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1、 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Energy & Power Engineering Energy-saving Analysis of Distillation process Based on Self-heat Recuperation Theory A Thesis in Thermal Physics Engineering by Zhen Pujie Advised by Professor Han Dong. Submitted in Partia
2、l Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering March, 2015 承诺书 本人声明所呈交的博 /硕士学位论文是本人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学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，可以 采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承
3、诺书 ） 作者签名 : 日 期 : 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 精馏是化工过程中最常用并且最有效的分离过程。但是在传统的精馏工艺中，塔顶蒸汽冷 凝时的热量排弃以及塔釜液再沸时对热量的需求，导致了整个工艺能耗巨大，能量利用效率低 下。目前虽有一些节能措施用以改进现有系统，如多效精馏、热偶精馏及热泵精馏等，但都各 有不同程度的局限性以及因系统复杂化而造成的畑损过大、成本增加等问题。因此，有必要设 计一种能耗低且能量利用率高的精馏系统。 本文引入 “ 自回热 ” 理论，对其原理进行分析，设计了一种基于自回热理论的甲醇 -水精馏 系统。在给定的设计要求下建立变量设计模型以确定操作参数；同时建立
4、系统主要单元的热力 计算模型，进行物料、能量衡算；最后利用 Aspen plus软件，建立系统模型并进行流程模拟。 在确定了以上基础数据后，分析了工艺过程用能的特点，并以该特点为基础，建立能量分 析模型，包括基于 “ 工艺用能三环节 ” 理论的系统能量 分析以及基于 “ T-H” 图的能量有效利用分 析。结果表明传统系统回收利用的能量仅占过程总用能的 5.9%,还需热公用工程再供入 94.1% 的热量；而自回热系统的能量回收率达到了 88.71%，仅需供入 11.29%的电能；另外，自回热 系统相比传统系统净供入能降低 86.43%。说明新方案能量有效利用率更高。 建立拥的基本计算模型、过程拥
5、平衡模型及设备佣损失计算模型；以三环节理论为基础， 建立畑评价模型。最后将传统系统与自回热系统进行对比分析，结果表明传统系统有效畑转换 率 63.66%，而自回热系统为 93.18%， 说明能量供入方式后者优于前者；同时自回热系统的畑 循环利用效率 61.42%远大于传统系统的 1.38%;并且新系统的净佣损比传统系统降低 56.69%。 说明新系统畑回收利用率高，畑损低，改进方案更为合理。 最后进行了经济性分析，表明综合考虑能量成本及非能量成本，自回热系统每年可比传统 系统节约 76%的成本。另外，在锅炉效率 70%，发电热效率 30%的前提下，前者所需的标煤年 比后者降低 75.18%。最
6、后对自回热系统进行热经济性分析，指出了该系统优化的方向。 关键词：精馏、自回热理论、能量分析、畑分析、成本分析、热经济学 I 基于自回热理论的精馏过程节能研究 ABSTRACT Distillation is the most commonly used and effective separation method in chemical process. But the heat exhausted in the condenser and required in the reboiler result in huge consumption and low efficiency of e
7、nergy in the conventional process. Although some ways used to improve the current system such as multi-effect distillation, thermally coupled distillation and heat pump distillation,the drawbacks accordingly arise as increase of exergy and investment costs. Therefore a new process with high efficien
8、cy and low-consumption should be projected. In this paper, A novel distillation process of methanol-water was designed with self-heat recuperation theory.Then a model was built to determine the operational parameters while another was made to calculate the material and energy balance of main equipme
9、nts.finally,the whole process was simulated in Aspen Plus. Next,the analysis model was built on account of the characteristics of energy utilization,which included the energy balance in each equipment,analysis on system based on uthree-link theory” ， efficient use of energy.Then The results show tha
10、t the ratio of recycled energy to total energy is only 5.9% in the conventional process (the remaining 94.1% share in the total energy must be provided) which is 88.71% in the advance process (only the remaining 11.29% share in the total must be provided) . Accordingly,the energy input of the latter
11、 is decreased 86.43% of the former,which means the advanced project is more efficient than the conventional one. Further, three calculation ways were proposed to analysis exergy which based on exergy definition,exergy loss in equipments, exergy evaluation methods.Then its concluded that the conversi
12、on efficiency and recycling ratio of exergy of the advanced one were 93.18% and 61.42% respectively much more than those of the conventional system(63.66% and 1.38%),which means the advanced one is more reasonable than the conventional one. Finally,the economic analysis conducted by synthesizing ene
13、rgy cost and fixed investment indicated that the cost and the standard coal consumption of the advanced process were resII基于自回热理论的精馏过程节能研究 目录 it . i u课题背景 . 1 u.i精馏过程的能耗问题 . 1 U.2精馏过程节能技术 . 1 1.1.3课题的提出 . 5 1.3自回热理论 . 5 1.4自回热理论的研究现状 . 7 1.5本文研究内容与组织结构 . 7 第二章基于自回热理论的甲醇精馏系统的设计 . 9 2.1系统设计基础 . 9 2.1.
