装置饱和l p g 8 1 7 1 t 。 由于外购原料碳二含量较高，加之掺入约2 3 的饱和组分，使气分装置的 原料组成性质与原设计条件变化较大，从而使系统各精馏塔的操作参数发 生较大变化。同时，这部分不含丙烯的l p g 进入气分装置对装置来说是无 效工作，且使装置的能耗大大增加。2 0 0 2 年气分装置的综合能耗为8 8 k g b o t ， 高于石化行业平均值5 9 8 4 k g b o t 。 为了优化操作，达到提高丙烯收率充分利用资源，降低能源消耗从而 降低丙烯成本，达到实现气分装置经济效益最大化、提高企业竞争力的目 地，有必要在现有操作条件下利用石油化工流程模拟软件p r o i i 对生产流 程进行模拟，试图发现现行生产操作中存在的问题，并找到最理想的操作条 件从而指导优化工艺操作；评价饱和l p g 掺入催化l p g 中进气体分馏装置加 天津大学工程顽士学位论文 第一章前言 工列气分装置综合能耗的影响，试图提出南阳石蜡精细化工厂汽油改质装 置饱和l p g 的最优化加工工艺路线。充分发挥气分装置的潜力，对于该厂 实珊精细化工战略和产品由炼油型向精细化工型转型具有重要的现实意 义。对于大型综合性炼化企业以多来源的l p g 为原料的气体分馏装置的设 计及操作具有重要的指导和参考意义。 1 2 本文选题思路及研究内容 p r o i i 流程模拟软件是美国模拟科学公司1 9 9 0 年开发的石油化工通 用流程模拟软件，它是以p r o c e s s 软件为基础而进行了全面更新的新产 品。经在国内扬子石化、齐鲁石化、乌鲁木齐石化等多家炼厂实地模拟， 其结果与装置的实际生产标定数据基本一致，可以用来进行气体分馏装置 各1 况的计算和操作分析。因此，以p r o i i 流程模拟软件为工作平台， 对气分装置的流程模拟计算，不但可大大简化计算步骤，提高工作效率， 计算结果的准确性也有很大提高。而且，在计算中，通过进行大量的方案 比较，可从中选出最优的结果。可见，利用p r o i i 或a s p e n p l u s 流程模拟 软件对气分装置的流程在现有操作条件下进行模拟并确定优化方案是可行的 2 ，3 ，4 】。 从南阳石蜡精细化工厂气体分馏装置历年的操作条件及历次标定的数据 来看，装置的综合能耗均在8 80 k g b o i 以上，高于中国石化集团公司行业平均水 平2 8 1 6 个单位。主要表现为各塔的操作压力普遍高于行业平均水平；丙烯塔的 回流比偏大。因此对该装置进行优化是必要的也是可行的。 从南阳石蜡精细化工厂目前的生产情况看，由于汽油产品质量升级的 压力越来越大，汽油改质装置的生产要求将越来越高，该装置的饱和l p g 的出路问题一一度成为该厂的技术难题。该部分组分是采取单独回收方案， 还是与f c c 装置l p g 一起进气分装置加工的方案更经济，这要取决于单 位加工费用和丙烯的回收率的高低。两项指标可以通过流程模拟软件的计 算对比来进行优化和比选。 应用成熟、先进的流程p r o i i 模拟软件优化出气分装置的最佳操作条件 5 j ， 如操作压力、揲作温度、壤佳回流比，将气分装置的综合能耗由现在的8 8 0 k g b o t 降至石化集团平均5 9 8 4 k g b o t 平均水平，从而使装置单位加工费由5 4 4 元吨降 至3 7 元吨左右。 应用流程模拟软件研究评价饱和l p g 掺入催化l p g 中进气体分馏装置 加工耐气分装置综合能耗、产品分布的影响，试图提出南阳石蜡精细化工 加工对气分装置综合能耗、产品分布的影响，试图提出南阳石蜡精细化工 天津大学工程硕士学位论文 第一章前言 厂汽油改质装置饱和l p g 的最优化加工工艺路线，最大限度地降低能耗， 提高丙烯产率。 