内部热耦合精馏塔的操作性能与模拟

对同轴式内部热耦合精馏塔的操作性能和节能效果进行了研究,考察了全回流操作条件下,压缩比对回流量、冷凝器负荷和再沸器负荷的影响。结果表明,随着压缩比的增大,回流量、冷凝器负荷和再沸器负荷均降低。通过实验数据计算得到了该塔的理论板数和两塔间的传热量,精馏段为9块理论板,提馏段为4块理论板,当压缩比为2.2:1时,两塔间传热量为9.98kW。连续操作条件下,对内部热耦合精馏塔的节能效果进行了分析,通过与常规精馏塔的比较,内部热耦合精馏塔可节约52.3%的冷量,输入的再沸器和压缩机总负荷可节约20.34%。另外,基于实验数据,对该内部热耦合精馏塔进行了动态模拟,经连续操作下的实验验证,该内部热耦合精馏塔可在2h后达到稳定操作。     

同轴式内部热耦合精馏塔的传热性能

提出了一种以实验物系的物性数据为基础的计算同轴式内部热耦合精馏塔（HIDiC）总传热系数的方法。本文以乙醇-水为实验物系,以自行搭建的中试规模同轴式HIDiC为研究对象,通过在不同压缩比下（1.4~2.6,步长为0.1）的连续操作实验研究,得到塔内的温度分布,通过计算两塔段的相变给热系数来计算该塔的总传热系数和精馏塔段与提馏塔段间的换热量。在同轴式HIDiC中乙醇-水实验物系总传热系数的计算值在300~800W/(m²·K),并且随着压缩比的增大而逐渐降低。在操作条件和产品纯度与实验值保持一致的情况下,将精馏塔段与提馏塔段间换热量的计算值带入软件中模拟,得到的全塔温度分布与实验中的温度分布在误差范围内吻合良好,证明本文计算同轴式HIDiC总传热系数的方法切实有效。     

外部热耦合技术在BTX分离中的应用

外部热耦合式复合精馏塔将热量从高压塔的精馏段传向低压塔的提馏段,降低了分离操作的不可逆性,从而提高系统的热力学效率,降低系统所需的能耗。目前国内苯/甲苯/二甲苯（BTX）的分离技术仍然与国外先进水平相差很远,主要表现在系统的能耗高、工艺落后等方面。本文将外部热耦合技术应用到苯/甲苯/二甲苯的分离过程中,并用M athem atica软件对系统的设备投资和操作费用进行了仿真计算。结果表明,使用外部热耦合结构,系统节能幅度可达到37.94%,年度总费用降低达18.84%。     

内部热耦合空分塔的节能优化分析

内部热耦合精馏是迄今为止所提出的节能效果最好,而唯一没有商业化的节能技术。将内部热耦合技术用于空分塔,可以带来良好的节能效果。根据低温空气分离过程以及三组分精馏的特点,提出了一种新的内部热耦合空分精馏塔优化模型。在优化模型基础上,对热耦合塔进行了深入的节能优化与分析,并且与常规空分仿真结果进行了比较分析,压缩机能耗下降20.75%,产值增加17.46%,单位产值能耗下降32.53%。内部热耦合空分塔的提取率以及能耗均优于常规热耦合空分塔,节能效果显著。     

节能型新结构塔板的研究与开发(Ⅰ)板式塔非平衡热力学用能分析

通过非平衡热力学节能原理,建立了板式塔精馏的熵增速率数学模型.该模型不仅能够用于不同操作工艺下的塔板用能计算,而且更重要的是能够对不同塔板结构参数和不同液相流型情况引起的熵增大小进行评估.因此,该模型可以用于指导节能新结构塔板的开发与设计.通过本研究,对节能型塔板必须具备的基本结构提出了建议.     

