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。     

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。     

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。     

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。     

气液分开进料内部热耦合精馏塔的优化设计

以近沸程的正丁醇和异丁醇为模拟物系,对内部热耦合精馏塔(HIDiC)的进料方式进行改进。在固定压缩比(R_p=3)和产品摩尔分数(0.998)下,分别对常规进料的HIDiC和气液分开进料的HIDiC在不同气相分率、进料位置下的总操作费用进行计算,结果表明分开进料时的总操作费用最小,节能效果最好。证明了气液分开进料的HIDiC节能潜力优于常规进料的HIDiC,并对分开进料的HIDiC的控制方案进行研究,通过模拟优化,选用改进的温度组成串级控制方案,较之前的温度组成串级控制方案进一步降低了塔釜产品的稳定时间,达到了产品纯度和温度平稳恢复的最佳控制效果。     

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。     

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。     

聚酯增容改造中工艺塔的模拟计算

建立工艺塔的数学模型 ,并且应用改进的三对角矩阵法对其进行了模拟计算。计算结果表明 ,对于水和乙二醇这种相对挥发度较大、易分离物系 ,精馏塔无需提馏段 ,而且精馏段理论塔板数仅为 4块 ,就能满足水和乙二醇的分离要求     

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。     

A review of internally heat integrated distillation column

The energy consumption of distillation operation determines the amount of energy consumption throughout the chemical separation process. A heat integrated distillation column(HIDiC) could greatly reduce the irreversibility of the distillation process, so it gradually becomes a research hotspot. There are two major techniques for heat integration in HIDiC: internally and externally. This review paper describes the major research aspects of an internally heat integrated distillation column(IHIDiC), including the heat transfer models, various design structures(including the two-column HIDiC, Concentric HIDiC, Shell and tube HIDiC, Plate-fin HIDiC and the Super HIDiC, etc.), experimental research, simulation and optimization, process control research, as well as industrial plants and potential industrial applications. Among them, the heat transfer performance of various structures was analyzed of the various design structures based on experimental research, the effects of different factors(including relative volatility, reflux ratio, compression ratio, etc.) on HIDiC energy consumption or TAC is summarized in the simulation part. The calculation methods of the overall heat transfer coefficient and heat transfer models are summarized. The various optimization algorithms and optimization results of simplified HIDiC are summarized in the optimization part. The research status and the key technical issues in various aspects of HIDiC are summarized in this paper. In order to meet the requirements of industrial energy efficiency,the selection of multi-component separation distillation configurations needs to be considered more diversified,and internal complex coupling relationship of HIDiC needs to be further studied.     

微小菱形离散肋通道中R134a的冷凝换热实验研究

建立了采用空气射流冲击冷却方法的冷凝换热实验系统,对R134a在铝质微小菱形离散肋通道中的冷凝换热特性进行了实验研究。实验工况范围为制冷剂干度0~1、饱和压力0.50~1.50 MPa、制冷剂质量流率160~380 kg/(m²·s)、热通量10.1~59.8 kW/m²。实验获得了不同工况下的通道局部冷凝传热系数,分析了干度、饱和压力、质量流率以及热通量对冷凝换热的影响规律。实验结果表明：局部冷凝传热系数随干度、质量流率和局部热通量的减小而减小,随饱和压力的降低而增大,其中在干度x>0.4的区域内质量流率对于冷凝传热系数的影响效果更为明显。基于实验数据,提出了一个适用于本实验中微小菱形离散肋通道的冷凝换热计算公式。     

CuO-水纳米流体多孔球层池沸腾传热特性

对CuO-水纳米流体在6mm多孔球层内进行池沸腾实验研究。实验使用了40nm的CuO纳米颗粒,加以不同浓度的十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为表面活性剂,配成多种不同配比关系的纳米流体。实验结果表明,当表面活性剂浓度与纳米颗粒浓度在0.01%~0.03%（质量分数,下同）之间变化时,两者浓度相近的纳米流体稳定性较好,沸腾传热效果高。其中表面活性剂浓度略高于CuO浓度时,传热效果较好,在SDBS浓度为0.03%、CuO浓度为0.02%时达到最大,为41670W/(m²·K);而纳米颗粒浓度增大时,根据其对纳米流体的稳定性和沉降效应的影响,在不同程度上可增强或削弱沸腾传热。同时对纳米流体的池沸腾进行可视化研究,利用气泡脱离特性对实验结果作了诠释。所得结果可为纳米流体在多孔球层的池沸腾传热特性研究提供有益的研究数据。     

扰流板太阳能空气集热器的流道优化

通过改变常规的蛇形流道的扰流板式太阳能空气集热器的扰流板布置，开发出一种涡旋形流道太阳能空气集热器，并对其进行实验与模拟研究。研究发现在平均太阳辐照度819.7W/m²、温度7.33℃、流量0.025kg/s的条件下，涡旋形太阳能空气集热器的集热效率可达59.14%，比蛇形太阳能空气集热器高2.18%；而其压力损失仅为蛇形太阳能空气集热器的37.26%，且随着流量的增加，压损降低更加明显；同时得到在出口温度为30～90℃范围内，涡旋形太阳能空气集热器的热损系数在4.6～5.6W/(m²·K)之间，热迁移因子在0.64～0.72之间，二者的平均值各自较蛇形太阳能空气集热器高0.06W/(m²·K)与0.019。与蛇形太阳能空气集热器相比，涡旋形的太阳能空气集热器增加了太阳能空气集热器的集热效率，同时大幅降低压力损失。     

