（化学工程与技术专业论文）内部热耦合反应精馏塔的设计与稳态分析.pdf

d e s i g na n ds t e a d y - s t a t ea n a l y s i so ft h ei n t e r n a lt h e r m a l l y p i e d , a c t i o nd i s t i l l a t i o nc o l u m n c o u p l e dr e a c t i o ni s t i l l a t i o nc o l u at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h o ux i a n t i a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f s u nl a n y i c o l l e g eo fc h e m i s t r y & c h e m i c a le 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 ) 啪7 舢8舢8m 67 删8 邶1肌y 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已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：虽鲞璺日期：扣“年f 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、缩印或其他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。 学位论文作者签名：凰塞固 指导教师签名：z 狂銎乙一 日期：2 0 1 1 年f 月7 日 日期：砂7 年月乡 摘要 作为石油化工过程应用最为广泛的分离单元，精馏过程因其较高的能耗和较低的热 力学效率成为各国学者不变的研究课题。热耦合技术是近年来出现的精馏技术，因为具 有较大的节能潜力而被人们广泛关注，内部热耦合精馏塔就是一种新型的热耦合技术， 国内外对此的研究较少，是化工过程中较新的研究领域。 反应精馏技术是工业应用比较成熟的一种过程强化技术，因其低能耗和低操作费用 以及可提高可逆反应的收率等优势而成为节能研究的典范。在本文中将反应精馏和内部 热耦合精馏技术结合起来，构成了一种新型的精馏流程内部热耦合反应精馏塔，它结 合了反应精馏和内部热耦合塔的优势，是一种过程高度强化的精馏技术，具有巨大的节 能潜力。 在本文中，首先以乙酸甲酯水解为例，利用a s p e n 模拟软件对理想内部热耦合反应 精馏塔建立了计算模型，从理论上验证了它的可行性，证实了理想内部热耦合反应精馏 塔的巨大节能潜力，并且对内部热耦合反应精馏流程进行了初步的分析，阐述了其不同 于普通精馏塔的特性。 其次对内部热耦合反应精馏塔中的热量耦合部分进行了分析，研究了不同传热理论 板以及不同的传热量对内部热耦合反应精馏塔的影响，并由模拟结果得出传热量和传热 理论板数对内部热耦合反应精馏塔的影响规律。另外本文对内部热耦合反应精馏塔可能 存在的几种塔构型进行了详细的研究，在相同的最小传热温差和产品要求下，找出了有 效能耗最小和再沸器能耗最小的塔构型。 最后，对塔项馏出物流量、水酯进料比、水进料位置、再沸器负荷、反应段高度、 反应段位置等塔操作变量进行了单变量分析，研究了上述变量对内部热耦合反应精馏塔 模拟结果的影响，确定了各个变量初步优化的值。 关键词：内部热耦合反应精馏塔，a s p e n ，节能，乙酸甲酯水解，模拟 、- d e s i g na n ds t e a d y - - s t a t ea n a l y s i so f t h ei n t e r n a lt h e r m a l l y c o u p l e d r e a c t i o nd i s t i l l a t i o nc o l u m n z h o ux i a n t i a n ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f s u nl a n y i a b s t r a c t a st h em o s ti m p o r t a n ts e p a r a t i o nt e c h n i q u ei nc h e m i c a lp r o c e s s ，d i s t i l l a t i o np r o c e s si s s t u d i e dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ep r o c e s so fd i s