油页岩热解煤气粗苯精制的分离序列研究

为提高从油页岩热解煤气中回收的粗苯产品的经济效益,研究了对回收的粗苯进行精制的分离序列,模拟常规精馏序列和热耦合精馏序列分离粗苯的过程并计算其能耗和热力学效率.结果表明,在轻组分含量较高的粗苯精制分离序列中,完全热耦合精馏序列仍然具有较好的节能效果.其能耗比常规精馏序列中能耗最小的直接分离序列节能约35％,热力学效应也由7.4％提高到11.6％.     

内部热耦合-上置隔壁塔的设计与优化

为了提高化工分离过程的节能效果、扩展内部热耦合精馏塔以及隔壁塔的运用，提出了内部热耦合-上置隔壁塔(ITC-TDWC)的新结构。以甲醇-乙醇-正丙醇三元混合物系作为研究对象，选用进料比例为0.5、0.25、0.25,以上置隔壁塔(TDWC)的结构为基础并结合发展内部热耦合(ITC)来设计ITC-TDWC的最优化结构。在最终确定ITC-TDWC的最优结构后，将该结构的回收年限、能耗等数据与TDWC进行了对比分析，结果表明，ITC-TDWC在达到三元混合物分离要求的同时，回收年限会略有增加，但节能效果显著，比TDWC的分离过程节能约30%。     

隔壁塔分离乙醇-正丙醇-正丁醇体系

以乙醇-正丙醇-正丁醇为分离体系,研究回流比、气液分配比等操作参数对隔壁塔分离效果的影响。将常规双塔精馏序列转化为隔壁精馏序列并保证各操作参数的最优值,利用Aspen Plus模拟软件对乙醇-正丙醇-正丁醇三组元的常规精馏序列和隔壁塔精馏序列进行模拟分析,探究隔壁精馏工艺最佳操作区域及节能效果,模拟结果表明,在满足分离要求下,气液分配比存在一个相互关联关系,使隔壁塔精馏序列存在一个再沸器热负荷最小的最佳操作区域。与常规精馏序列相比,完成相同的分离任务,隔壁塔精馏序列再沸器节能6 954.368 k W,冷凝器热负荷减少2 934.291 k W。结果表明,隔壁塔精馏序列不但提高了热力学效率、降低了能耗,并且大幅降低设备投资。     

面向精馏控制的能耗数据监测

在“双碳”目标背景下，寻求面向工业数据的精确监控，并实现精馏过程节能操作十分重要。本工作针对精馏过程塔顶、塔釜存在热耦合的情况，提出了统计过程控制(Statistical Process Control, SPC)和工程过程控制(Engineering Process Control,EPC)相结合的精馏过程监控策略，并以苯塔精馏的解耦控制为案例，探讨系统引入阶跃、斜坡扰动时，联合EPC与SPC对该过程控制/操作变量的均值漂移工况进行分析。仿真结果显示，针对塔顶回流阀坏导致回流量斜坡上升的情况，发现EPC在较长时间内能维持塔顶、塔釜温度稳定，但是SPC识别出塔顶、塔釜能耗均可能上升的情况。因此，精馏过程在传统EPC控制下，增加SPC可有效预报出精馏控制冷、热能耗均同时、同向漂移的情况，为提前判断并避免非必要能耗提供监测及诊断依据。     

差压热耦合蒸馏节能技术

开发了一种广泛适用于蒸馏分离过程的新型差压热耦合蒸馏技术,该技术将精馏塔分割为两个压力不同的塔,利用高压塔顶蒸汽作为低压塔底的热源,实现热能的耦合匹配,达到蒸馏过程大幅度节能的目的。利用计算机模拟方法对该技术应用在丙烯-丙烷分离和混合C4分离过程中的节能效果进行了计算和分析,结果表明与现有常规蒸馏过程相比,差压热耦合低能耗蒸馏过程能耗可以分别降低92.3%和87.1%,节能效果显著。     

