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1、。|l m e2 0 0 73 1 8现代化工M o d e mC h e m i c a il n d u s 町第2 7 卷增刊(1)2 0 0 7 年6 月一种新型的热偶精馏过程的节能分析与工业应用杨霞，李玉刚，郑世清(青岛科技大学计算机与化工研究所，山东青岛2 6 6 0 4 2)摘要：总结了热偶精馏的技术进展、节能原理及适用范围，利用一工业实例对热偶精馏的节能进行了分析，根据工业实际情况，构建了实用的新型热偶精馏流程，并对该新流程的操作参数和操作条件进行优化。结果表明，该流程可大幅度降低能耗，文中所示的精馏过程可节省高压蒸汽4 9，每年可创经济效益达2 7 0 万元。关键词：精馏；节
2、能；热偶精馏；预分离中图分类号：7 I 2 8文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 4 3 2 0(2 0 0 7)s l 0 3 1 8 0 4E n e r g y-鞠血g 孤班啊s i s 锄da p p l i c 椭lo faI 硷w l e 皿瞳a l l yc o u p _ e dd i s 衄l a 廿佃p 帅c 鹤sM J 7、B 疵o，陆9 0 昭，历删G 虢i g i 愕(R e s e a r c hC e n t e rf o rC o l p I l t e r 锄dC l e I I l i c a 王E 蟛n e e r i n g，Q i r l g d
3、a oU I l i v 两t y0 fS c i e n c e 锄dr I k h n o l o 影，Q i n 列a o2 6 6 0 4 2，C l l i m)A k 出锄c t：T h ea d v a n c e so nt l I et 1 1 觑m a：U yc o u p l e dd i s d a d o np 1 o c e s sa r eM e l ys u m m a d z e d，t 1 ep d n c i p I e so fe n 嚼r s 撕I l g 鹅w e l l8 st l l e 印曲c 撕叩r a I l g eo ft l l e 曲
4、c o up：I e dd i s 础觚o na r ed i s c u s s e d A ni n d 删a le x a l p l eo fi s o l e d cc 叫l p o L n l d s 刚p a 枷o ni si 础c e d，a n dt h ee r l 哟r 一痢I l gt e c I r l o l o 舒0 fi ti s 锄a l 弘e d An e w o w s h e e ti sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ei n d l 删a la p p l i c a 置i o n l eo p e
5、r a：【i 伽I a lp a r a m e 耋e r s 趾l dc o r d j _ t i o n sa r e0 p 6 I n i z e d，也eI e 敏d t ss h 删t l eI l e w 刚商豫e tc o 以dd e c r e a s ee n f I r g y c o n s u m p d o nh l l g e l y，“c o u l ds a v e1 1 i g h-p I 磺跚ms c 朗mc o I l s u l】叩t i o nb y4 9 锄dc o u l dh a v eas u r no f 2 7r I l i】1 i o
6、ny l l a I lo fe c 枷c 啾u I T l sa I l 硼a l l y K e yw 0 咄：d i s【i l l a t i o n；e 蝴s a v i I l g；龇m 试c o u p l e dd i s t i 撕o n；p 静s e p a 枷o n精馏是利用混合物中各组分挥发度的不同进行分离的操作单元，在所有的分离方法中，其以独特的优势广泛应用于工业生产中，并占据着主导地位uJ。据估计，化工过程中4 0。7 0 的能耗用于分离，而精馏能耗又占其中的9 5 2|。因此，随着世界能源的日益短缺，精馏过程一直是研究者节能挖潜的热点对象，它的每一个进展都会带来巨
