基于塔总组合曲线的内部热耦合精馏塔优化设计方法

基于塔总组合曲线(CGCC),提出了一种简化内部热耦合精馏塔(HIDiC)结构的图形设计方法。在完成精馏段(或提馏段)单塔段中间换热器优化设置的基础上,结合精馏段与提馏段CGCC的集成图,以HIDiC的可减小过程总?损为目标,确定HIDiC热耦合中间换热器的最优设计。以苯乙烯-乙苯HIDiC为例,计算结果表明,设置中间换热器后,HIDiC可减小过程总?损最大值为1.951 MW,HIDiC的冷凝器、再沸器负荷分别下降63.6%和68.4%;热耦合中间换热器分别设置于精馏段第2、12、和38块塔板,提馏段第20、28和36块塔板,热负荷依次为0.841、1.496和2.053 MW。     

内部热耦合塔的热力学分析和节能研究

提出了一种运用熵法对内部热耦合塔可逆性进行分析的方法。以乙醇-水体系为例证明了热耦合塔相比于传统塔较优的节能优势，并确定了该塔的最佳操作范围。本文根据热力学第二定律，对热耦合塔的热力学效率以及熵增的公式进行推导，从理论上证明了热耦合塔在节能方面优于传统塔，又结合实验数据分别对其进行了详细计算。结果表明：为实现两塔段间较优的传热推动力，将该塔的可操作压缩比初步缩小到1.8~2.6；压缩比为2.2时塔顶塔釜能耗最低；压缩比为2.5时，全塔热力学效率最高；操作压缩比操作范围在2.2~2.5时，全塔的熵增优于全部操作范围内的平均值，认为在该范围内热耦合塔的可逆性更高，节能效果更优。综合考虑能耗、热力学效率及熵增等各项参数，压缩比2.2~2.5为该塔的最佳操作范围。     

内部热耦合精馏塔的初步设计(II) 控制分析和参数优化

引　言研究表明[1,2 ],控制和设计优化往往是节能方法实际应用中的主要困难 .关于二次回流和蒸发(ＳＲＶ)、Ｐｅｔｌｙｕｋ、热交换网络 (ＨＥＮ)等方法的控制设计已经有了大量的研究[3,4].这些研究方法可以借鉴到内部热耦合精馏塔 (ＩＴＣＤＩＣ)的控制研究上[5 ].本文对理想ＩＴＣＤＩＣ进行了自由度分析、暂态分析和ＰＩＤ控制研究 ,并进行了设计参数的优化和分析 .目前 ,尚未见到设计优化的文献报道 .1　自由度分析对于理想二元混合物 ,ＩＴＣＤＩＣ动态系统由6.5ｎ 1 0个独立方程 (ｅ)、 6.5ｎ 2 7个变量υ构成 ,系统的自由度为 ｆ =…     

简化外部热耦合双精馏塔的控制与优化

针对具有3个换热器结构的外部热耦合双精馏塔(S-EHIDDiC),提出了一种新型的控制与优化策略。顶部与底部换热器的热负荷能够改变高压精馏塔的回流量和低压精馏塔的上升汽量,因而可以用来控制高压精馏塔塔顶和低压精馏塔塔底的产品质量。这种控制方法与常规精馏塔的LV控制结构相似。S-EHIDDiC还有多余的决策变量(如进料分流比,高压精馏塔塔压和中间换热器的热负荷),可以对稳态操作进行优化。闭环仿真证明了这种控制结构的可行性,稳态优化也提高了系统的热力学效率。     

内部热耦合精馏塔的传热及优化

为研究同轴式内部热耦合精馏塔（HIDiC）在不同压缩比下的传热量和传热系数,以乙醇-水为分离物系,在自制中试装置中进行了实验研究。建立了同轴式HIDiC的传热模型即利用闪蒸罐代替塔板,计算进出闪蒸罐物流的焓值差,从而得到精馏段与提馏段板间换热量,并通过划分区域的方法计算了传热系数。以年度总费用（TAC）作为优化指标研究了实现外回流为零时所需的外部换热器的个数。结果表明：当压缩比为2.2时,塔间传热量最大,冷凝器和再沸器的负荷最低,且压缩比与传热系数的关系为负相关;随着精馏段与提馏段板间最小换热温差的增大,所需外部换热器个数不断减少,TAC呈现降低的趋势,当外部换热器个数为1,即热量耦合位置为精馏段第一块板与提馏段第一块板时,TAC最低。     

