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。     

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。     

热集成变压精馏分离异丙醇-异丙醚混合物的动态控制

在稳态模拟的基础上,对热集成变压精馏流程的动态控制性能进行了研究与分析。根据流程特点建立了合理的控制方案,用Aspen Dynamics软件对控制方案行了模拟。模拟结果表明,通过3个温度控制回路(用高压塔回流股物料中换热器的热负荷控制回流股的温度;用高压塔再沸器热负荷控制低压塔第16块板的温度;采用压力补偿温度控制结构,用高压塔塔顶回流比控制高压塔第24块板温度)可较好地控制热集成变压精馏流程,该控制结构动态可控性强,各指标均能在干扰施加后较短时间内达到稳定,对各项干扰的稳定性能良好。     

苯乙烯装置塔系热集成

精馏作为过程工业中最重要和最常用的分离手段, 是耗能最大的单元操作。精馏塔一般从再沸器输入热量, 从冷凝器取走热量, 利用某些塔高温位的冷凝热加热其他塔的再沸器, 并将单塔节能技术与过程集成相结合, 实现塔系的热集成, 可充分挖掘系统内部的节能潜力, 达到减少公用工程消耗的目的。本文通过对某化工厂的苯乙烯装置精馏塔系的分析, 通过各个塔的温焓图之间的关系, 提出了精馏塔系内部热集成的措施, 包括直接热集成、调压热集成和双效精馏与间接热集成耦合等3种方案。对于后两个热集成方案, 采用Aspen Plus模拟改造后精馏塔的变化并验证了方案的可行性。结果表明, 苯乙烯装置采用该热集成措施能明显节省高品位蒸汽的消耗, 降低能量费用。     

变压精馏分离乙酸甲酯和甲醇共沸物

乙酸甲酯和甲醇共沸物对压力变化敏感,因此采用变压精馏工艺对共沸物进行高效分离。低压塔和高压塔压力分别设置为101.325 kPa和810.600 kPa。基于相图分析,确定了精馏序列和工艺流程。以年度总费用(TAC)最小为原则,优化了进料位置、回流比、塔板数等设计变量,确定了最佳工艺参数。工艺优化完成后,通过调节双塔的回流比,对高压塔的冷凝器和低压塔的再沸器进行了完全热集成。由结果可知:在低压塔回流比为0.9,高压塔回流比为2.07时,完全热集成变压精馏工艺的TAC最小。相比无热集成的变压精馏工艺,完全热集成工艺的设备投资和能耗费用均明显降低,最终TAC费用节约31.40%,在经济上更合理,也为类似的共沸物分离工艺提供了一定的技术参考。     

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（火用）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（火用）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。     

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。     

热集成变压精馏分离吡啶-水的工艺模拟与优化

基于吡啶-水体系的共沸组成对压力变化敏感,提出了热集成变压精馏的新工艺。新工艺采用冷凝器-再沸器式热集成,利用高压塔塔顶蒸汽加热低压塔再沸器,以节省能耗和操作费用。选择NRTL活度方程为物性计算模型,使用Aspen Plus软件对该工艺流程进行严格稳态模拟。为了获得经济最优的工艺条件,提出了局部经济优化和全局经济优化相结合的优化方案,并建立了优化迭代流程。优化结果显示:当低压塔和高压塔的操作压力分别为16 kPa和1 200 kPa,总理论板数分别为12和14,新鲜原料和循环物流分别从低压塔第9块板和从第6块板进料,高压塔的物流进料位置为第8块板,高压塔质量回流比为0.59时,年度总费用(TAC)最小。与常规的变压精馏工艺相比,热集成变压精馏工艺更加节能经济,可以节约能耗43.52%,节省年度总费用40.70%。     

苯-甲苯分离节能新工艺

针对现苯-甲苯塔热集成工艺的不足,提出了苯-甲苯分离的双效热集成节能新工艺。采用化工模拟软件Aspen one V7.2,选取Peng-Robinson热力学模型,分别对苯-甲苯分离的传统精馏流程、苯-甲苯塔热集成精馏流程及苯-甲苯塔双效热集成精馏流程进行了模拟计算和分析。结果表明,在产品质量和收率相同的条件下,采用双效热集成精馏新工艺和现工业装置苯-甲苯热集成精馏工艺相比,其总加热量降低了13.4 MW,节能率40.22%,节能效果显著;所增加的甲苯塔第一效精馏塔操作真空度不高,塔顶蒸汽可采用空冷器冷却,其余设备和现有苯-甲苯塔热集成精馏工艺相同,装置改造投资少,容易推广实施。     