天津大学工程硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 炼油厂气体分馏的原理 2 1 1 精馏基本原理 蒸馏是分离液体混合物的一种单元操作，分离的基本依据是各组分挥发性的 差异工业上实施蒸馏操作的方法有多种，包括平衡蒸馏( 闪蒸) 、简单蒸馏、分子 蒸馏和精馏等。精馏是应用最广的蒸馏操作，借助回流的工程手段，可以得到高 纯度的产品。 精馏在由精馏塔、冷凝器和再费沸器等构成的精馏装置中进行。由于再沸器 供热，塔低存液部分汽化，蒸汽沿塔逐板上升，使塔处于沸腾状态。蒸汽在塔顶 冷凝器中冷凝得到溜出液，部分作为回流液回入塔中，逐板下流，使塔中各板上 保持一定液层。假设料液中仅含二个组分，在塔中部适当位置处加入精馏塔，其 液相部分也逐板下流进入再沸器，汽相部分上升流经各板至塔顶冷凝器。精馏塔 中料液加入板称为加料板，加料板以上部分称为精馏段，加料板以下部分称为提 馏段。 在精馏段，料液中的蒸汽和提馏段上升的气相一起与塔顶回流液造成的液相 发生逆流接触和传质，液相中的易挥发组分向气相传递，而汽相中的难挥发组分 则向液相传递。总的结果是，随着汽相的上升，其中，易挥发组分的含量越来越 高，只要两相在塔中能得到充分的接触和传质，塔顶所得的汽相可以是相当纯净 的易挥发物；而液相在其下降的过程中难挥发组分的含量越来越高。的易挥发物； 而液相在其下降的过程中难挥发组分的含量越来越高。精馏段流下来的液体与料 液中的液体合并一起流入塔的提馏段，在其中与来源于再沸器的蒸汽产生逆流接 触和传质。只要其中汽液两相的接触传质充分，流入塔底的液相可以是相当纯净 的难挥发物。由于塔底部几乎是高沸点组分，其温度最高；顶部回流几乎是纯低 沸点液体，塔顶温度最低。整个塔温由下向上逐步降低，低沸点组分的浓度则逐 步升高。 根据相平衡原理，塔顶要得到易挥发组分纯度很高的产品，必需有易挥发组 分纯度很高的液体引入顶部塔板使之与汽相接触。此液体最方便的来源是将塔顶 馏出液的一部分引回塔顶，成为回流。回流液不仅提供了塔中各板必需的液流， 而且是建立各板正常的浓度分布和维持全塔正常操作所必须的。看起来是失掉了 一些产品，但正由于此才能源源不断地生产出高纯度的产品。 同样，塔底要得到较纯的难挥发组分产品，就应该有难挥发组分纯度很高的 4 天津大学工程硕士学位论文 第二章文献综述 蒸汽进入最低块塔板使之与液相接触。显然，此蒸汽最方便的来源是将最低一 块板下降的液体部分汽化得到。此蒸汽所需的热量由再沸器供给，汽化的蒸汽为 保证全塔各板的沸点状态，并提供必须的汽流创造了条件。 塔顶是纯度很高的易挥发组分产品，塔底是较纯的难挥发组分，塔中各板易 挥发组分的浓度由上至下逐渐降低。当某块板上物流的浓度与料液的浓度相等或 接近时，料液就从该板引入。料液中的蒸汽与提馏段上升的蒸汽汇合，起经精 馏段各板的增浓，最后于塔顶得到很纯的易挥发产品；料液中的液体与精馏段降 下来的液流汇合，经提各板对其中所含易挥发组分进行提馏作用，最后在塔底得 到很纯的难挥发产品。 综上所述，精馏是采用回流的手段，使由挥发度不同的组分组成的混合液反 复地进行部分汽化和部分冷凝，实现多次的易挥发组分和难挥发组分等摩尔反向 扩散传质过程，从而使液料分离为高纯度产品。精馏塔是提供汽液两相接触传质 的场合，是精馏装置的核心，塔低再沸器为提供塔底回流蒸汽所必须，而塔顶冷 凝器则为提供提供回流液和得到液体产品而设置。 2 1 2 精馏的工业应用 蒸馏是有着悠久历史的单元操作。早在公元初，人们已应用蒸馏来提纯酒精 饮料。1 9 世纪初，随着工业生产发展的需要，相继出现了泡罩塔、填料塔和筛 板塔。上世纪初，蒸馏( 主要是精馏) 已从酒精的提浓扩展成为化学工业中的主 要分离方法，广泛应用于原油分离制取各种油品。