Energy saving in a crude distillation unit with a divided wall column

An energy-efficient crude distillation unit (CDU) with a divided wall column was introduced to evaluate its performance compared to the conventional CDU. The large energy demand of the CDU in the United States—equivalent to more than a half of biofuel produced—was reduced by applying a divided wall column to the unit also known as the energy-efficient distillation column. The divided wall column lowers mixing at feed tray and raises the thermodynamic efficiency of the CDU. The performance evaluation of the proposed unit indicates that the unit saves 37% of heat supply over the conventional unit and cooling by 17%. The economic analysis shows a 9% of investment saving and a 26% decrease in the utility cost from the proposed unit. The thermodynamic efficiency of the proposed CDU is improved by 8%. The modification of conventional CDU was minimal, suggesting an easy revamping of the current conventional CDUs.     

环丁砜萃取精馏过程模拟分析及工艺参数优化

以环丁砜-烃类相平衡数据和NRTL-RK热力学方法为基础，对环丁砜萃取精馏过程进行了全流程模拟和工艺操作参数优化。综合考虑各个操作变量及其关联，提出了基于局部耦合参数迭代优化的整体协同优化的策略。通过文献数据回归和Aspen Plus物性估算系统相结合，补充修正了缺失的模型参数，并以此模拟分析了各关键操作参数对环丁砜萃取精馏过程能耗和分离效果的影响。结果表明：当萃取精馏塔操作压力为0.17 MPa，溶剂回收塔操作压力为0.05 MPa时，贫溶剂最佳温度为100℃，原料饱和气相进料的最佳进料位置为第50块塔板；溶剂回收塔最佳回流比为0.33；最佳进料位置为第6块塔板，汽提水量为2853 kg·h^-1。优化后，装置最小热公用工程由1.158 GJ·t^-1下降至0.802 GJ·t^-1，节能效果显著。     

Kaibel隔壁塔用于四组分精馏的模拟优化和实验研究

隔壁精馏塔由于其特殊的结构可在单塔内实现多组分高纯度分离的目的。本文针对Kaibel隔壁精馏塔（KDWC）分离四组分混合物的节能工艺进行了模拟优化和实验研究。以甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇（MEPB）为例,通过热力学分析建立了稳态模拟的“四塔模型”,并以塔内温度分布为依据对模型准确性进行了实验验证。提出了一种基于再沸器能耗的优化流程,以再沸器最小能耗为目标函数,对KDWC的液相分配比（RL）及整体结构进行了优化。分析了KDWC的节能原理并考察了中间组分含量对KDWC节能效果的影响。对比了KDWC与常规传统三塔序列的能耗并对二者的热力学效率进行了计算。结果表明：温度分布的模拟值与实验值趋于一致,且液相分配比（RL）是塔的重要操作参数;KDWC结构相比于传统三塔序列节能的重要原因是有效降低了中间组分（乙醇和正丙醇）的返混程度,且随着中间组分含量的增加KDWC节能效果越来越明显;当中间组分摩尔分数为80%时,KDWC可节能35.65%,可提高热力学效率26.11%。通过本文研究,为隔壁塔用于四组分精馏提供了基础实验数据并为其节能优化提供了理论指导。     

分隔壁萃取精馏塔分离醋酸水溶液的模拟

提出了一种新的单塔萃取精馏精制醋酸水溶液的新工艺,该工艺采用分隔壁萃取精馏塔(DWC-E)替代常规萃取精馏流程的萃取精馏塔及溶剂回收塔,不仅节省了设备投资,而且降低了总能耗。利用Aspen Plus模拟软件,对DWC-E塔及常规萃取流程进行了模拟。DWC-E塔的操作条件:塔板数40块,侧线精馏段的板数10块,回流比2,溶剂摩尔比2.5,在此条件下,比较了常规萃取精馏流程与分隔壁精馏塔内温度、液相组成及汽液相流量的变化。结果表明,DWC-E塔比常规的2塔萃取精馏流程节能23.91%。     

