精馏塔设备的设计与节能研究进展创新实践论文Word格式.docx
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结构、逻辑性
文笔流畅
25
内容全面性
符合写作规范
10
总分
100
一、综述类
二、研究类
积极参加科研活动
具有较强动手能力及科研能力
报告书写结构、逻辑性
摘 要
精馏过程是化工过程中最耗能的过程之一。
本文总结了常规精馏塔，反应精馏塔以及分隔壁精馏塔这几种类型精馏塔的研究进展。
常规精馏塔的研究仍在进行，并主要体现在算法的改进与新算法的提出，以及常规精馏塔在化工高等教学的重要作用上，指出了反应精馏塔和分隔壁精馏塔是近几年精馏塔设计方面的研究热点，如反应精馏塔的模型、求解方法等，分隔壁精馏塔是一种全新的概念因而并未系统化，但却能够明显节省设备投资，并具有良好的节能前景，尤其是在与反应精馏结合后效果特别明显。
文章最后对精馏塔的未来研究方向进行了展望。
关键词：
蒸馏；
设计；
反应精馏；
节能；
分隔壁精馏塔
researchprogressofdesignandenergy-savingdistillationcolumn
ABSTRACT
Distillationprocessisoneofthemostenergyconsumptionprocessinchemicalprocess.Thisarticlesummarizestheconventionaldistillation,reactionrectificationtowerrectificationtowernexttotheseveraltypesandtheresearchprogressofrectificationcolumn.Conventionaldistillationresearchisstillon,andismainlymanifestedinthealgorithmisimprovedandnewalgorithmisputforward,andtheimportantroleofhighconventionalrectificationcolumninchemicalteaching,pointsoutthereactionrectificationtowerandpointsthenextrectificationtowerisrectifyingcolumndesignresearchhotspotinrecentyears,suchasreactionmodelandsolvingmethodofrectificationtower,pointsthenextcolumnisakindofbrand-newconceptandthereforeisnotsystematic,butitcanobviouslysaveequipmentinvestment,andhaveagoodprospectofenergysaving,especiallyaftercombinedwithreactionrectificationeffectisparticularlyevident.Finallythefutureresearchdirectionoftherectifyingcolumnisdiscussed.
KeyWords:
Distillation;
Design;
Reactiondistillation;
Energysaving;
Pointsthenextcolumn
目录
一常规精馏塔设计7
１．１ 常用算法的改进与新算法的提出7
１．２ 使用计算机对精馏过程进行辅助计算7
二反应精馏塔设计8
２．１ 反应精馏的发展历程与简介8
２．２ 反应精馏的稳态模拟数学模型8
２．３ 反应精馏的设计算法9
三精馏塔操作能耗高体现10
3.1蒸汽耗量大10
3.2产品回收率低，单耗高10
3.3操作总费用高10
四精馏塔的节能优化11
4.1最佳回流比的选取11
4.1.2回流比与设备费用的关系11
4.2塔内件的选择11
4.2.1填料11
4.2.2液体分布器12
4.3进料温度和进料位置的确定12
4.3.1最佳的进料位置12
4.3.2进料温度13
一常规精馏塔设计
精馏塔设计是化工过程中的核心单元操作之一，是最重要的分离单元过程。
近年来对于简单精馏塔设计算法的研究，主要集中于两个方面：
①是对精馏塔常用计算方法的改进与精馏过程新算法的提出，②研究如何用计算机对精馏过程进行辅助计算。
１．１ 常用算法的改进与新算法的提出
精馏塔的设计，就是在给定进料状况与组成，以及一定的操作条件的情况下，通过一系列的计算，最后给出分离所需的理论板数。
常用的精馏塔设计方法包括图解法，逐板计算法，简捷法等。
此外塔板组成线法等新算法的提出，也为精馏塔设计的算法研究打开了新的思路。
数值算法是指在数学分析问题中，对使用数学近似算法的研究。