随着石油化工的发展，无论在 精馏装置的规模上，还是在分离的难度上，都提出了更高的要求。分离效率高、 处理能力大、阻力小的新型分离设备不断涌现，各种节能的、特殊精馏的分离流 程得到迅速发展，精馏的设计方法逐步实现了规范化，先进、优化的控制方案不 断开发并获得成功应用，精馏技术的发展已达到了相当成熟的程度。 精馏是石油化工工业上应用最广的传质分离操作，主要是因其通常只需提供 能量和冷却剂，即能得到高纯度产品，操作简单，一般比较经济。它适用于各种 浓度混合液的分离( 而吸收、吸附和萃取的操作于低浓度物料分离时才比较经 济) ，只需改变操作压力，可将气体混合物或固体物料液化后分离提纯，可将热 敏物料在低温下操作而避免变质，需要增加设备投资和能量消耗。正因为精馏具 有这些特性，才是其获得广泛应用，并因此得到不断研究和发展，技术日趋成熟。 2 1 3 精馏技术进展 精馏是石油化工领域应用最广的传质分离操作，其广泛应用促使技术已相当 天津大学工程硕士学位论文第二章文献综述 成熟。但由于其应用广泛，每进一步，哪怕是微小的，也会带来巨大的经济效益。 因此，蒸馏技术的研究仍受到广泛的重视，不断取得进展。 2 1 3 1 填料塔取代板式塔 近年来最热门的研究课题可算是填料塔，新型高效填料层出不穷。规整填料 和第三代新型高效填料在六十年代相继开发成功，随后在工业上的得到成功应 用，且应用范围逐步扩大。填料塔只能用于小塔的概念已经打破，而且在减压和 常压精馏场合中呈现出取代板式塔的趋势。塔中汽液相分布的研究成果和高性能 液体分布器的成功开发，保证了大型填料塔的优良性能，从而极大地促进了填料 塔的大型化。建立填料塔中汽液相分布及其对传质效率影响的预测模型，已经取 得较大进展，这对于大直径填料塔成功地工业应用，对于分布器的设计、制作和 安装均有指导意义。例如3 o m p a 的脱甲烷塔，用麦勒派克规整填料取代原浮阀 塔板后，处理量提高了1 5 6 。 2 1 3 2 精馏过程的计算机模拟计算研究取得了巨大进展。 精馏过程的稳态模拟计算研究取得巨大进展，基于理论板( 或包括板效率的 实际板) 的物料衡算、热量衡算和相平衡模型的模拟算法可以说相当完善，对绝 大部分复杂的精馏过程均能完成严格的模拟计算，这些计算程序已成为工程 师进行设计的不可缺少的常用工具【7 】。为开发更可靠的效率和压降等的模型， 应积累可靠的工业模型的测试数据，这是建立和验证模型的基础。六七十年代起， 美国精馏研究公司等进行了一系列工业模型试验，取得了十分有价值的实测数 据，为模型的建立和现象认识的深化奠定了重要基础。 2 1 3 3 提高精馏过程的热力学效率、节省能耗越来越受到人们的重视。 分离序列的合成，应用热集成概念和夹点分析方法开发节能的分离流程和优 化换热网络，在具体分离过程中合理地应用热泵、多效精馏、中间再沸嚣和中间 冷凝器等实现节能，一直得到广泛重视。 2 。1 。3 4 特殊精馏得到应用。 对于普通精馏难以( 或不能) 分离的物料，开发萃取精馏和恒沸精馏的分离 工艺，将精馏与反应结合起来开发反应精馏过程也得到重视和研究，这对于拓宽 精馏的应用范围，提高经济效益有重大意义。随着精细化工的发展，间歇精馏应 用更加广泛，其研究也得到应有的重视。开发各种新的操作模式，对于节省能耗 和缩短操作时间有明显的效果。计算塔中持液量的间歇精馏模拟计算研究有一定 进展，对于设计和指导操作有较大意义。 2 1 3 5 分离方法的组合工艺取得进展。 在当今各种分离方法的竞争中，一方面要通过工业实践和研究进一步完善精 馏技术，提高其竞争力；另一方面必须了解其它分离技术。这样不仅在分离方法 6 天津大学工程硕士学位论文第二章文献综述 选择时有充分把握，同时还能将精馏与其它分离方法( 如吸附、膜分离) 有机结 合起来，开发出新的分离流程。