t i l l a t i o na n dr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n s i n c ei tw a si n v e n t i o nb e c a u s eo fi t sh i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o wt h e r m o d y n a m i c s e f f i c i e n c y t h ei n t e r n a lt 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 ( i t c d c ) i san e wd i s t i l l a t i o n t e c h n i q u ea n di sr e s e a r c h e da b r o a da si t sh u g ee n e r g y s a v i n gp o t e n t i a l l i t t l er e s e a r c hh a s b e e n d o n eo nt h i sf i e l da th o m ea n da b r o a d ，s oi ti sn e wr e s e a r c hf i e l d r e a c t i o nd i s t i l l a t i o n ( r d ) t e c h n o l o g yi sa p r o c e s si n t e n s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hh a s b e e ns k i l l e da p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c h 嬲l o we n e r g y c o n s u m p t i o na n dl o wo p e r a t i n gc o s ta n dt h ei n c r e a s e dy i e l do fr e v e r s i b l er e a c t i o n i nt h i s c h a p t e r , w ec o m b i n et h er da n di t c d ct of o r man e wd i s t i l l a t i o nc o n f i g u r a t i o n ，c a l l e dt h e i n t e r n a lt h e r m a l l yc o u p l e dr e a c t i o nd i s t i l l a t i o nc o l u m n ( i t c r d c ) t h ei t c r d ci n t e g r a t e s t h em e r i t so ft h er da n di t c d ca n dh a st r e m e n d o u se n e r g ys a v i n gp o t e n t i a l 。 i nt h i st h e s i s ，t a k i n gt h eh y d r o l y s i so fm e t h y la c e t a t e ( m e a c ) a sa ne x a m p l e ，a l l c o m p u t a t i o nm o d e l s o ft h ei d e a li t c r d ci se s t a b l i s h e d u s i n ga s p e np l u s s o f t w a r e t h r o u g ht h er e s u l t so fs i m u l a t i o nw ec a nk n o w t h ei d e a li t c r d ci sf e a s i b l ea n dp r o o f e dt h e h u g ee n e r g ys a v i n gp o t e n t i a lo f t h ei d e a li t c r d c a l s oa p r e l i m i n a r ya n a l y s i si sd o n ef o rt h e i d e a li t c r d ca n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei d e a li t c r d ca r ee x p o s i t e d t h e nt