14、1精馏原理 . 9 2.1.2传统甲醇精馏工艺 . 9 2.2基于自回热理论的甲醇 -水精馏系统的设计 . 10 2.2.1自回热甲醇 -水精馏系统流程设计 . 10 2.2.2系统变量设计 . 11 2.3系统热力计算 . 17 2.3.1系统衡算模型 . 17 2.3.2设备单元的计算模型 . 18 2.4计算结果 . 22 2.5本章小结 . 23 第三章系统用能分析 . 24 3.1工艺过程的用能特点 . 24 3.2基于 “ 三环节 ” 理论的能量分析 . 24 3.2.1工艺用能三环节理论 . 24 3.2.2计算模型 . 26 3.2.3计算结果及分析 . 26 3.3基于温焓图
15、的有效能回收情况分析 . 29 3.3.1温焓图 . 29 3.3.2计算结果及分析 . 31 II _ 南京航空航天大学硕士学位论文 _ 3.4本章小结 . 32 第四章系统拥分析 . 33 4.1拥的基本理论 . 33 4.1.1拥的概念 . 33 4.1.2能量转换特点 . 33 4.2拥的计算 . 34 4.2.1拥的基本计算 . 34 4.2.2流动过程拥平衡计算模型 . 35 4.2.3计算结果及分析 . 38 4.3基于 “ 三环节 ” 理论的拥分析 . 44 4.3.1计算模型 . 44 4.3.2计算结果及分析 . 45 4.4本章小结 . 47 第五章系统经济性分析 . 4
16、9 5.1成本分析 . 49 5.1.1成本估算 . 49 5.1.2成本估算结果及分析 . 51 5.2能耗指标及特性 . 51 5.2.1能耗指标 . 51 5.2.2能耗特性分析 . 52 5.3自回热系统的优化 . 54 5.3.1热经济学方法模型 . 54 5.3.2自回热甲醇精馏系统的热经济分析 . 56 5.4本章小结 . 60 第六章总结与展望 . 61 总结 . 61 展望 . 62 . 63 至嫌 . 67 攻读硕士学位期间取得的成果 . 68 III 基于自回热理论的精馏过程节能研宄 图表清单 图 1. 1 多效精馏 (P1P2. + PN) . 2 图 1.2热偶精馏
17、. 3 图 1.3直接蒸汽压缩式热泵精馏 . 4 图 1.4间接蒸汽压缩式热泵精馏 . 4 图 1. 5传统热力过程流程图 (气相 ) . 5 图 1. 6传统热力过程 (气相 )T-Q图 . 5 图 1. 7自回热热力过程流程图 (气相 ) . 6 图 1. 8自回热热力过程 (气相 )T-Q图 . 6 图 1.9热力过程流程图 (液 -气相 ) . 6 图 1. 10热力过程 (液 -气相 )T-Q图 . 6 图 1. 11自回热热力过程流程图 (液 -气相 ) . 6 图 1. 12自回热热力过程 (液 -气相 )T-Q图 . 6 图 2. 1精馏原理示意图 . 9 图 2. 2传统甲醇
18、 -水精馏系统流程图 . 10 图 2. 3自回热精馏过程示意图 . 10 图 2. 4自回热甲醇 -水精馏系统流程图 . 11 图 2. 5精馏塔示意图 . 12 图 2. 6泡点温度计算流程 . 13 图 2. 7两种方法计算下的 t-x-y图 . 14 图 2. 8甲醇 (1)-水 (2)的 y-x相图 . 15 图 2. 9最小回流比的分析图 . 16 图 2. 10压缩机能量平衡不意图 . 18 图 2. 11压缩过程 T-S图 . 18 图 2. 12无相变传热过程 t-H图 . 20 图 2. 13相变传热 t-H图 . 20 图 2. 14精馏塔衡算模型图 . 21 图 2.