精馏与其它分离方法的有机结合是今后值得重视 的发展方向，且已进行了一些有意义的探索，例如将精馏与膜技术结合，用来分 离酒精水溶液，制取高纯度酒精：从空气中分离氮和氩。将精馏与吸附结合，同 时在一个塔中进行的连续精馏吸附试验，证明是一个有意义的尝试 8 】。 2 1 3 6 精馏的过程控制和操作优化水平大幅度提高。 精馏装置过程的控制与其它工业过程控制一样，自上世纪5 0 年代计算机开 始应用于过程工业的控制以来，经历了以下几个重要阶段： 7 0 年代以前，主要是常规仪表和计算机直接数字控制( d d c ) ，控制算法以 各种p i d 、串级、比值、分程和前馈控制等为主。 7 0 年代至8 0 年代，大型生产装置则采用集散型控制系统( d c s ) 。在硬件上 将控制回路分散化，数据显示、监督等功能则集中化，硬件可靠性大大提高，效 果良好，但在控制算法上无显著改进。 8 0 年代以后，开始出现在d c s 的基础上实现优化操作和高级过程控制。在 硬件上采用上位计算机和下位d c s 相结合。在控制算法上，将控制理论研究的 新成果，如多变量解耦控制、多变量约束控制、各种预测控制、推断控制和估计、 人工神经元网络( a n n ) 控制和估计，以及各神基于模型的控制等，应用于工 业生产过程现场取得成功。装置级优化也开始实现，例如乙烯分离装置的优化、 炼厂气分离装置的优化等，从而使计算机控制上一个新台阶，取得明显的经济效 益。国外，特别是美国，开始出现如s e t p o i n t 、d m c 、s p e e d u p 、s i m e o n 等专 门从事控制和优化的软件公司，并大量推向市场，在几百家大型石化、炼油、化 工等工厂应用获得成功，取得巨额利润，目前仍在竞争发展之中。它将有可能改 变当前精馏过程控制的实质，即用受约束的多变量控制与优化取代当前的单变量 孤立的设计原则与思想方法，将使精馏过程控制出现新的面貌【9 】。 另外，基于模型的推断估计和非模型的人工神经元网络在线估计等软测量 技术，将在精馏过程产品的估计上大量采用，并可实现产品成分的闭环控制，从 而代替价格昂贵的在线色谱分析仪，达到成本低、维修方便和信息及时的目的， 并可提高产品的质量、减少能耗、增加收率，具有显著的经济效益。 2 1 4 精馏技术在炼厂气体分馏装置中的应用 炼油厂气体分馏装置的任务是根据精馏原理，以催化裂化装置产的经脱硫化 氢、脱硫醇、脱水后的液态烃为原料，经脱丙烷塔、脱乙烷塔、和丙烯精馏塔分 离成不同的馏分。丙烯精馏塔塔顶分离出来的纯度钧6 o 以上的聚合级精丙烯， 是主要产品。丙烯精馏塔塔底的高纯度丙烷作为溶剂出厂或掺入混合碳四作为民 天津大学工程硕士学位论文 第二章文献综述 用燃料出厂。如图2 1 所示。 丙烯精馏塔属于精密精馏的分离过程，其特点之一是能量消耗大，因此对精 馏塔进行优化控制，已引起国内外的极大重视。一般来说，提高气体分馏装置的 经济效益主要是通过两条途径，即提高主要产品的回收率和降低能耗。 2 2 精馏设计优化和节能 2 2 1 关键组分回收率优化 当精馏塔的塔顶或塔底产物作为产品进入市场或作为废弃物排放时，产物的 成分由用户要求、产品标准或环保规定而确定。当塔的两端产物均为最终产品时， 一般不存在优化问题。仅当产品有不同的纯度等级而相应有不同的价格时，才有 选定最佳产品规格的问题。不少场合精馏塔的产物中仅有一个是最终产品或废弃 物，也有两个产物均是中间产品的情况，这时就有个关键组分回收率的优化问题。 关键组分回收率的优化是一个产物总价值和总费用( 投资费和操作费之和) 间进行权衡的问题，总价值和总费用间差值最大处对应的回收率即为最佳回收 率。