基于内部热耦合精馏塔非线性wave模型的高纯控制

首先建立内部热耦合精馏塔（ITCDIC）的非线性波动降阶模型,并将非线性波动理论（wave）应用到ITCDIC控制问题中,实现一般模型控制（GMC）方案.与传统控制方案相比,基于波动理论的一般模型控制（waveGMC）不再采用ITCDIC的近似线性模型,更好地解决了高纯控制过程中的非线性问题,通过对波形的速度和位置控制能够在短时间内使系统达到稳定.苯-甲苯物系的实例研究表明,ITCDIC波动模型在高纯控制过程中能够精确反映ITCDIC的动态特征,waveGMC控制方案较传统控制方案更加稳定可靠.     

内部热耦合精馏塔的初步设计(II) 控制分析和参数优化

Basedon the previous design model, degrees of freedom analysis and transient analysis arecarried out. A PID control model is proposed. The results show that ITCDIC is aself-regulating process, and could be operated smoothly with two PID controllers; thesteady state design could be disassociate with the dynamic design. An optimization modelof ITCDIC design parameters is derived, which can directly achieve the optimal designparameters providing the maximum energy savings and the product quality simultaneously.Benzene-toluene system is studied as an illustrative example.     

内部热耦合反应精馏塔内乙酸甲酯的合成研究

提出了一种应用内部热耦合反应精馏技术合成乙酸甲酯的新工艺流程,即采用内部热耦合反应精馏塔替代常规流程中的反应精馏塔。利用Aspen Plus模拟软件对新工艺流程及常规流程做了模拟分析,比较分析了2种工艺流程塔内气液相组成分布、塔内温度分布,并考察了压缩机压缩比对新工艺的影响。结果显示,新工艺流程比常规反应精馏流程节能44.51%,而且新工艺能大幅度地减少CO2排放量。     

内部热耦合反应精馏塔塔构型的研究

以乙酸甲酯水解为例,利用模拟软件Aspen Plus建立了内部热耦合反应精馏塔模型,研究了内部热耦合反应精馏塔各种可能塔构型的节能效果,并且在相同的产品要求和最小传热温差下对内部热耦合反应精馏塔各构型的能耗进行了对比。结果表明,塔构型对乙酸甲酯水解的内部热耦合反应精馏流程的操作性能有重要的影响,并且存在最佳构型。其最佳构型的特征为,反应段全部在内部热耦合反应精馏塔的精馏塔内且精馏塔与提馏塔中理论板均参与传热的塔构型。     

内部热耦合精馏塔的初步设计(I) 模型化和操作分析

引　言将热量从精馏段传到提馏段来实现节能是精馏过程节能的一种有效方法 ,即二次回流和蒸发[1](ＳＲＶ) .内部热耦合精馏塔 (ＩＴＣＤＩＣ)的热耦合机理仍是ＳＲＶ方法 ,但去掉了再沸器和冷凝器 ,具有较大的节能潜力 .它的研究只有近 1 0年的历史[2 ,3],目前 ,还没有见到详细的操作分析和设计优化的文献报道 ,只有一些较为相关的文献[4 ,5 ].本文对理想热耦合精馏塔进行了建模和操作分析 .1　模型化图 1是ＩＴＣＤＩＣ的示意图 .精馏段和提馏段被分为两个塔 .热耦合通过两段之间的热交换器来实现 .为了提供传热必须的推动力 ,精馏段将在较…     

