热集成复杂精馏系统综合的研究

将夹点分析法应用于热集成复杂精馏系统综合的换热网络设计中,避免了以换热网络结构作为独立变量,建立了一个以预分馏塔组分回收率、回流比及操作压力为连续变量,以分离序列和热耦合方式为离散变量的混合整数非线性规划(MINLP)模型。该模型用改进的模拟退火算法求解,可同时得到优化的流程结构和操作参数。对多个五组分混合物分离问题进行了求解,并对不同优化方案的优化结果及其经济性作了比较和分析,结果表明采用热集成复杂精馏塔流程可以显著地降低系统的总费用,还表明该方法是求解热集成复杂精馏系统综合问题的有效方法。     

甲苯二胺分离过程的优化与节能

采用双效节能原理对传统的甲苯二胺(TDA)分离工艺进行改进.用Aspen模拟软件对全流程进行模拟分析,并结合生产实际提出过程的约束条件,以能耗最小为目标对分离全过程进行优化,得到各塔的最优操作条件.并在此基础上对过程进行热集成得到新的热集成流程.该流程在最优条件下操作时,产品浓度可达到生产要求,公用工程费用比原流程减少了67.7%.     

带有中间热集成的精馏塔序列及其性能

提出一种带有中间热集成的精馏塔序列(IHISDC)的流程,针对三组元混合物分离的简单塔直接序列,对该流程进行了分析。与传统热集成精馏序列(HISDC)相比,提出的IHISDC通过中间换热器将高压塔的精馏段与低压塔的提馏段进行局部热集成,使能量集成精馏塔之间的压力差更小,进而使能耗费用下降。同时发现,IHISDC中的高压塔再沸器热负荷和低压塔冷凝器热负荷增加,由于换热器数量的增加,IHISDC的投资费用较大。为了进一步降低IHISDC的年度总费用,需要对其设计参数进行优化。     

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。     

醋酸甲酯和甲醇热集成变压精馏分离工艺模拟与优化

基于对醋酸甲酯与甲醇二元共沸特性的分析,提出热集成变压精馏分离醋酸甲酯和甲醇的工艺. 利用Aspen Plus软件对该分离过程进行模拟,以NRTL活度系数方程为物性计算方法,其二元相互作用参数由气液相平衡数据回归,分析了加压塔和常压塔的理论板数、进料位置及回流比对分离效果的影响,并进行了能耗比较. 结果表明,该工艺能很好地分离醋酸甲酯和甲醇,较佳的工艺条件为：加压塔操作压力909 kPa,理论板数32,第21块板进料,回流比4.2,塔釜醋酸甲酯纯度99.8%;常压塔操作压力101 kPa,理论板数30,第20块板进料,回流比4.6,塔釜甲醇纯度99.0%. 与常规变压精馏相比,热集成变压精馏可节能达45.8%;与以水为萃取剂的萃取精馏分离工艺相比,热集成变压精馏分离工艺更适合醋酸甲酯与甲醇体系的分离.     

四产品Kaibel隔壁精馏塔分离丙二醇混合物的模拟与节能分析

研究了包含甲醇、水、丙二醇和二丙二醇四组分混合物的分离问题,针对混合物的特征和分离要求,提出四产品Kaibel隔壁精馏塔的分离工艺,并利用Aspen Plus软件对Kaibel塔进行设计与节能分析。首先,设计了分离四组分混合物的三塔精馏流程（TCD）和热集成三塔精馏流程（HTCD）;其次,开展了四产品Kaibel塔分离四组分混合物的模拟研究,取得了满足分离要求的塔设计参数;最后,采用能量衡算和㶲损失分析相结合的方法,对Kaibel塔的用能特征进行了分析和比较。研究表明,与热集成三塔精馏流程相比,四产品Kaibel塔在操作费用方面不占优势,但在设备投资方面具有明显优势,可以实现在一个塔内四组分的分离,总㶲损失可降低9.41%。     

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%     

热集成变压精馏分离甲基异丁基酮/正丁醇共沸物的动态控制

采用高低压两塔精馏流程,对甲基异丁基酮/正丁醇共沸物进行分离,确定了高低压塔的压力分别为405.30 k Pa和20.27 k Pa。基于最小年度总费用(TAC)对甲基异丁基酮/正丁醇变压精馏分离工艺进行经济优化。运用Aspen Plus软件考察了变压精馏工艺不同控制方案的有效性。结果表明:组成-回流比串级控制方案可以有效的处理无热集成、部分热集成变压精馏工艺的±20%进料流率与组成扰动,产品的纯度非常接近其期望值,且响应速度快;对于完全热集成变压精馏工艺,采用压力-补偿温度控制结构能够实现稳健的控制。综合TAC与控制方案的分析,认为部分热集成变压精馏工艺为该体系的最优变压精馏工艺。     

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。     

基于模拟分析技术和随机搜索算法的化工过程能量集成方法研究

夹点和模拟分析技术已在化工能量集成中广泛应用.今以夹点技术为基础,对化工过程系统用能进行诊断,根据"过程用能一致性"原则提出能量集成改造方案,通过改变塔压实现塔顶冷凝器与塔底再沸器的热集成多效蒸馏.夹点技术实现的优化目标仅是热回收最大或公用工程能耗最小,不能实现包括设备整体费用最小的过程全局最优化.研究基于模拟技术,通过灵敏度分析,得到精馏塔各操作参数的样本映射数据,通过多项式拟合得到参数关联方程,并在遗传算法及模式搜索中设计过程费用函数,提出了将模拟分析技术与随机搜索算法相结合的,以过程费用函数最小化为优化目标的能量集成方法.工业实例的成功设计应用证明了其有效性和可行性.     