在初步设计阶段，对于目的产品组分的回收率常取9 9 ，但实际上最佳回 收率应随产品的价格、设备和水、电、汽等公用工程、原料组成和相对挥发度等 多种因素而变，需经优化计算决定。 在精馏的设计优化中，常采用由下式定义的分离因子s ： s = ( x l k ，) ( h k ) d ( x h k ，) ( 1 k ) b( 2 - 1 ) 天津大学工程硕士学位论文 第二章文献综述 对于精馏操作，制定s 相当于规定了一个分离程度的变量，结合一定的d f 或x b i k 就完全规定了塔的分离程度 1 0 。 2 2 2 最适宜回流比 回流比是一个十分重要的参数，它直接关系到设备的投资和操作费用，因此 需通过经济核算选择一个适宜值。随着回流比的增大，再沸器和冷凝器的热负荷 按比例增大，从而加热剂和冷却剂的耗量也按比例增加。由于此两项是塔的操作 费的主要组成部分，所有，操作费也随之增加，而达到规定分离要求所需的塔板 数将减少。研究结果表明，在最小回流比r 。附近，r 的增大使板数显著减少， 塔的设备费明显降低；但在较高r 值时，r 的进一步增加板数减少很少，而逐 步趣近于最小理论板数。而塔中汽相流率仍按比例增大，塔径继续增大，造成塔 设备费又趋上升，再沸器和冷凝器的设备费则持续增大，回流罐和回流泵等附属 设备费也随之增加。因此，总的设备费先随r 的增大而减小，随后又趋增大。 有人在6 0 年代对7 0 座分离烃类混合物的常压年n ；o h 压塔作了调查，除了两座r m 小于0 2 的塔外，实际回流比与最小回流比的比值均在1 1 1 2 4 。 r 瓜m 将随能源费的上升而减小，随设备材料费的增大而增大。对于普通碳 钢设备，因7 0 年代能源费的上升，r r m 有减小的趋势，大多文献中建议此比 值在1 1 1 2 之间。 值得注意，在选定r r m 比值时，要考虑到平衡数据和效率的正确性，如果 这些数据正确性差，上述比值需取大些。另外，如果原料组成易变动和分离程度 很高时，此比值易取大些。 2 2 3 操作压力的确定 操作压力对以下四方面都有影响： 2 2 3 。1 塔顶蒸汽冷凝温度和塔釜加热温度 塔顶蒸汽冷凝温度即为塔顶液相产品的泡点温度或汽相产品的露点温度。 塔釜中釜液沸腾温度则为塔底产物的泡点温度。此两温度均随压力的增加而上 升，随压力的降低而降低。 从经济和方便考虑，塔顶冷凝器一般用冷却水或空气作为冷却介质，因此 相应的蒸汽冷凝温度需高于4 0 。c ，否则需用冷却剂作冷却介质但很不经济。根据 4 0 。c 算出的塔顶泡点压力或露点压力，是塔的最低操作压力，低于此值塔顶就不 能用水或空气冷凝。计算的压力小于或等于大气压，塔可以常压操作；如果小于 1 7 m p a 1 1 1 ，塔采用加压操作；如果大于1 7 m p a ，需考虑采用制冷剂，此时应 天津大学工程硕士学位论文第二章文献综述 通过经济核算决定，是采用制冷剂较低压力，还是水或空气冷凝而用较高压力； 是采用低温的制冷剂和较低压力，还是较高温位的制冷剂和较高压力。 2 2 3 2 对组分间相对挥发度的影响 随着压力的升高，相对挥发度将减少。虽然此影响很弱，故在同一塔中，除 了塔顶、塔底压降比起塔压相当大的高真空精馏塔外，可以忽略塔压降对相对挥 发度的影响，但当压力变化较大时，相对挥发度的变化对分离有相当影响。 2 2 3 3 塔的造价和操作费 汽体的密度与压力成正比，对于一定质量流率( 一定产量) 的汽体，压力高 则体积流量可以减少，从而塔径可以减少。对于压力在o 3 1 , 0 m p a 范围内的塔， 其本身的投资随压力的升高略有下降；但是，当压力超过o 7 m p a 后，塔壁厚度将增 加，结果引起设备投资的增大。