h eh e a tt r a n s f e ri ni t c r d ci ss t u d i e d ，i n c l u d i n gt h ed i f f e r e n th e a tt r a n s f e rp l a t e a n dd i f f e r e n th e a tt r a n s f e rc a p a c i t y t h ei n f l u e n c eo ft h eh e a tt r a n s f e ro nt h ei t c r d ci s d e t a i l e di n v e s t i g a t e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sw es u m m a r yt h ed i s c i p l i n eo ft h eh e a t t r a n s f e ra f f e c t e dt h ei t c r d c i na d d i t i o nt h ec o l u m nc o n f i g u r a t i o n sw h i c ha r ep o s s i b l et ob e a r ed i s g u s t e d i nt h es a m em i n i m u mh e a tt r a n s f e r t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dp r o d u c t i i r e q u i r e m e n t s ，w ef i n dt h ec o l u m nc o n f i g u r a t i o nw h i c hh a st h el e a s te x e r g yc o n s u m p t i o na n d t h ec o l u m nc o n f i g u r a t i o nw h i c hh a st h el e a s tr e b o i l e re x e r g yc o n s u m p t i o n f i n a l l yi nt h i sp a p e r , t h ee f f e c t so fc h a n g i n gr a t i oo fw a t e rf e e dt om e a cf e e d ，r e b o i l e r h e a td u t y , t h ef l o wr a t eo ft o pp r o d u c t s ，f e e ds t a g e so fw a t e r , t h er e a c t i o nz o n eh e i g h ta n d l o c a t i o no ni t c r d ca r ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h ep r i m i t i v eo p t i m i z e dv a l u eo fe v e r yp a r a m e t e r h a sb e e nd e t e r m i n e d k e y w o r d s ：i n t e r n a lt h e r m a l l yc o u p l e dr e a c t i o nd i s t i l l a t i o nc o l u m n ，a s p e n ，h y d r o l y s i so f m e t h y la c e t a t e ，s i m u l a t i o n 目录 第l 章绪论l 1 1 前言。l 1 2精馏节能技术2 1 2 1精馏技术的发展状况2 1 2 2精馏过程的节能方法3 1 2 3热耦精馏技术4 1 3内部热耦合精馏塔的介绍和发展7 1 3 1理想内部热耦合精馏塔的结构与节能原理7 1 3 2理想内部热耦合塔的研究进展。1 1 1 3 3 内部热耦合精馏塔存在的问题13 1 4反应精馏技术1 4 1 4 1反应精馏技术的发展1 4 1 4 2乙酸甲酯水解反应精馏过程16 1 5内部热耦合反应精馏塔的研究进展。1 6 1 6 小结17 第2 章内部热耦合反应精馏塔的建模与理想内部热耦合反应精馏塔的分析1 8 2 1 总j 苤1 8 2 2乙酸甲酯反应1 9 2 2 1 乙酸甲酯反应机理一1 9 2 2 2乙酸甲酯水解反应热力学1 9 2 2 3乙酸甲酯水解反应动力学2 0 2 3 内部热耦合反应精馏塔的建模2 1 2 3 1模拟软件简介2 l 2 3 2 常规反应精馏塔模型2 2 2 3 3内部热耦合反应精馏塔模型2 3 2 4理想内部热耦合反应精馏塔2 7 2 4 1 理想内部热耦合反应精馏塔的定义一2 7 i v 2 4 2理想内部热耦合反应精馏塔的研究2 7 2 5 小结3 1 第3 章内部热耦合反应精馏塔的传热分析3 2 3 1 综j 丕3 2 3 2内部热耦合反应精馏塔的传热量分析3 2 3 3 不同传热理论板的内部热耦合反应精馏塔操作状态分析。