基于有效能分析的复杂精馏塔优化设计

提出了以有效能消耗最小为目标的复杂精馏塔优化设计新方法。给出了精馏塔优化设计模型及最佳进料位置、适宜理论板数NT、塔内换热器简约的确定方法,并以两组分正庚烷和乙苯的混合物为例进行设计与讨论。优化后的精馏塔含有中间换热器,与传统的简单塔有本质的区别,平衡线和操作线均处于相对平均的位置,更节能。     

热集成变压精馏分离乙二胺-水共沸体系的模拟优化

针对乙二胺-水共沸物组成对压力较为敏感的特性,采用部分热集成变压精馏工艺分离该共沸物。先利用Aspen Plus软件对该工艺进行稳态模拟,再以理论塔板数、进料位置、回流比为优化变量,水和乙二胺的纯度为约束,以年度总费用（total annual cost,TAC）为目标函数建立乙二胺-水共沸体系分离系统的优化设计模型。采用列队竞争算法对该分离过程主要工艺参数进行优化,得到了变压精馏分离乙二胺-水体系的最佳工艺操作参数及设备参数。模拟结果表明,利用算法对多变量进行同时优化可得到更具经济效益的分离系统,与传统优化结果相比,可降低TAC约7.31%。在此基础上,对高压塔的操作压力进行优化分析,将其由2atm提升至4atm（1atm=101325Pa）,并对流程其他参数进行优化,可显著降低TAC约24.62%。进一步,采用部分热集成比普通变压双塔精馏降低TAC约21.87%     

内部能量集成精馏塔的模拟研究及其节能特性分析

针对苯-甲苯和丙烯-丙烷物系,模拟分析了压缩比、进料状态及换热量分布方式对理想内部能量集成精馏塔的操作特性、所需塔内换热面积及节能效果的影响。将模拟结果与传统精馏塔及热泵精馏塔进行比较,结果显示内部能量集成精馏塔的节能效果对于不同物系有较大差别。对苯-甲苯物系,热泵精馏塔的节能效果最好,节能百分率为40％。对丙烯-丙烷物系,理想内部能量集成精馏塔的节能优势明显,节能百分率在60％～80％。本文提出了内部能量集成精馏塔热温匹配的换热量分布方式。模拟结果表明,达到同样节能效果,采用热温匹配的换热量分布方式可以在压缩比较小时大幅度减小传热面积。采用热温匹配的换热量分布方式可以在压缩比较小时大幅度减小传热面积。     

基于能级总组合曲线的化工过程功-热公用工程设置

采用微分法计算能级,由此生成新的能级组合曲线,获得全流程的总能量目标。提出新的热-功集成图形方法--能级总组合曲线,在获得加热/冷却公用工程目标的同时得到系统所需功量目标,以及过程?损。以甲醇合成工艺为例,通过能级组合曲线和能级总组合曲线分析,获得功需求量为28 MW,冷公用工程用量为137 MW,减少能量消耗71.1%,并选择电能和循环冷却水作为甲醇工艺的公用工程。     

基于粒子群算法的隔离壁精馏塔的综合与设计

隔离壁精馏塔（dividing-wall distillation column,DWDC）是提高两个或者多个传统精馏塔热力学效率的有效手段。由于隔离壁精馏塔内部结构复杂、相互作用强,传统的序贯优化方法计算时间长,很难达到全局最优解。标准粒子群算法应用广泛、易于实现,但易于早熟、易于陷入局部极值点。因此,本工作采用改进的元胞粒子群算法对Kaibel隔离壁精馏塔进行综合与设计研究。元胞粒子群算法通过改进粒子的学习策略,采用元胞邻域的方法可有效地将粒子分散在多个子空间。对比标准粒子群优化和元胞粒子群优化两种方法的50次优化效果,结果表明,两种粒子群算法能够对内部结构复杂、相互作用强的四组分Kaibel隔离壁精馏塔这一复杂分离系统进行优化,优化效果显著。     