基于真空镀膜技术的薄膜热传感器实验

采用真空蒸发镀膜技术设计制作了以云母为基片的薄膜热传感器,传感器包括一个用于热流测量的热电堆和一个用于温度测量的热电偶。综合测试发现：云母基片薄膜热传感器性能良好。封装后,薄膜热电偶的静态标定拟合直线相关系数均可以达到0.999。薄膜热流计的静态标定拟合直线的相关系数为0.99439,测头系数为8.78886 W/(m²?μV),灵敏度为0.11378 μV/(W/m²)。薄膜热电偶的动态响应时间是0.446 s且具有良好的复现性。随着加载热流的增大,薄膜热流计的动态响应时间变大,阶跃热流值为600 W/m²时响应时间为0.483 s。     

两种波纹深度板片传热及阻力特性的对比实验研究

通过实验的方式和对比的方法对两种不同波纹深度板片组成的可拆板式换热器的传热及阻力特性进行研究,每种深度板片组成的板式换热器采用硬板63°/63°、软板29°/29°和混合板63°/29°三种波纹角度组合,此实验采用水/水换热,设置了两种工况,一种是冷热两侧等流速,另一种是固定热侧流速,计算两种工况下传热系数和压降的数值,描绘出对应的曲线。实验证明相同波纹夹角板片组合,该浅密波纹板片的传热系数均高于普通波纹板片,平均高于140 W/(m²·K),即传热系数平均提高1.9%,在混合板中两者传热系数的差别在300 W/(m²·K)以上,提高达4.8%,阻力的变化趋势与传热系数相同。推导出每组设备适用于一定Reynolds数范围的Nusselt数方程和摩擦系数方程,与已有研究成果对比分析,证明了该实验的正确性,同时也揭示这两种波纹板片的传热和阻力性能有优化的余地,为进一步的研究指明了方向。该实验也表明,除深度外的几何尺寸和结构均相同的两种波纹板片,虽然外形接近,但对应的Nusselt数和摩擦系数关系式却不相同,而且差别很大。     

强制对流传热的换热表面结垢特性实验研究

An experimental study was conducted to investigate the fouling process of calcium carbonate on the heat transfer surface, during forced convective heat transfer. The dynamic monitoring apparatus of fouling resistance was set up for the present experiments. The fouling behavio（s were examined under different factors including fluid velocity, hardness,alkalinity, solution temperature, and wall temperature. Asymptotic fouling curves varying with time were obtained. The fouling rate and asymptotic fouling resistance increased and the induction periods were shortened with the fluid velocity decreasing, hardness andalkalinity increasing, and solution temperature and heat transfer surface temperature increasing. Thecomponents of fouling that formed on the heat transfer surface included crystallization fouling and particulate fouling. The thermal performance parameter of fouling,ρfhf, varied from 380 to 2600 kg·W·（m^4·K）^-1, increasing with growing velocity and decreasing solution temperature, hardness or alkalinity. Furthermore, the thermal conductivity of fouling, λf, varied from 1.7 to 2.2 W·（m·K）^-1 .     

非均匀受热条件下螺旋管内流动沸腾换热特性

目前对螺旋管在其管外表面均匀受热,管内两相流动换热的研究已十分丰富;但是在其管外表面非均匀受热条件下,管内两相流动沸腾换热特性的研究鲜有报道。为了解决螺旋管在实际运用中遇到的非均匀受热问题、得到其换热特性,本文采用了实验的方法研究了卧式螺旋管周向非均匀受热条件下管内流动沸腾换热特性。其中实验工况范围为系统压力P=0.7~1.0MPa,质量流速G=181~364kg/(m²·s),质量干度χ=0.07~0.69。实验考察了螺旋管管外壁在两种非均匀受热条件下管内的两相流动沸腾换热系数与热流密度、质量流速、质量干度的关系,并与管周向均匀受热工况进行了比较。结果表明,在螺旋管外壁面“外半周绝热、内半周受热”情况下管内流动沸腾换热系数值最大,而管外壁面“内半周绝热、外半周受热”情况下最小。     

CO2水合物浆在水平圆管中的传热特性

在CO₂水合物浆流动传热特性测试实验系统上,采用套管式电加热的方法对CO₂水合物浆进行了分解实验,并对CO₂水合物浆的流动传热特性进行了分析。对CO₂水合物浆的相变特性进行了研究,得到CO₂水合物浆的相变温度在8～12℃。研究了在固相体积分数为13.2%以及流速为0.45m/s的条件下CO₂水合物浆在内径为8mm的水平不锈钢管中的传热特性,计算得到CO₂水合物浆在不锈钢水平圆管中的对流传热系数为1500～1800 W/(m²·K),并且其在流动传热过程中呈现先增大随后趋向平稳的趋势,在水合物的相变区相应的对流传热系数表现最大。研究了分解加热功率对管壁温和对流传热系数的影响,发现加热功率对管壁温度的影响较强。在实际应用中可利用CO₂水合物浆的相变作用来增强传热,提高传热效率。