Towards further internal heat integration in design of reactive distillation columns—part I: The design principle

The thermodynamic efficiency of a reactive distillation column involving reactions with a highly thermal effect could sometimes be improved substantially through seeking further internal heat integration between the reaction operation and separation operation. Prudent arrangement of the reactive section and deliberate determination of feed location are the two effective methods that can complement internal heat integration within a reactive distillation column. The reactive section is suggested to properly superimpose onto both the stripping section for exothermic reactions and the rectifying section for endothermic reactions. Feed location should be determined so that the effect of internal heat integration can be maximized between the reaction and separation operations. Two reactive distillation systems, involving a highly exothermic reaction and a highly endothermic one, are employed to evaluate the proposed design philosophy and the results obtained confirm its feasibility and effectiveness. In addition, sensitivity analysis is conducted with respect to the amount of catalyst employed, relative volatilities of reacting mixtures, and thermal condition of feeds. The applicability and potentials of the design principle proposed are highlighted.     

用于热集成精馏序列综合的改进模拟退火算法

提出一个用于多组分热集成精馏系统综合问题的改进模拟退火算法.将优化问题表示为混合整数非线性规划（MINLP）问题,将算法设计同研究问题的特征相结合,运用本文方法可在同一退火策略下实现流程结构和操作参数的同步优化,并能达到计算精度和计算速度的更好均衡.通过对大规模算例（产品数≥10）的计算表明,该方法对求解此类问题非常有效.     

考虑中间换热器的能量集成精馏序列合成

针对考虑中间换热器（IHE）的精馏序列合成问题,提出基于随机优化策略的能量集成非清晰精馏序列（IHE-HIDSs）合成方法。通过对精馏序列分离任务合并处引入二元0/1变量表示是否存在IHE,以精馏序列的年总成本（TAC）为优化目标,建立了该合成问题的隐式混合整数非线性规划模型（MINLP）,通过模拟退火和粒子群优化（SA-PSO）混合随机优化算法进行求解。为验证在精馏序列合成中同时考虑IHE的必要性以及所提出合成方法的有效性,对五组分醇类混合物和五组分烷烃类混合物两个算例的精馏序列合成问题进行了研究。结果表明,相比同时考虑热耦合和能量集成的精馏序列,IHE-HIDS具有更低的TAC。此外,所提出的方法可以在合理的计算时间内以高概率获得多个分离序列方案。     

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。     

考虑内部热集成的乙二醇反应精馏系统设计与优化

针对环氧乙烷水合制乙二醇反应精馏过程反应热的利用和系统能量更大集成问题,提出一种将反应段和提馏段分割、从反应段移出热量供提馏段加热的内部热集成反应精馏塔（R-HIDiC）的设计。利用Aspen Plus模拟软件,分析了内部热集成的可能性,优化了内部热交换量及其分布,给出了一种不需要再沸器的能量最大集成方案。研究表明,与传统的反应精馏塔相比,通过对内部热集成进行优化,乙二醇反应精馏塔可取消再沸器,系统需要的能量只由环氧乙烷水合反应热和外部压缩机提供,其操作费用将降低约47.2%,总费用将降低约39.1%,体现了其技术和经济优越性。     

宽沸程物系精馏过程的分段设计法

针对宽沸程物系精馏分离的特点,提出了分段设计方法,即按浓度从进料到产品分段,每段分离的纯度不同,实现热量集成。温度-负荷曲线图(T-Q图)给出了温度与热负荷的变化关系,用于浓度分段以及加热点的选取。低浓段和高浓段的划分,简化了设计过程,对高浓段强调降低用能品位,对低浓段给出了热量集成的设计方法。等价T-Q图可简化计算,方便负荷分段、集成。最后通过实例对分段设计法进行了说明和验证。     

Synthesis of Heat Integrated Complex Distillation Systems via Stochastic Optimization Approaches

This paper addresses the application of stochastic optimization approaches to the synthesis of heat integrated complex distillation system, which is characterized by large-scale combinatorial feature. Conventional and complex columns, thermally coupled (linked) side strippers and side rectifiers as well as heat integration between the different columns are simultaneously considered. The problem is formulated as an MINLP (mixed-integer nonlinear programming) problem. A simulated annealing algorithm is proposed to deal with the MINLP problem and a shortcut method is applied to evaluate all required design parameters as well as the total cost function. Two illustrating examples are presented.     

甲基氯硅烷精馏流程的模拟与优化

采用Aspen plus软件对工业七塔精馏过程进行全流程建模与模拟,优化工艺参数,研究了新的精馏节能工艺。对一甲塔等7个精馏塔采用双因素水平的灵敏度分析,考察了塔釜采出率、回流比、进料位置和塔顶压力对产品浓度和热负荷的影响,确定一甲塔最优的工艺参数：塔釜摩尔采出率为0.92,摩尔回流比为130,塔顶压力为0.18 MPa,总理论板数为400,在210块理论板位置进料。在此基础上,针对高能耗的脱高塔/脱低塔,模拟研究了双效精馏新工艺,新工艺可节省39.70%的年总成本;针对一甲塔模拟研究了热泵精馏新工艺,新工艺可降低41.42%的年总成本。