最小有效能损耗的多组分精馏流程优化设计

提出了以有效能损耗最小为目标、同时又考虑热集成的多组分复杂精馏塔序列优化设计新策略。该复杂精馏塔模型:1股进料、2股出料,每块理论板上均可有中间冷凝器或再沸器。复杂精馏过程的设计步骤是:①根据过程有效能最小确定优化塔序列;②对每个塔优化设计出含中间换热器的复杂塔;③考虑多效且允许热集成的复杂精馏流程,以塔压为决策变量,以精馏过程有效能损耗最小为目标,建立并优化设计出一个热集成的复杂精馏流程。一个3组分精馏过程的例子表明所提策略简单有效,可用来指导多组分精馏过程的优化设计。     

Temperature–enthalpy curve for energy targeting of distillation columns

The temperature–enthalpy (T–H) diagram of a distillation column at practical near-minimum thermodynamic condition (PNMTC) or the column grand composite curve (CGCC) is a useful representation for energy targeting studies and may be generated from a converged simulation of a base-case column design. The calculation procedure for the CGCC involves determination of the net enthalpy deficit at each stage by generating envelopes from either the condenser end (top-down approach) or the reboiler end (bottom-up approach). However, the values calculated by the two approaches differ for stages with feeds because existing procedures for CGCC generation do not consider the enthalpy balances at the feed stages. In fact, the net enthalpy deficits at feed stages calculated by both approaches are erroneous even for the simplest case of binary distillation. A feed stage correction (FSC) that rigorously considers the mass and enthalpy balance equations at feed stages is proposed in this work to resolve the discrepancy. Instead of assuming that the compositions obtained from the converged simulation for a feed stage will remain unchanged at PNMTC, the pinched compositions for the feed are determined by the intersection of the equilibrium curve and the feed q-line. Rather than perform an additional flash calculation to establish the pinched feed compositions, a quadratic approximation is developed here for column targeting purposes by assuming the relative volatility obtained from the simulation to remain constant in the neighborhood of the feed stage. The proposed FSC ensures that the CGCC is identical whether the calculations are performed by the top-down approach or the bottom-up approach. The effect of the FSC on the targets for energy conservation by reflux modification, feed conditioning, and introduction of side reboilers/condensers is discussed. As the energy target for reflux modification is determined by the CGCC pinch which typically occurs at or close to the feed location, the significance of the FSC on the reflux modification target is highlighted through several case studies including a complex column featuring multiple feeds and consequently multiple pinch points. The CGCCs for these case studies are generated by a computer program based on the FSC and a single analytical equation for the calculation of the net enthalpy deficits that allows every stage to have a feed, liquid product, vapor product, and side exchanger. The studies show that the reflux modification targets may be erroneous in many cases, if the FSC is ignored.     

基于简约空间序列二次规划算法和混合求导方法的精馏塔操作优化

以开放式方程建立精馏塔严格机理模型,对精馏塔的操作优化进行了研究.根据精馏塔操作优化命题自由度低、模型结构稀疏且导数难以解析求解的特点,提出了基于简约空间序列二次规划算法（SQP）和混合求导方法相结合的精馏塔操作优化计算方法.在该方法中优化命题采用简约空间SQP算法求解,求解过程中需要的导数信息采用解析表达和预处理的自动微分技术求取.计算结果表明,本文方法在计算效率上大大高于基于差分求导的标准SQP算法,有利于在线实时优化的实施.另外本文优化结果也表明,精馏塔操作优化对提高产品产量、提高综合经济效益具有明显作用.     

一种通用的反应蒸馏塔综合与设计方法

反应精馏是反应过程和分离过程耦合为一体的单元操作,已成为当今研究的重要领域。然而,到目前为止并没有一套通用简便的方法去指导反应精馏过程的综合与设计,严重限制了它的广泛应用。本文在过程强化原理的基础上提出了一种反应蒸馏塔通用的综合与设计方法,并利用2种反应蒸馏系统来评价所提出的设计策略。结果表明,该综合设计方法可以简便高效地搜索出反应蒸馏塔的最优结构,适用于不同类型的反应蒸馏塔的综合与设计。