3 7 3 4 硝、结4 0 第4 章内部热耦合反应精馏塔的构型分析4 2 4 1 综述4 2 4 2内部热耦合反应精馏塔构型分析4 3 4 2 1 a 组构型分析4 3 4 2 2b 组构型分析4 9 4 2 3 综合对比一5 5 4 3 小结：5 8 第5 章内部热耦合反应精馏塔的单变量分析6 0 5 1 综述6 0 5 2单变量分析6 l 5 2 1塔顶馏出物流量的影响6 1 5 2 2 水酯进料比的影响6 3 5 2 3水进料位置的影响6 4 5 2 4再沸器负荷的影响。6 7 5 2 5反应段高度的影响6 8 5 2 6反应段位置的影响6 9 5 3 小结7 0 结论7 1 总结7 l 问题与展望7 1 参考文献7 3 攻读硕士学位期间取得的学术成果。7 7 致谢7 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 2 0 世纪以来，由于旧能源日益枯竭和新能源还未能广泛应用，致使能源危机不断加 剧，对工业工程的节能的研究成为应对全球能源危机的一项重要措施而越来越受到各方 面的重视，日益增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。 精馏过程作为石油化工和其他化工过程中应用最为广泛的分离过程，也是最典型和 最重要的分离过程，据统计约9 0 的产品回收和提纯由精馏来实现【l 】，但是同时它也是 能耗最大的一个单元，其能耗为整个化学工业能耗的4 0 左右【2 】，因此，专家们致力于 精馏过程的节能研究，过程强化与集成因其较高的过程效率和低能耗，受到了广泛的关 注。 反应蒸馏是一种将传统的反应器与分离系统结合的过程集成技术。将反应器与蒸馏 塔整合于同一单元中，成为一种新的技术方向，此技术不仅可以提高产能，亦能降低能 量的消耗，对于改善化工产业具有极大的潜力。因此，为了发展高产能、低能耗的技术， 反应蒸馏技术的研究逐渐受到学术界和工业界的重视。 热耦合技术是一种新的过程强化与集成技术，由于其突破了传统的设备翻新和结构 调整等节能方法的局限性，成为目前精馏塔节能研究的前沿。此技术的节能思想来源于 二次回流与蒸发，后由美国西北大学的m a t h 教授在1 9 7 7 提出内部热耦合塔的构型【3 】。 内部热耦合塔是将传统精馏塔的精馏段和提馏段分开各成一个塔，通过精馏段与提馏段 的热集成实现精馏塔的无冷凝器和再沸器操作，从而提高热效率、降低能耗的节能技术。 将传统精馏塔的精馏段和提馏段分开各成一个塔后，两个塔之间用物流连接，为了实现 热耦合，用压缩机提高从提馏段出来进入精馏段的气相物流的压力，利用精馏段的上升 的气相加热提馏段下降的液相，这样通过热量耦合来产生精馏段的内回流和提馏段的上 升蒸汽。如果内回流和上升蒸汽全部由塔内耦合能量提供，则称之为理想内部热耦合塔。 由于在常规的精馏塔中，由再沸器引进的能量大部分损失在塔压降和换热器温差上，用 于产品分离的能量很少，而内部热耦合塔接近于可逆操作，因此，它的热力学效率比较 高，是节能精馏技术中节能效能最高的。 1 第一章绪论 本文将反应精馏和内部热耦合精馏塔技术结合，构成一种新的内部热耦合精馏技术 内部热耦合反应精馏塔( i n t e r n a lt h e r m a l l yc o u p l e dr e a c t i o nd i s t i l l a t i o nc o l u m n ， i t c l m c ) ，加强了过程的强化和集成，因此能大幅度节能降耗。本文利用化工流程模拟 软件a s p e np l u s 模拟内部热耦合反应精馏塔工艺流程，以此研究内部热耦合反应精 馏塔在不同操作条件下的特性和节能效果。 1 2精馏节能技术 1 2 1 精馏技术的发展状况 传统的化学工业通常是由许多不同的单元组合成一个完整的过程，在众多化工过程 单元中，分离单元是其中应用最为广泛的过程，而精馏是最常用也是耗能最大的分离技 术。据有关数据表明，精馏过程的能耗占石油化工行业总能耗的3 8 - - 一6 6 5 1 4 。自2 0 世纪7 0 年代两次“石油危机 以来，能源危机日益加深，面对逐渐上涨的原油价格， 节能降耗的呼声越来越高，又由于精馏过程较低的热力学效率，因此对精馏过程节能的 研究越来越受到重视。 精馏技术源远流长，最早的精馏过程为古代的酿酒和炼油。在1 9 世纪的中叶，由 于石油化工的兴起而使精馏技术得到了快速的发展，成为化工生产过程的重要单元。