内部热耦合精馏塔构型研究

以丙烯-丙烷分离过程为例,研究了4种内部热耦合精馏塔的性能,并与常规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之间性能差异很大,其中提馏段与精馏段上端对齐,逐板进行热交换的构型性能最佳,其有效能耗比热泵精馏塔低25%—40%,节能效果显著。还探讨了内部热耦合精馏塔的压缩比与换热面积的关系,压缩比越小,换热面积越大,换热面积的逐板分布越不均匀。     

二苯基甲烷二异氰酸酯精馏过程节能工艺研究

为了开发二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)分离的节能流程,采用热平衡法和有效能分析法,对MDI精馏过程进行节能研究,从单个换热过程到整个系统分3个步骤进行改进。首先改变脱光气塔和减压脱溶剂塔的用能品位,节省高品位热源;然后通过回收各个子系统的冷凝热和冷却热,实现单元内部的能量再利用;最后通过常压脱溶剂塔与脱光气塔的热量集成,使得能耗进一步降低。通过以上3个过程的节能改进,得到的工艺流程同原工艺相比节能30%以上。给出的节能方法适用于MDI分离过程,也可应用于类似的宽沸程物系的分离过程。     

Steady-state design of thermally coupled reactive distillation process for the synthesis of diphenyl carbonate

Diphenyl carbonate, a precursor in the production of polycarbonate, is traditionally synthesized by the transesterification reaction of dimethyl carbonate and phenol. In this study, phenyl acetate was used instead of phenol to react with dimethyl carbonate and yield diphenyl carbonate, due to its higher reaction conversion and the absence of side reactions and azeotropes. A plant-wide process with a reactive distillation (RD) column and a separation column was optimized by minimizing the total annual cost. The performance of the thermal coupling between these two columns was also investigated. RD with thermal coupling was demonstrated to provide better energy efficiency than conventional RD. The remixing phenomenon associated with thermodynamic inefficiency in conventional distillation sequences could be greatly reduced by implementing thermal coupling between columns. Reactant concentrations that were closer to stoichiometric balance in the reaction zone were given for the thermally coupled RD column.     

单效蒸发机械压汽海水淡化系统热力性能分析

机械压汽蒸馏海水淡化是唯一消耗机械能的热蒸馏海水淡化方式。文中以单效蒸发机械压汽(SEE-MVC)系统为研究对象,建立了数学模型,分析了重要参数对热力性能的影响,结果表明:压缩机增压比越低、定熵效率越高、蒸发温度越低,则产水比功耗越低、系统回收率越高;综合考虑各种因素,系统蒸发温度在55—70℃、增压比在1.2—1.3为宜。文中还给出了典型条件下对应最小比功耗的系统参数,并讨论了参数特点,可供设计时参考。     

Economic evaluation of energy saving alternatives in extractive distillation process

Until now, there has not been consensus about the superiority of thermally coupled sequence over the conventional sequence in the extractive distillation process. In this sense, the main goal of this paper is to analyze three approaches for saving energy in the extractive distillation process: optimization, thermal integration and thermal coupling. Three azeotropic mixtures were investigated: ethanol and water (M1); tetrahydrofuran and water (M2); and acetone and methanol (M3). The solvents were ethylene glycol for M1 and M2, and water for M3. The results are shown in terms of the total annual cost (TAC) and specific energy consumption (SEC), and revealed that a thermally coupled extractive distillation sequence with a side rectifier did not always present the best results. Taking the case studies from literature as a starting point (without thermal integration), the optimization procedure used in this work found that TACs are always lower. The inclusion of thermal integration in configurations led to reducing TAC for all mixtures under investigation when compared to the sequences without this integration. When comparing two modifications in the layout of extractive distillation, it can be seen that it is more advantageous to use the preheating of the azeotropic feed with the recycle stream from the recovery column of the conventional sequence than using a thermally coupled sequence.