带有内部热集成的多储罐间歇精馏全回流操作

鉴于间歇精馏热力学效率低的缺点,提出带有内部热集成的多储罐间歇精馏全回流操作(IHIMVBD)分离二元混合物的新型操作方式。在该操作中,多储罐间歇精馏塔被同轴的夹套式再沸器环绕,利用安装在再沸蒸汽管线上的压缩机使精馏塔的操作压力高于夹套式再沸器,使热量通过精馏塔壁面从高压的精馏塔传向低压的再沸器,实现热量的内部集成。为了进一步提高热力学效率和经济效益,将塔顶蒸汽再压缩技术应用于IHIMVBD,构成强化的内部热集成多储罐间歇精馏全回流操作(Int-IHIMVBD)。该操作能额外利用被压缩的塔顶蒸汽的潜热供给塔釜料液再沸,实现塔顶蒸汽与塔釜料液的热集成。通过模拟分离乙醇-正丙醇的实例表明,相比MVBD和IHIMVBD,Int-IHIMVBD能显著提高分离过程的热力学效率和经济效益。     

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。     

Energy saving and thermodynamic efficiency of a double-effect distillation column using internal heat integration

The existing internally heat-integrated distillation column with the problem of utilizing a compressor is modified to propose a new heat-integrated distillation column without the compressor. Two identical columns of a conventional binary distillation are implemented to the heat integration. The energy used in the reboiler is recovered by the internal heat integration between the stripping section of one of the columns at lower pressure and the rectifying section of the other higher pressure column. The heat integration is similar to double-effect distillation, but internal heat integration requires less pressure elevation. The performance of energy saving and thermal efficiency improvement of the proposed system is evaluated with the two examples of the benzene-toluene and methanol-ethanol processes. The performance comparison indicates that the proposed system requires 17.4% less of reboiler duty for the benzene-toluene process and 15.8% less of heating duty for the methanol-ethanol process. The thermal efficiencies are 16.3% and 23.8% for the benzene-toluene and methanol-ethanol processes, respectively. Elimination of the compressor makes the column operation easy and the separate reboilers and condensers for the two columns in the proposed system provide flexible control, when the controllability of the proposed system is compared with that of the existing internally heat-integrated distillation column.     

外部热耦合复合精馏塔的经济性与可控性评价

外部热耦合复合精馏塔系统是一种新型的精馏塔系统,通过操作在不同压力下的两个精馏塔的精馏段和提馏段之间的热传递来提高热力学效率。根据精馏段和提馏段热耦合的相对位置不同,外部热耦合复合精馏塔系统可分为对称型和非对称型两种结构。为便于设计和实现,可用外部换热器替代外部热耦合得到简化的结构。本文以乙烯乙烷物系分离过程为对象,通过对外部热耦合复合精馏塔系统建立了静动态模型,采用四点控制的方法,对三种结构的外部热耦合复合精馏塔的经济性和可控性两方面做了分析,证明了非对称型优于对称型外部热耦合复合精馏塔。同时,对使用外部换热器简化外部热耦合结构的方法提供了理论依据和参考。     

一种外部热耦合反应蒸馏系统的模拟研究

根据常规反应蒸馏塔的热力学特性提出并研究了一种外部热耦合反应蒸馏系统（EHIRDS）。EHIRDS由一个高压的反应塔和一个低压的分离塔组成,且前者的精馏段与后者的提馏段进行热交换。引入四元理想放热反应体系A + B ? C + D,并以年总费用（TAC）最小为目标函数,对EHIRDS进行了研究,发现EHIRDS能够降低操作费用。采用三个换热器简化EHIRDS的设计（即S-EHIRDS）还可以进一步降低设备投资和操作费用。这些仿真结果初步确认了EHIRDS相比于常规设计具有更高的优越性。     

Approximate design and cost evaluation of internally heat-integrated distillation columns (HIDiCs)

Commercial design programs do not provide a ready-to-use process simulation of tray-by-tray heat-integrated distillation columns, so the computation of the columns using the programs is difficult due to their convergence problem. An approximate procedure for the design of the internally heat-integrated distillation column (HIDiC) is proposed here, and its performance of the design and cost evaluation is demonstrated with two example processes. The approximate design procedure eliminates the artificial heat exchangers and in-tray streams required in the design with the commercial programs, and therefore no information of the exchangers and streams is necessary except the amount of the in-tray heat transfer rate. The economic evaluation indicates that a reduction of the total annual cost of 8.1% is possible with benzene-toluene process and that 59.3% is yielded with the propylene-propane process. The results also demonstrate that the HIDiC is especially efficient for the tight separation system.     

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。     

带多个中间贮罐的新型分批精馏塔的研究

多罐分批精馏塔由多个分批精馏塔依次连接而成，它只在第一个塔的塔釜加热，在最后一个塔的塔顶设冷凝器。采用恒摩尔持液模型对多贮罐的新型分批精馏塔的研究结果表明：多罐分批精馏塔具有可同时获得多个高纯度产品、无过渡馏分、产率高、操作简单及节能的特点。对多罐分批精馏塔和常规分批精馏塔进行出较的结果显示：采用多罐分批精馏塔分离产品可获得的年利润远高于采用常规分批精馏塔。