其 在2 0 世纪的发展主要分为三个阶段【5 1 ，在2 0 世纪中叶之前，是向大规模设备发展，其 主要技术以浮阀塔为代表；在2 0 世纪5 0 年代之后，由于计算机模拟技术的兴起，其发 展方向主要是精馏过程的严格计算；第三个阶段，也是大规模发展阶段，为2 0 世纪7 0 年代之后，多种精馏形式的出现，使精馏向更节能的方向发展。 精馏技术发展到现在，出现了很多高效精馏设备和新型精馏技术。例如在塔设备上， 新型组合导向浮阀、a d v 微分浮阀塔板、g s v 塔板、s u p e rv 型浮阀塔板、s u p e rf r a c 塔板、d j 塔板等的出现【6 】，解决了板式塔遇到的各种问题。近年来由于规整填料的发现 应用，改变了长期以来精馏设备以板式塔为主的局面，并且新型填料的相继出现，提高 了分离效率，实现了节能减排的要求。 新型精馏技术也是如雨后春笋般出现，并且日益成熟。其研究方向已经从原来的解 决常规精馏问题转为普通精馏无法解决的问题，例如通过物理或者化学手段改变物性的 性质，使其分离，新开发的萃取分离和恒沸分离就是此种分离工艺。或通过分离工艺的 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 合成、应用热集成概念和夹点分析方法开发的分离流程等，多效精馏、中间再沸器和中 间冷凝器的应用等都是基于由此种思想开发的精馏节能方法。 另外，由于计算机模拟技术的发展，精馏技术的稳态模拟计算和动态模拟计算都得 到了长足的发展。在稳态模拟计算中，基于理论板的模拟算法已经很完善，对于复杂的 精馏过程也能完成严格的稳态模拟计算，目前这些模拟软件已经成为工程师的得力助 手。当前精馏过程的动态模拟计算也在快速发展。 1 2 2 精馏过程的节能方法 由热力学基本原理可知，分离过程是一个不可逆过程，是一个有效能损失的过程。 其有效能损失是由于过程的不可逆性造成的，不可逆性越大，其过程有效能损失越大， 因此为了减少过程有效能的损耗，要使过程尽量接近可逆过程忉。由不可逆热力学原理 分析可知，精馏过程的不可逆性主要是由于以下因素的不可逆性造成的：首先是由于压 力梯度产生的物流间的动量传递；由于温度梯度产生的热量传递或者不同温度间物流的 直接混合；由浓度梯度产生的质量传递或者是不同化学位物流的直接混合。因此由以上 分析可知，由于压差、浓度差、温度差等产生了推动力，继而导致了过程的不可逆性， 推动力越大，过程的不可逆性就越大，有效能损失越大。因此对于精馏过程，节能的关 键在于减少推动力。但是精馏过程是一个复杂的过程，必须考虑各个推动力相互的影响。 例如，对于一个精馏塔，增加塔径，可以减少塔板上的液位，这样塔压降也降低，减小 了推动力，有效能损失会减小，但是塔径的增加会导致投资成本增加。实际上需要综合 协调各个因素，以达到节能的目的。 综合来看，节能的思路主要有以下两种： 第一类是以热力学第一定律为基础，即以能量守恒原理为基础，充分回收利用精馏 过程的能量以达到节能的目的。具体的做法如加强精馏塔的保温保冷或者回收物流的部 分显热或者是潜热，应用夹点技术、换热网络技术等优化精馏过程的换热结构等。 第二类是以热力学第二定律为基础，即提高过程的热力学效率。应用此原理而寻找 节能方法目前应用比较广泛。像常用的有设置中间再沸器，中间冷凝器、采用多股进料 和侧线出料的方式等嘲。 综合分析，节能的具体措施可以分为改变流程的节能技术和不改变流程的节能技 术。不改变流程的节能技术主要有提高精馏塔设备的分离效率；改变进料状态使之部分 3 第一章绪论 或者全部气化；改变进料板位置或者采用多股进料等。改变流程的节能技术主要包括优 化多塔精馏的排列顺序；采用多效精馏，即将多组分的分离安排在一系列压力依次递减 的精馏塔中去完成以利用高压塔的冷凝器加热低压塔的再沸器；增设中间冷凝器和中间 再沸器；采用热泵精馏和热耦精馏技术等。 1 2 3 热耦精馏技术 对于多组元混合物的分离，为了合理、有效的利用能量，热集成是一种常用的方法， 而热耦合精馏过程也是一种正在悄然兴起的新方式。通过改变传统精馏塔的结构，开发 新型精馏塔，构造出新的精馏流程。这种新型的多功能新型精馏塔优点明确，它不仅可 以简化精馏流程，简化了投资费用，而且提高了精馏过程的热力学效率，实现了节能减 排的目的。 热耦合方案起源比较早，在2 0 世纪3 0 年代就由b r u g m a 9 提出，在此之后，c a l m 和m i c e l i t l 0 1 ，p e t l y u k t l ，a v e tv a n ，k r o l i k o w s k l l 2 1 ，f i d k o w s k i 1 3 1 等人做了相关方面的系 统的研究，提出了各种热耦合精馏的设计方案。