7、大的经济效益。迄今为止，已经开发了多种精馏节能的工艺流程，如热泵精馏、热偶精馏、多效精馏等。笔者即通过一同分异构体分离的工业实例，采用热偶精馏进行节能分析，并从中构建出一种新型热偶精馏工艺流程。1 热偶精馏热偶精馏最早由P e t l y u k 提出 3|，可以大幅度提高热力学效率，不仅减少了设备投资，还可以降低能耗，因此受到各国学者的广泛关注。目前已经开发了多种精馏塔的耦合技术，一般可分为以下几种形式：一种是部分热偶精馏，由主塔和侧线塔构成的复杂精馏塔，包括侧线精馏塔(s i d er e c t i f i e r，s R)和侧线提馏塔(s i d es t r i p p e r，S
8、S)；另一种是完全热偶精馏(F u l l ym e I n l a l l yc o u p l e dd i s t i a t i o nc o l u m n，F C)，因为最早由P e t 呲提出，故又称为P e t 1)吐塔。人们针对以上各种形式的热偶精馏开展了大量的设计、优化和应用研究H。8 j。尤其是在国外，近年来热偶精馏技术从理论走向实践，在工业装置上的应用发展非常迅速。迄今工业上运转的热偶精馏塔已达4 0 座。而国内在这方面展开研究要晚得多，大约在2 0 世纪9 0 年代才见有报道，如许锡恩、杨友麒等对热偶精馏过程的模拟进行了研究旧10|。高维平等1 1 1 J 研究了热偶
9、精馏塔的优化与设计，钱宏义等u 2 J 对分隔型塔进行了优化设计研究，并发表了一些有关热偶精馏的操作性能及综述文章n 3。16|。最近安维忠等”。1 8 又发表了1 种基于随机优化的热收稿日期：2 0 0 6 1 0 3 1作者简介：杨霞(1 9 r 7 3 一)，女，博士生，助理研究员，主要从事过程系统工程方面的研究，0 5 3 2 8 4 0 2 2 5 1 5，y 酾a q l l s t e d u c n。万方数据2 0 0 7 年6 月杨霞等：一种新型的热偶精馏过程的节能分析与工业应用3 1 9 耦合复杂精馏系统的综合方法。尽管国内对热偶精馏已有近2 0 年的研究，但在工业应用上与
10、国外还有很大的差距。热偶精馏节能原理主要有2 点：热偶精馏塔较好地解决了中间组分在塔内的再混合问题；热偶精馏预分塔进入主塔的物料，其组成能够较好地和主塔进料板上的组成相匹配，符合最佳进料板的要求。热偶精馏流程要求2 个塔的操作压力一致，对于三元物系的分离，热偶精馏流程特别适用于中间产品纯度高、进料量大且2 种较轻组分难分离的情况 1 9 一驯。2 工业实例描述文中以某厂同分异构体分离的实际工业流程为例，采用完全热偶精馏技术(D w C 及p e t 如k 塔)进行节能分析，根据工业实际情况，对热偶精馏流程进行改进，并对原有流程加以改造，改造后节能效果明显，经济效益显著。该分离系统内物料主要有A
11、、B、c3 种组分，其中A 和B 为岛环状同分异构体，C 为反应生成的杂质重组分，除此之外，系统内还有少量不凝气。原始流程为2 个简单塔常规的直接精馏序列，塔顶用冷却水冷却，塔底由高压蒸汽提供热量，如图l 所示，操作参数见表l。图1工业实例现有直接精馏流程示意图表1 工业实例的操作参数表3 模拟计算3 1 间接精馏序列现有精馏流程是直接序列，由于A 与B 是难以分离的同分异构体，而C 是分子质量相差很大的重组分，因此根据分离序列规则，应该优先分离出重组分C，再分离同分异构体A 和B，即采用间接精馏序列，其流程如图2 所示。计算2 种情况：1 种是I 塔塔顶汽相不经过冷凝，直接进塔；另1 种是经