19、15传统系统计算结果 . 22 图 2. 16自回热系统计算结果 . 23 IV _ 南京航空航天大学硕士学位论文 _ 图 3. 1工艺过程能量平衡三环节模型 . 25 图 3. 2传统系统总用能分布 . 29 图 3. 3自回热系统总用能分布 . 29 图 3. 4 ATmin=0 时的 T-H 图 . 30 图 3. 5 ATmin0 时的 T-H 图 . 30 图 3. 6多股热物流 T-H图 . 30 图 3. 7热物流组合曲线 T-H图 . 30 图 3. 8传统系统 T-H图 . 31 图 3. 9自回热系统 T-H图 . 31 图 4. 1换热器的传热示意图 . 37 图 4.
20、2传热过程 gc-Q图 . 37 图 4. 3传统过程设备拥损分布图 . 40 图 4. 4自回热系统设备佣损分布图 . 40 图 4. 5两系统总畑利用情况图 . 40 图 4. 6两系统 HX1 中图 . 41 图 4. 7两系统 HX2 中图 . 41 图 4. 8传统系统 HEATER2中 -0图 . 41 图 4. 9自回热系统 HX3 中 图 . 41 图 4. 10传统系统 HEATER1中 -g图 . 42 图 4. 11自回热系统 HX4 中 图 . 42 图 4. 12传统系统 CONDENSER中 -0图 . 42 图 4. 13自回热系统 COOLER3中 -g图 .
21、42 图 4. 14两系统 COOLER1 中图 . 42 图 4. 15两系统 COOLER2 中图 . 42 图 4. 16传 热 畑 损 随 的 变 化 . 43 图 4. 17换 热 面 积 随 的 变 化 . 43 图 4. 18压 缩 机 耗 功 随 的 变 化 . 44 图 4. 19工艺过程三环节畑平衡图 . 44 图 4. 20传统系统净畑损分布图 . 46 图 4. 21自回热系统净拥损分布图 . 46 图 4. 22两系统在三环节过程佣损分布情况比较图 . 47 图 5. 1工业物流简图 . 49 V _ 基于自回热理论的精馏过程节能研宄 _ 图 5. 2工业货币流简图
22、. 49 图 5. 3系统供能及标煤耗量随回流比的变化 . 53 图 5. 4标煤耗量随锅炉效率的变化 . 53 图 5. 5标煤耗量随发电热效率的变化 . 54 图 5. 6单元之间价格传递 . 54 图 5. 7子系统 K示意图 . 55 图 5. 8自回热甲醇精馏系统简图 . 57 表 2. 1进料物流参数 . 11 表 2. 2设计要求 . 11 表 2. 3物料衡算结果 . 12 表 2. 4物质的 Antoine方程常数 42 . 13 表 2. 5甲醇 (1)-水 (2)体系在 l.Obar下的气液平衡数据（以 xl为基准 ） . 14 表 2. 6甲醇 (1)-水 (2)体系在 l.Obar下的气液平衡数据（以 yl为基准 ） . 14 表 2. 7精馏塔操作温度参数表 . 17 表 3. 1传统系统供入能数据表 . 26 表 3. 2传统系统排弃能数据表 . 27 表 3. 3传统系统回收能数据表 . 27 表 3. 4自回热