压力升高引起相对挥发度的下降，达规定分离要 求所需的板数将增加，也将增加投资；更重要的是，相对挥发度的下降将是最小 回流比增加，从而增加了能量和冷却剂消耗，如果应用价贵的高温加热剂，操作 费的增加更加显著：再沸器、冷凝器和泵等的投资也要增加。 2 2 3 4 对传质分离效率的影响 对于板式塔，压力对常压塔和加压塔的板效率影响较小，但对减压精馏， 由于要求每块板的压降较小，一般出口堰高取的较低，很可能使扳效率下降。对 于高真空精馏，就需选择林德筛板塔一类压降低、效率高的塔板。对于填料塔， 减压精馏时因汽相密度小造成塔径增大，液体的喷淋密度较小，填料的润湿困难， 往往传质效率变差；加压精馏时，塔的喷淋密度较高，却发现传质效率交差。 2 2 4 最佳进料热状态 加料热状态的不同，造成塔中精馏段和提馏段的汽液相流率的变动，从而影 响最小回流比、达到规定分离要求所需的塔板数以及再沸器和冷凝器的热负荷。 从塔的总能耗角度考虑，需加到塔中的热量应全部从塔釜加入；从塔中取走的热 量应全部从塔顶冷凝器取出，此时总的能量消耗晟少 1 2 1 。因为加到塔釜中的热 量产生的蒸汽和塔顶取走热量形成的凝液在全塔中均能发挥作用。但从有效能利 用的角度考虑，即考虑到不同温位热能价值的不同，还应综合考虑加料板的温度 影响。 显然地，对加料进行预热必然减少塔釜所需的加热量，但塔顶冷凝器的热负 荷并不减少。相反，因最小回流比的增大而引起回流比增大，热负荷变得更大。 但是，加料浓度的不同，即d f 的不同，原料预热的影响也不同。通过计算发现： 当d f f 较大时，增加原料的q 值，塔釜中的加热量增加的幅度，比冷凝器的热负 荷下降的幅度要大。这种不同的影响对精馏塔经济性的影响随塔的温度而变：对 1 0 天津大学工程硕士学位论文第二章文献综述 于塔顶和塔釜温度均高于室温的高温精馏，塔釜常用水蒸气加热，塔顶用水和空 气冷却，加热费用一般高的多：对于塔釜和温度均低于大气温度的低温精馏，塔 釜可用于o 。c 左右的丙烯一类介质加热以回收冷量，塔顶则需用价格昂贵的多低 温制冷剂冷凝。综上所述可得到以下结论： 、高温精馏时，当d f 较大又有适于加热料液的低温热源时，应尽量采用 较低的q 值，即以汽相或汽液混合物进料为宜；当d f 值较小时，应尽量采用较 高的q 值，即以液相进料为宜，因为省去料液预热后，塔釜加热量增加甚少。 、低温精馏时，无论d f 为何值，均应采取较高的q 值，即以液体进料为 宜，因为此时塔顶冷凝器热负荷越小越经济。 、除以上两个极端情况外，对于中等温度范围的精馏过程，即塔釜温度高 于大气温度而塔顶温度低于大气温度的精馏，加热剂价格和冷却剂价格有较大变 动，以及有废热可以利用的场合，还应根据具体情况进行全面的经济评价，才能 最后确定最佳的迸料状态。 2 3 精馏过程节能 2 3 1 精馏塔节能 对精馏过程进行有效能分析得知，减少冷凝器和再沸器中传热过程的温差， 减少精馏塔中传热和传质过程的推动力及流动压差，可提高有效能的利用率，为节 省能耗指出了方向。因此，应用高效传热设备以及高效率、低压降的新型塔板或 填料，均是实现节能的重要途径。从操作的角度讲，选择最适宜的回流比和进料 热状态也是有效的节能途径。此外，还开发了多种有明显效果的节能方法，有良 好的应用前景。 2 3 1 1 中间冷凝器和中阃再沸器 简单精馏塔只在塔顶和塔底对塔内物料进行冷凝和蒸发，在一座精馏塔内温 度自塔顶到塔底逐渐升高，如能在塔中部设置中间冷凝器，即可采用温度较高的 冷却剂。在裂解气深冷分离塔中，意味着可以采用较廉价的冷源，节省有效能； 如果在塔的中间设置中间再沸器，对于高温塔，则可以应用温位较低的加热剂， 在深冷分离塔中，则可以回收温位较低的冷量。对于二元蒸馏，中间冷凝器和中 间再沸器的使用，使操作线向平衡线靠拢，提高了塔内分离分离过程的可逆性。 