12、过冷凝后再进塔。图2 工业实例间接精馏流程示意图对工塔塔顶物料进入塔的位置进行灵敏度分析，结果如图3 所示。由图3 可见，塔进料状态对其塔顶冷凝器的负荷影响显著，对塔底热负荷的影响不明显，即汽相进料大大增加了回流量，增加了冷凝器的负荷，只是在最佳进料位置附近，汽相进料比液相进料降低了部分塔釜热负荷。回流量的提高，增加了塔的操作费用和设备费用，并且考虑到汽相进料控制比较困难，因此该案例可采用液相进料。1 一塔汽相进料时，塔冷凝器负荷；2 一塔汽相进料时，塔再沸器热负荷；3 一塔液相进料时，塔再沸器热负荷；4 _ 塔液相进料时，塔冷凝器负荷图3间接序列塔工塔顶物料进塔的进料板位置3 2 完全热偶精
13、馏节能分析完全热偶精馏系统用主塔和副塔组成的复杂塔代替常规精馏塔序列，是具有可逆混合特性的理想热力学系统。副塔的作用是将混合物进行初步分离，轻关键组分全部由塔顶分出，而重关键组分完全由塔釜采出，中间组分在塔顶、塔底之间分配；主塔的作用则是对副塔塔顶和塔底的物料进一步分离，得到符合要求的产物。完全热偶精馏系统主要有2种在热力学上完全等效的结构：1 种是分隔塔(D i v i d i n gw a l lc o l u 枷，D w c)，即在精馏塔内部采用立式隔板将塔从中间隔开分成2 部分；另1 种即是前文提到的p e t l y u k 塔，如图4 所示。万方数据3 2 0 现代化工第2 7 卷
14、增刊(1)不凝气ABC(a)分隔塔(b)p e d y u k 塔不凝气ABC图4 完全热偶精馏的两种结构由于二者在热力学上完全等效，因此在模拟计算中，2 种F c 的模拟计算可采用相同的模型计算，该例采用A s p e n P l u s 中的M u l t i F h c 模型进行计算。所需能量为18 2 8k w，与现有流程相比可节能5 2。3 3 预分离塔流程尽管F C 精馏节能效果显著，但由于2 塔之间连接的物料流量或者D w C 隔板两侧的汽液量分布对分离性能的灵敏度非常高，在工业实际应用中的操作和控制要求非常苛刻，因而其推广使用受到一定的限制。在2 0 世纪8 0 年代以前一直未
15、能用于工业装置中。目前该流程国外已投入运行的有4 0 余座，但国内尚未有工业应用。考虑到设备制造、操作和控制的困难以及工厂实际改造的风险，并基于该系统进料状态对热量影响不显著的特点，笔者将完全热偶精馏的4 股汽液相进料，改为2 股液相进料，即在I 塔的塔顶和塔底分别增加冷凝器和再沸器，构建预分离塔流程。预分离塔的流程如图5 所示。不凝气ABC图5新型预分离热偶精馏流程示意图3 3 1 确定预分离塔I 的操作条件对预分离塔的操作参数进行灵敏度分析，确定其最佳操作条件，结果见表2。预分离塔的理论板数可通过现有塔改造(板式改填料)而得。表2 预分离塔的最佳操作条件操作参数最佳条件理论板数块进料板位置
16、块预分离塔回流量k h。1预分离塔塔顶采出量k g h。1塔底热负荷k w2 232 0 0 03 7 0 08 3 73 3 2 确定塔的操作条件在以上最佳预分离塔操作条件下，再通过各参数的灵敏度分析，确定塔的理论板数及各个进料位置和侧线采出的位置。计算结果如表3 以及图6、图7 所示。塔的理论板数也是通过更换填料达到的。表3 塔的最佳操作条件操作参数最佳条件理论板数块3 9预分离塔I 塔顶采出进入塔的进料板位置块1 7预分离塔塔底采出进料板位置块3 8侧线采出板位置块3 6塔顶回流量k h 15 5 0 0塔底热负荷k W1 0 8 7彳堂蛹据回目辫塔I 塔顶采出进塔的位置，块图6 预分离
17、塔工塔顶采出进塔的位置对塔塔顶回流的影响叮岂姗据回目按图7 塔侧线采出位置对塔回流量的灵敏度分析预分离塔热偶精馏流程共需外界提供19 2 4k W的能量，比现有流程节能4 9。3 3 3 原理分析与经济分析从分离原理上看，该预分离流程符合热偶精馏的节能原理：通过预分离塔将中间组分粗略分布，使其进入主塔的物料组成能够较好地和主塔进料板上的组成相匹配。因此可以认为该流程是一新型的热偶流程。将以上各个流程模拟计算所需的热负荷列于表4 中。可见利用预分离流程对原有流程改造，经 万方数据2 0 0 7 年6 月杨霞等：一种新型的热偶精馏过程的节能分析与工业应用3 2 1 济效益显著。原有塔工为板式塔，理