随着化工过程的不断向前发展，热耦合 精馏因其节能方面的巨大优势被受关注，其研究也日趋成熟，并在实际过程中得到应用。 应用比较广泛并且出现比较早的热耦合精馏为含有侧线的精馏( 汽提) 塔，如图1 一l 所示。这种结构较适宜于三组元的分离，它可以将一个三组元混合物分离到任意指定纯 度的产品。如图1 2 所示为完全热耦合塔，也叫做p e t y l u k 塔【1 4 1 。该系统由一个主分馏 塔和一个预分馏塔组成，塔间用物流链接，并且在在塔中间某块板直接抽出为产品，整 个系统只有一个再沸器和冷凝器，此种塔结构不仅节省了塔设备的投资，而且因其减小 了塔内返混的原因，节能潜力非常大，受到了各国研究机构的重视。在实际工业应用中， 常常将p e t y l u k 塔中的预分馏塔并到主塔里面，中间用一个隔板隔开，形成如图1 - 3 所 示的塔构型，叫隔壁精馏塔，从热力学原理上看，这两种塔在热力学上是等价的，但是 隔壁精馏塔更节约系统的设备投资费用。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 a b c 图l l 侧线提馏塔 f i g l - is i d e - s t r i p p e rc o l u m n 以上三种塔构型中，侧线提馏塔主要应用于低温气体分离等领域，而侧线汽提塔广 泛应用于炼油工业。对完全热耦合塔应用于三组元分离的研究比较深入全面，热力学分 析、简捷设计、参数估算、模拟和优化等各个方面都有涉及，三组元热耦合精馏一直是 过程系统工程广泛研究的问题，并且取得了不错的成绩。虽然完全热耦合精馏塔有巨大 的节能潜力，但是因其控制、操作的复杂性使其在工业上的应用受到了限制，目前见的 报道有b a s fa g 15 1 、m wk e l l o g gl i m i t e d l l 6 1 、s u m i t o m oh e a v yi n d u s t r i e sc o l l 7 】等。 abc a b c 图1 - 2p e t l y u k 精馏塔 f i g l - 2p e t l y u kc o l u m n 2 0 世纪8 0 年代，隔壁精馏塔的概念于国外提出以后，就受到了广泛的关注和研究， 并且针对隔壁精馏塔应用于工业的瓶颈问题，即隔壁精馏塔的控制问题做了充足的研究 【1 8 】，并且现在已成功实现工业化【1 9 1 。同时与此相配套的塔内件设备问题也得到了解决， 目前，对于隔壁精馏塔的塔内件及隔壁的形式、安装方式及流程都有大量的研究报道【2 0 s 第一章绪论 2 1 1 。这些都为隔壁精馏塔的广泛应用打好了坚实的基础。 国外对隔壁精馏塔的研究一直比较活跃，但是国内直到2 1 世纪之后才开始对隔壁 精馏塔的关注，中国石油大学( 华东) 的孙兰义副教授，在隔壁精馏塔的研究上做了深 入细致的工作，发表的相关专利已有十几篇，设计的研究范围广泛，其中包括酯类田l 的反应精馏体系、萃取精馏体系以及共沸精馏体系团】等，研究的内容包括上述体系应用 于隔壁精馏塔时的模拟、优化和设计，结果证明了隔壁精馏塔理论上的节能优势，为将 来隔壁精馏塔的研究指明了方向。 自1 9 8 5 年第一座隔壁精馏塔装置用于精细化学品的回收上，隔壁精馏塔在工业上 的应用越来越广泛，国际各个大公司像美国k o c h g l i t s c h 、u o p 公司、德国l i n d e 、k r u p p u h d c 公司等对隔壁精馏塔的工业应用纷纷进行了研究和实践。由于隔壁精馏塔在某些 体系的巨大节能潜力，据统计，目前已建成的隔壁精馏塔有百余座。实践也证明，隔壁 精馏塔在设备投资成本上可以节省2 0 左右，并且能耗相对于原有的工艺可以节能 1 5 3 0 【2 4 j 。由此可见，隔壁精馏塔在节约投资和降低能耗方面确实潜力巨大，加大 对热耦合塔的研究对于国家的能源战略有重要的意义。 b c 图1 3 隔壁塔 f i g l - 3d i v i d i n gw a l lc o l u m n 现在另一种新型的热耦合精馏塔内部热耦合精馏塔( i t c d c ) 也正在逐渐进入人 们的研究领域，它的前身二次回流与蒸发是由美国的m a h 教授于1 9 7 7 年提出的，如图 1 - 4 所示为内部热耦合精馏塔的原理图，在i t c d c 中，精馏段和提馏段各为一个塔，通 过物流相互连接，精馏段的压力高于提馏段，则精馏段相应塔板的温度大于提馏段，这 样精馏段就可以作为热源向提馏段传送热量，它相当于在精馏段和提馏段每块塔板上都 分别设置了冷凝器和再沸器，这可使精馏过程更接近可逆过程，从而提高精馏塔的热力 学效率，达到了节能的目的。