一般中间冷凝器和中间再沸器的热负荷需适当选择，保持塔中的最小比时的恒浓 区仍在进料板处，以使全塔的可逆性提高。故进料板处级间汽液两相流量仍同无 中间冷凝器和中间再沸器时一样。所以，简单蒸馏塔的塔顶冷凝器热负荷近乎等 天津大学工程硕士学位论文 第二章文献综述 于有中间冷凝器时两个冷凝器的热负荷之和；同样，简单蒸馏塔的塔底再沸器热 负荷几乎等于有中间再沸器时两个再沸器的热负荷之和。因此，在生产过程中， 必须要有适当温位的加热剂和冷却剂与其相配，并需有足够大的热负荷值得利用 才有效益。 2 3 1 2 多效精馏 在精馏操作中，分离消耗的能量是热能。在简单精馏塔中，温度为t h 的加 热剂向塔釜加入热量q b ，同时在冷凝器中由温度t c 的冷却剂取走热量q d ( 见图 2 2 所示1 。两热量的有效能之差为分离过程的净功耗w 。： t h _ t 0t c t o w 。= q b 一 ( 2 2 ) t ht c 由上式可见，为了节省能耗，最好加热剂温度略高于塔底温度，冷却剂温度 略低于塔底温度。但实际上最方便价廉的冷却剂是水和空气，最常用的加热剂是 水蒸汽，很难符合上述要求，为此，精馏塔无形地多耗不少有效能。解决此问题 的办法之一是采用多效精馏，只要精馏塔的塔底和塔顶温度之差比实际采用的加 热剂和冷却剂的温差小得多塔顶，就可考虑采用多效精馏。 t o ( 熟阱) t n ( 热源) 图2 - 2精馏过程示意图 双效精馏有三种工艺流程见图2 - 3 所示。 1 2 天津大学工程硕士学位论文第二章文献综述 图2 3 双效精馏塔 三者的共同点是，高压塔的冷凝器与低压塔的再沸器耦合成一个换热器，利 用高压蒸汽去加热蒸发低压塔底的物料。但三种流程中的加料和出产品的方式不 同，流程a 中向两塔分别加料，并各自独立出产品，除上述的热耦合外，两塔 作用各与单塔相同，此时单位加热量几乎可以比单塔多处理一倍原料量，高压塔 底温度与低压塔顶温度之差也几乎是单塔温差的一倍。 流程b 中全部原料加入高压塔，在该塔中分离得到纯度较高的塔底产品， 塔顶仅得到易挥发物部分浓缩的产物，再引入低压塔作进一步分离为两股较纯的 产品。显然，此流程中的高压塔底和塔顶的温差可以减小，造成整个流程的总温 差降低但单位加热量处理的料液量将小于单塔时的一倍。流程c 中全部原料 仍仅加入高压塔，但物料仅在该塔中实现部分分离，塔顶和塔底的产物均分别引 入低压塔中进一步分离得纯产品。如此流程安排使高压塔中温差可进一步减小， 造成整个流程的总温差进一步降低。同时，单位加热量处理的料液量也进一步减 少。 多效精馏可节省能耗，但需增加设备投资，经济上是否可行需通过经济核算 决定。由于两塔间的热耦合，所以要求更高级的控制系统。 2 3 1 3 热泵精馏 将塔顶温度较低的蒸汽进行压缩升温，再作为塔底再沸器的热源，这称为热 泵精馏。图4 9 所示为三种熟泵精馏流程，流程a g 用了另外的工作流体进行操作， 所选工作流体在压缩特性和汽化潜热( 大则用量小) 等方面具有优良的特性，但必 须采用两台换热器，为确保一定传热推动力，要求压缩升温较高。流程b 对塔顶 天津大学工程硕士学位论文第二章文献综述 蒸汽直接进行压缩，升温后直接作为塔釜加热剂。流程c 将塔釜液节流闪蒸后怍 为塔顶冷却介质，自己受热进一步汽化，再经压缩增压后回入塔底。当塔顶蒸汽 或釜液具有较好压缩特性和较大汽化热时，流程b 或c 将更具有吸引力。考虑到冷 凝器和再沸器热负荷的平衡以及方便控制，在流程中往往设有附加冷却器或加热 器。 热泵精馏是靠消耗一定量机械能达到低温热能再利用的，因此消耗单位机械 能回收的热能是一项重要的经济指标。显然，对于原料中各组分沸点接近的精馏 塔应用热泵精馏的效果会更好。