18、论板数不够，需更换为规整填料，除此之外，其他塔器和换热器均可利用原流程。与原有流程相比可节能4 9，约18 7 6k W，每年可节约2 7 万t 高压蒸汽，高压蒸汽以1 0 0元t 计，可节约2 7 0 万元a。表4 各流程所需塔底热负荷k w4 结语文中总结了热偶精馏塔最近几年的进展，以一工业分离实例，研究了它在精馏塔节能中的效果，并在此基础上构建了符合热偶精馏原理的预分离流程，通过对该流程的模拟与优化，确定其最佳操作条件。结果表明，该预分离流程节能效果显著，操作控制简便，可视为常规塔操作，投资少，经济效益显著，可在工业实践中大力推广应用。参考文献 1 B 鲫oJ L，陆rJ R，H 唧衄8
19、 yJ L，d 础，n u i d I I】i)(h l r es e p a r a t i o n t e c h-蝴e sf 矗c o s t 捌u c t i o n 锄dp r o c e s si 瑚p m V t M T 叮：N o y 惜眦枷。璐，P 酞斑略，1 9 8 6 2 h 玎p h。e yJL，s e i b e nAF s e p a r a t i o nt e c h n o l o g 硫：m 叩p o r t 商t yf o re n 叼s a v i n 铲 J C l l e mE I l gP r o g，1 9 9 2，8 8(3)：3 2 4 1
20、3 P e t l”l kFB，P l a 士o r l o vVM，s l a v i n s k iDM 1 h e n n o d y n a 珂i c a l l y 叩妇】a lI l l e 吐1 0 df b rs e p a m d I l gI I l l t i c o 呷叩e n tI I】i x t I l I s J I n tc h e mE I l g，1 9 6 5，5(3)：5 5 5 5 6 1 4 陆a I l t 由u o uc，疏t l lR n ed e s 细d 叩t i r I l i z 撕o no ff I l l l yt h e r I
21、n a l l yc o u p l e dd i 出u a t i 蚰c 0 1 u m s J 1 h I l sI c h 锄E，1 9 9 2，7 0(3)：1 1 8 一1 3 2 5 w 卿b u m T L，s e a d e rJ D s o l u t i o n so fs y s t e r I l so f i I l t e r l i n k e dd i s t i l l a t i o nc o l 唧璐b yd i 任b r 朗6 a lh o n l 0【印y c o n t 劬a 士i o nm d h o d 8IMJ I I l：1 h eU n i
22、 v 毋o fM i 出弘n，1 9 8 4 7 5 6 6 R e vE，E m t i r M，s z i 吐函z，甜耐E I l e。科s a v i n 铲o f i l l 曙阻吲a 1 1 dc o l 卜p k dd i s t a t i 蚰s y s t e m s J C o m pC h e mE n g，2 0 0，2 5：1 1 9 1 4 0 7 kw 刨i I l g，S e a d e rJD，w a y b I l r I lTI M u l t i p l e“u t i o n st os y s l e r n so f面t e r】j n k e ds
23、 e p a 脚i c o l m m s J J A J c I l E，1 9 8 7，3 3(6)：8 8 6 8 9 r 7 8 R a lcc，S e a d e rJ D，1 h 蝴L w M I l l d p l es t e 8 d y s t a t es 0 J u t i 蛐s f o ri n t e r l i I l k e ds 印a r a i i o ns y s t e 玎【】s J h l dE I l gC 】F I l l l d a I n，1 9 8 6，2 5(4)：5 6 6 5 7 6 9 许锡恩，李守春三相热偶合精馏过程的模拟 J 化工学