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图l - 4 二次回流与蒸发 f i g l - 4 s r v 1 3 内部热耦合精馏塔的介绍和发展 料 1 3 1 理想内部热耦合精馏塔的结构与节能原理 在常规精馏塔中，分为精馏段和提馏段，提馏段底部的再沸器为整个塔提供热量， 除去用在产品分离中消耗的能量，剩下的在精馏段顶部的冷凝器释放，在整个过程中， 大部分的能量损失在塔压降以及换热器的温差上，只有很少部分的能量用于减少物质的 熵，热效率是比较低的。提高能量的等级使之用于再沸过程而不是将其浪费排入大气中， 这是内部热耦合精馏塔的基本设计思想。 前面已经提出内部热耦合精馏塔的结构是来源于二次回流与蒸发，其具体结构如图 1 5 所示，在i t c d c 中将精馏段和提馏段分为两个独立的塔，在两塔间用物流连接，并 且设有压缩机和节流阀用于调节两塔的压力，在精馏塔和提馏塔之间设置传热板进行热 耦合。当精馏段的压力大于提馏段时，精馏段上升的气相就会加热提馏段下降的液相， 以此产生精馏段的冷回流物流和提馏段的蒸汽物流。这样整个系统的再沸器和冷凝器的 负荷减少，当再沸器和冷凝器负荷可以达到0 k w 时为理想热耦合状态。精馏段的较高的 压力是加压由提馏段进入精馏段的气相物流来产生的。在整个过程中，热量得到有效的 利用，省去了精馏段顶部的冷凝器和提馏段底部的再沸器，因此理想i t c d c 的节能潜 7 第一章绪论 力是巨大的，有研究表明，和常规精馏塔相比，理想i t c d c 可以节能3 0 1 2 5 1 ，由此可 见，理想i t c d c 可以作为应对全球能源危机的重要对策。 在实际过程中，为了实现精馏段和提馏段之间的热耦合，各国的研究者们开发出了 多种塔结构。s e a d 一2 6 1 于1 9 7 8 年提出了一种隔板式内部热耦合塔，如图1 - 6 所示，由图 中我们可以看出，圆柱形的精馏塔被竖直的隔板分为独立的两个塔，作为精馏段和提馏 段使用，为了增加传热效果，安置一些带有翅片热管横贯精馏塔中间的分割板，但是即 使这样，也不能满足内部热耦合精馏塔的传热要求，因此其在工业实际中的应用受到限 制。 图1 7 所示为一种套管式的内部热耦合精馏塔构型鲫，图1 8 为变径套管式内部热 耦合精馏塔构型【2 羽。在内部热耦合精馏塔中，变径套管式内部热耦合精馏塔更合适 i t c d c 中气液相流量变化趋势，但是其结构复杂，这阻碍了此种结构的工业应用。 塔 顶 出 料 i t c d c 图1 - 5 内部热耦合精馏塔 f i g l - 5 i n t e r n a lt 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 8 互三三一一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 进辩 图l - 6 隔板式内部热耦合塔 f i g l - 6d i v i d i n gw a l lc o l u m n 由热力学第二定律可知，过程的推动力越大意味着过程能量损失越大。在常规精馏 塔中，传质的推动力为塔板上气液两相之间的浓度与其平衡浓度的差值，即在每一块塔 板上都是有能量损失，如图1 9 a 所示，精馏中的平衡线为曲线，操作线为直线，两者间 的距离为传质推动力，在图1 9 a 中可以看出，在常规精馏塔中，传质推动力是不均匀的， 在塔顶和塔底处最大，在进料处最小。我们假设，当操作线也变为曲线，如图l - 9 b 所 示，由图中可以看出，平衡线和操作线之间间距减少且均匀，这相当于减小了精馏塔上 每块塔板上的传质推动力，增加了过程的可逆性，也就减少了过程的能量损失，这就是 内部能量热耦合塔的节能原理。 9 第一章绪论 进 图1 7 套管式热耦合塔构型 f i g l - 7 t h et u b et y p ec o l u m nc o n f i g u r a t i o n 塔顶产品 机 塔底产品 图l - 8 变径套管式热耦合塔构型 f i 9 1 - 8t a p e r e dt u b et y p ec o l u m nc o n f i g u r a t i o n 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 - 9 普通精馏塔和内部热耦合精馏塔的操作线与平衡线图。( a ) 普通精馏塔，( b ) 内部热耦合 精馏塔 f i g l - 9 m c c a b l e - t h i e l ed i a g r a m sf o rac 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 na n da ni t c d c ( a ) c 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 ，( b ) i t c d c 理想内部热耦合精馏塔的节能潜力和环保潜力是人们都公认的，一方面，它巨大的 节能潜力有利于能量的可持续利用，另一方面，内部热耦合精馏塔可以有效减少温室气 体的排放，满足现在呼声越来越高的环境要求。