由于热泵精馏需要增设压缩机，又要消耗机械能 ( 往往用电能) ，所以推广应用受到限制。 文献中提出的节能办法还有一些，必要时请参阅有关文献 1 3 1 。 2 3 2 精馏序列合成 化工生产中待分离的混合物大多是多组分的，为使各组分分离成高纯度产 物，一般需要c 。1 个塔( c 为组分数) ，组成精馏序列。单塔的优化是实现精馏序列 优化的基础，而精馏序列的优化经济效益更为显著，为此受到了广泛重视和研究。 精馏序列的优化属流程合成问题。反应路径和反应器网络的合成、分离序列 的合成和换热网络的合成是全流程合成中的重要组成部分，后两个问题的研究十 分广泛，并已在工程设计中得到应用。 2 3 2 1 基本概念 所谓精馏序列的合成，研究的是将一股流率、组成、温度和压力给定的多组 分混合物分离，得到规定产品的优化精馏序列的合成问题，所谓优化是指耗费的 总费用最小。为简化问题的讨论，假定所用的塔都是“简单一清晰切割”精馏塔， 即该塔仅有一股进料，在轻重关键组分间实现了清晰切割，使塔顶产物中只含有 轻非关键组分和轻关键组分，塔底产物中只含有重非关键组分和重关键组分，进 料中不含中间组分。换句话说，进料中的任一组分只进入一个产品中。工程上实 现轻重关键组分间高分离程度的简单塔与此简单一清晰切割塔相当。 分离c 组分混合物的c 1 座塔可以组成的精馏序列数s f 为： 【z ( c - 1 ) 】2 s f 一 ( 2 3 ) c ! ( c 一1 ) ! 例如，由组分a b c d 组成的四组分混合物分离所需的三座塔可以组成图2 1 0 所示的五种分离序列。 天津大学工程硕士学位论文 第二章文献综述 ：壤蕊燧 t + 、d f 。o ，1 )( 2 ) i | 懈 1 杈： 上图是分离序列常用的一种表示方法，口中代表物流所含的组分，组分间的 横线“一”代表此料液在塔中于此进行切割，两箭头尾端交点代表一座精馏塔， 该塔产物组成在箭头的箭端中 示明，精馏序列中各塔连接次序，在此得到了清 晰的表明。 进一步分析上面示例的精馏序列可见，被处理的原料或切割所得的两股产 物，各不相同的独立精馏塔数( 常称为子问题数) 共有1 0 座，即：四组分精馏塔 严一i 傺c 三组分塔l ，i 珏； a l b 一? l ， 瑚一i 骷， c 。划。分离序列中组成不同的独立物流股数也为1 0 ，它们为 幡1 、h “融瞄u i 【，j 其精馏塔数s c 和独立物流股数s s 的一般式如下 s c 一 ( c - 1 ) c ( c + 1 ) 6 ，吣 皇b， 、l，川 p化yn弋 塔 分 组 两及以 a 强。r 舔 文一b c b c 拧 两 、 a”一(二； b r = j 天津大学工程硕士学位论文 第二章文献综述 s s c ( c + 1 ) 2 组分数为2 l o 时的s ，、s c 和s s 之值列于表4 1 中。 表4 - 1不同组分数s ，s c 和s s 的值 ( 2 5 ) c234567891 0 s f 、 1251 44 21 3 24 2 91 4 3 04 8 6 2 s c1 41 02 0 3 5 5 68 41 2 01 6 5 s s361 01 52 12 8 3 6 4 55 5 由表4 1 可见，随着组分数的增2 i s f 急剧增大。s c 增加较慢，s s 增加最慢。 经2 0 余年研究，已开发了许多种精馏序列的合成方法，它们属于三类方法， 即试探法、调优法和数学规划法。 2 3 2 2 试探法 试探法就是经验方法，它是从长期工程实践经验和理论知识中总结归纳出来 的经验方法，这类方法缺乏严格的数学基础，不能保证合成出最优的序列，但其 使用十分简便，不需要进行十分繁杂的计算，般能从大量可能组成的序列中筛 选出接近最优的序列。试探法