24、报，1 9 8 9(1)：2 8 3 7 1 0 杨友麒热偶精馏塔操作特性的模拟研究 J 化工学报，1 9 9 0(4)：4 9 1 1 1 高维平，杨莹热偶精馏过程的研究 J 吉林化工学院学报，1 9 9 4，1 1(1)：1 4 2 9 1 2 钱宏义，韩方煜分隔型热耦合精馏塔的优化设计 J 青岛科技大学学报，2 0 0 4，2 5(3)：2 1 4 2 1 8 1 3 周爱月，王瑜，崔玉林用同伦延拓算法模拟热偶精馏过程 J 化工学报，1 9 9 9，5 0(1)：l 一7 1 4 曲平，闫蕊，俞玉国，等丁二烯分离装置热偶精馏魄操作特性 J 高校化学工程学报，1 9 9 6，1 0(2)：
25、1 4 5 1 5 1 1 5 吕向红，陆恩锡热耦蒸馏技术进展 J 化工进展，2 0 0 4，2 3(8)：8 3 7 8 4 0 1 6 叶青，裘兆蓉，韶晖，等热偶精馏技术与应用进展 J 天然气化工，2 0 0 6，3 1：5 3 5 6 1 7 安维中，袁希钢基于随机优化的热耦合复杂精馏系统的综合(I)：模型化方法 J 化工学报，2 0 0 6(7)：1 5 9 l 一1 5 9 8 1 8 安维中，袁希钢基于随机优化的热耦合复杂精馏系统的综合()：计算举例与分析 J 化工学报，2 0 0 6(7)：1 5 9 9 1 6 0 4 1 9 呦a kF，c o i n sc A d v 矾c
26、 e dd i s t i a t i 叩s a v e s 即e。g ya n dc a p i t a l J C l e m E I l g，1 9 9 r 7，1 0 4(7)：7 2 7 6 2 0 M i c h a e lAS c h I l l t z，d a sGS t e w a r t R e d u c ee o s t s、v i t l ld i v i d i n g-w a l lc 0 1 u n m s J c E P，2 0 0 2(5)：6 4 7 1(上接第3 1 7 页)丙烯醛的最大可能回收，丙烯醛回收率可达到9 6 0 9 一9 6。8 5。由表1
27、 可知，通过对1 0 0k h 进料量的模拟计算，脱醛塔模拟值与实验值基本吻合，各项技术指标、质量指标基本上符合设计要求，该模拟计算模型可以用于3 一羟基丙醛脱醛系统下一步的工艺设计及流程优化工作。参考文献 1 彭秉璞化工系统分析与模拟 M 北京：化学工业出版社，1 9 9 5 2 S e a d e rJD，e s tJH 渊o nP 1 D c e s sP I i n c i p l e s M 北京：化学工业出版社，2 0 0 2 3 杨友麒过程流程模拟 J 计算机与应用化学，1 9 9 5，1 5(1)：l 一4 4 唐勇丙烯酸装置提纯系统的模拟与优化 J 精细化工，2 0 0 2，
28、1 9(5)：3 C r 7 3 0 9 5 上海华谊丙烯酸有限公司一种丙烯醛的分离和回收方法：中国，1 8 0 3 7 5 0 A l P j 2 0 0 6 一0 1 2 3 6 唐勇，周传光，王晓红，等芳烃装置分离系统模拟分析软件的开发与应用 J 石油炼制与化工，2 0 0 1，3 2(5)：3 6 3 9 7 张宗飞，马正飞，姚虎卿甲醇合成碳酸二甲酯产物的分离 J 石油化工，2 0 0 6，3 5(6)：5 4 8 5 5 2 8 高长宝，周鸱，王树盈，等气液并流填料塔板的流体力学性能 j 石油化工，2 0 0 2，3 1(8)：6 1 9 6 2 1 9 J a l d a I l
29、dc，I y t 硪G c o n 】p u t”a i d e dp r o c e s sd e s i 驴a n d 叩血i z a t i o nw i m 噼m 撕o nu l l i t s J A p p l i e d 口n a lE l l 咖耐I l g，1 9 9 7，1 7(8)：9 7 3 9 8 0 一 万方数据一种新型的热偶精馏过程的节能分析与工业应用一种新型的热偶精馏过程的节能分析与工业应用作者：杨霞，李玉刚，郑世清，YANG Xia，LI Yu-gang，ZHENG Shi-qing作者单位：青岛科技大学计算机与化工研究所,山东,青岛,266042刊名：现代化