因此内部热耦合精馏塔成为当今石油化 工领域技术研究的焦点。 1 3 2 理想内部热耦合塔的研究进展 日本的学者对内部热耦合精馏塔进行了深入细致的研究，其技术领先于世界，目前 正在进行工业化试验，发展非常迅速。日本的t a k a m a t s u 在1 9 9 6 年表明了理想内部热 耦合精馏塔可以在没有冷凝器和再沸器下操作。k 1 w a k a b e 2 9 】将内部能量耦合技术应用 于多组分混合物的分离，文中对b t x 系统( 苯一甲苯一对二甲苯) 和1 2 h c 系统( 1 2 种烃类化合物) 进行了分析研究。结果显示，对于b t x 系统，i t c d c 消耗的能量只有 传统精馏工艺的7 0 左右，影响能量利用效率的两大因素是总传热系数和压缩比。对于 1 2 h c 系统，i t c d c 消耗的能量只有传统塔的5 0 。由灵敏度分析结果显示，相对于 b t x 系统，1 2 h c 系统的产品纯度和能量消耗情况对压缩比和塔内压降更敏感。荷兰代 夫特工业大学的z o l 吗i c 教授等以丙烯丙烷为体系对内部热耦合精馏塔进行了系统深 入的研究。他们将内部热耦合精馏塔和热泵精馏塔( 图1 1 0 ) 进行了热力学分析和对比， 确定了内部热耦合精馏塔的节能优势，并且对内部热耦合系统的传热系数和传质系数进 行了研究。m g a d a l l a t 3 0 1 从热力学和流体力学的角度对内部热耦合精馏塔进行了系统的 概念设计，并且从系统优化的方式用夹点分析的方法提出了一种传热优化的方法。同时 l l 第一章绪论 他也提出了计算能量耦合系统c 0 2 排放量的优化模型，结果证实内部热耦合系统的在 减排方面的优势。k n a i t o 3 l j 建立了理想内部热耦合精馏塔的实验装置，并评估了其操 作可行性，其实验结果显示，i t c d c 可以平稳操作并达到无塔顶冷回流和塔底再沸器的 状态。t f u k u s h i m a 3 2 1 对内部热耦合精馏塔进行了动态特性分析，结果显示，相对于 传统精馏塔，i t c d c 的动态响应比较慢，但是只要设计出合适的控制系统，其可控性还 是可以的。 图1 - 1 0 热泵精馏塔 f i g l - 1 0 c o l u m nw i t hd i r e c tv a p o u rr e c o m p r e s s i o n 国内对内部热耦合精馏塔的研究起步比较晚，比较著名的有中国石油大学( 华东) 的孙兰义等人。孙兰义p 3 1 等以酯类的合成为体系研究了内部热耦合精馏塔的节能特性， 并且以丙烷丙烯分离为例，研究了内部热耦合塔的构型对工艺的影响，并与传统精馏 塔和热泵精馏塔进行了比较。结果发现不同构型的内部热耦合精馏塔的性能差别很大， 其中上对齐构型，逐板换热的方式性能最好，其有效能耗相对于热泵精馏塔降低了 2 5 - 4 0 ，效果明显。浙江大学的刘兴高【3 4 】等人研究了i t c d c 的动态特性，结果表明 内部热耦合精馏塔是可控的。 有不少学者对内部热耦合精馏塔的构型提出了改进的方案，比如s h a r m s ， z o l u j i c t 3 5 1 在内部热耦合精馏塔的基础上提出了一种新的构型，如图1 1 1 所示，并且证 明了这种结构相对于热泵精馏塔可以节能2 5 以上。图1 1 2 也是一种新型的改进内部 热耦合精馏塔的构型【3 6 】。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 n 新型内部热耦合精馏塔 f i g l - l l ar e t r o f i ti t c d c t h r o t t l i n gv a l v e 图1 1 2 新型内部热耦合精馏塔 f i g l - 1 2 ar e t r o f i ti t c d c 对于内部热耦合精馏塔之间的传热方式，目前有等板换热和不等板换热两种方式。 现在绝大部分研究都是假设每块理论板上的传热量是相等的即等板换热，但是这种假设 方式并不符合实际情况。j u l i f i nc a b r e r a - r u i z 3 7 等人提出了一种新的传热优化方法，应用 c g c c 曲线来确定每块板的最优传热量，但是这也是一种理想传热状态，如何在实际情 况下实现这些传热量的指定分配，也是有待解决的问题。 1 3 3内部热耦合精馏塔存在的问题 虽然内部热耦合精馏塔因其巨大节能潜力和减排优势成为了人们的研究焦点，专家 学者对其的概念设计、热力学分析、控制等方面做了很多工作，但是研究依然存在一些 1 3 第