30、工英文刊名：MODERN CHEMICAL INDUSTRY年，卷(期)：2007,27(z1)被引用次数：2次 参考文献(20条)参考文献(20条)1.Bravo J L;Fair J R;Humphrey J L Fluid mixture separation technologies for cost reduction andprocess improvement 19862.Humphrey J L;Seibert A F Separation technologies:an opportunity for energy savings 1992(03)3.Petlyuk F B;
31、Platonov V M;Slavinski D M Thermodynamically optimal method for separating multi-component mixtures 1965(03)4.Triantafyllou C;Smith R The design and optimization of fully thermally coupled distillationcolumns 1992(03)5.Wayburn T L;Seader J D Solutions of systems of inter linked distillation columns
32、by differentialhomotopy-continuation methods 19846.Rev E;Emtir M;Szitkai Z Energy savings of integrated and coupled distillation systems外文期刊200?(1)7.Lin Wenjing;Seader J D;Wayburn T L Multiple solutions to systems of interlinked separation columns 1987(06)8.Rafael C C;Seader J D;Thomas L W Multiple
33、steady-state solutions for interlinked separationsystems 1986(04)9.许锡恩;李守春 三相热偶合精馏过程的模拟 1989(01)10.杨友麒 热偶精馏塔操作特性的模拟研究 1990(04)11.高维平;杨莹 热偶精馏过程的研究 1994(01)12.钱宏义;韩方煜 分隔型热耦合精馏塔的优化设计期刊论文-青岛科技大学学报 2004(03)13.周爱月;王瑜;崔玉林 用同伦延拓算法模拟热偶精馏过程期刊论文-化工学报 1999(01)14.曲平;闫蕊;俞玉国 丁二烯分离装置热偶精馏的操作特性 1996(02)15.吕向红;陆恩锡 热耦蒸
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35、 costs with dividing-wall columns外文期刊 2002(05)本文读者也读过(5条)本文读者也读过(5条)1.何莉.樊希山 热偶精馏过程模拟与优化的改进期刊论文-计算机与应用化学2003,20(5)2.叶青.裘兆蓉.韶晖.钟秦.YE Qing.QIU Zhao-rong.Shao Hui.ZHONG Qin 热偶精馏技术与应用进展期刊论文-天然气化工2006,31(4)3.何盛宝.张维毅.石泉田.于明祥.蓝仁水.黄贵明.孙灵栋.汤伟 采用新型塔板改造催化裂化装置吸收稳定系统期刊论文-炼油设计2001,31(9)4.薄翠梅.张(是).林锦国.翟军勇.戴庆成 基于径向基函数神经网络的精馏塔优化控制期刊论文-石油化工高等学校学报2002,15(3)5.李瑞端.高维平.杨莹.杨家军.韩博平.LI Rui-duan.GAO Wei-ping.YANG Ying.YANG Jia-jun.HAN Bo-ping 进料组成对热偶精馏节能效果的影响期刊论文-化工科技2009,17(1)引证文献(2条)引证文献(2条)1.李洪.李鑫钢.罗铭芳 差压热耦合蒸馏节能技术期刊论文-化工进展 2008(7)2.吕向红 液化天然气分离的节能蒸馏工艺期刊论文-化工进展 2008(6)本文链接：http:/