由于精馏塔设计所需的变量多，假设通常也比较多，往往不能获得一个完整的结果，所以使用数值算法来优化传统精馏塔设计方法，提高设计的精确度，无疑是一个良好的研究方向。
近几年来，已有多篇报道围绕利用数值算法对传统精馏计算进行优化改进。
吴晓艺等研究了拉格朗日插值法在图解法设计精馏塔中的应用。
在这个研究中，研究者通过已知的平衡数据，使用ＭＡＴＬＡＢ编程模拟生成气液平衡曲线并通过图解法计算，获得了理论板数和进料位置。
该方法准确性高，只要有气液平衡数据即可采用，与大型模拟软件相比，使用ＭＡＴＬＡＢ编程计算运行时间短，计算效率高，具有很强的适用性。
１．２ 使用计算机对精馏过程进行辅助计算
在现代化工设计过程与优化过程中，计算机的计算早已取代了传统耗时耗力的手工计算。
一些化工应用软件以其强大的数值、符号运算功能、生动的图像处理力，代替了过去传统方式下的笔纸进行的设计操作。
这些软件的广泛应用，极大地提高
了设计的效率和设计质量。
在化工类高等教育中，计算机辅助教学也是教学内容改革的重要组成部分。
刘玉兰等给出了一种使用Excel快速计算双组分理想物系平衡组成，泡露点以及漏液点孔速的方法，虽然该方法现实工厂实践中并没有太大的意
义，但是对于高校中化工高等教育的教学中，其操作方便快捷，易于掌握，计算结果相对可靠，因此有利于提高学生的学习兴趣，节省计算时间，仍然具有一定的实用价值。
田文德等探究了在使用ＭＡＴＬＡＢ对精馏过程的辅助计算。
这项研究的出发点也是辅助化工原理课程的教学，由于ＭＡＴＬＡＢ是一种直观性较强，相对容易的计算机语言，并且数学运算能力强大，因此这项研究对精馏这类的工程计算有很大的实用价值。
综上所述，使用计算机对简单精馏的辅助计算，研究方向多集中在高校化学工程的教学当中。
这种辅助计算，可以很好地加深对计算过程的理
解，同时熟悉使用计算机语言编程这一工程计算的手段，对化工过程数值模拟的学习也有一定的帮助。
二反应精馏塔设计
２．１ 反应精馏的发展历程与简介
反应精馏（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ，以下简称ＲＤ）是将化学反应过程和精馏分离过程耦合在一个单元操作中的过程。
它的概念是在１９２１年由Ｂａｃｋｈａｕｓ所提出。
反应精馏过程与常规精馏相比，有着转化率和选择性高；
温度控制较容易；
反应时间短；
操作费用低；
设备投资少等常规的精馏
塔与反应器分离的过程所不具备的优点。
近几年来，由于能源日趋紧张，对生产成本的控制要求逐渐增大，对于反应精馏的研究的重点逐步由面向理论架构的纵向研究，转移到面向实际生产工艺（如乙酸甲酯，乙酸乙酯，碳酸二甲酯等）的横向研究上。
此外，近三年来反应精馏的研究有相当一部分是与隔壁塔相结合的反应精馏隔
壁塔。
２．２ 反应精馏的稳态模拟数学模型
目前在反应精馏稳态模拟的数学模型中，最为简捷，便于计算的是平衡级模型。
该模型基于３个主要假设：
①假设离开一个理论级的气液相混合物处于相平衡状态。
②假设每一级上的混合物完全混合均匀。
③反应仅发生在液相当中。
基于这个模
型，计算时在精馏塔严格计算的平衡级模型的ＮＥＳＨ方程组的基础上，增加了一个反应动力学方程（Ｒ方程）。
关于平衡级模型的介绍较多，此处不再赘述。
然而，在使用平衡级模型对反应精馏塔进行计算时，平衡级模型并未考虑到反应精馏过程中的板效率，这使得平衡级模型在实际用于工业计算时准确度不高。
由于平衡级模型的这些局限性，Ｋｒｉｓｈｎａｍｕｒｔｈｙ等于１９８５年提出了以双膜传递理论为基础的非平衡级速率模型。
由于引入了反应速率这一变量，该模型比平衡级模型要实际一些，但仍存在着诸如板上气液相全混、板上物料组成和温度均匀等理想化假设，并且方程组的非线性程度增加，导致计算的难度加大。
上述的两个模型中，分别存在着“平衡级”和“全混级”这些不合理的假设，由于这些假设的不合理性，传统精馏模拟中的非平衡级混合池模型就也被引入到反应精馏模拟当中。
该模型能够较为准确地模拟出实际的反应精馏过程，是对平衡级模型的提高与进一步的完善。
除上述３种主要反应精馏稳态数学模型之外，还有统计模型、微分模型等诸多数学模型，多种数学模型的研究标志着对于均相反应的反应精馏的稳态过程模拟研究已经比较成熟。
２．３ 反应精馏的设计算法
反应精馏塔的设计方面的研究目前仍未形成系统的理论体系。
这是因为该过程是一个反应与精馏的耦合过程，反应过程与精馏过程在同一个容器中，二者相互影响，使原来进料位置、副产物浓度、传热、速率、停留时间、板数、催化剂以及反
应物进料配比等参数的很小变化，都可能对反应精馏过程产生较大影响，所以对该集成过程的研究比二者单独研究要困难得多。
基于上述原因，反应精馏的设计研究在２０世纪８０年代下半叶才逐渐增多，到目前为止，主要的反应精馏塔设计方法主要有直观推断法、图示目标法、图解设计法、数学模拟法、混合整数非线性规划法等。
Ｄｏｈｅｒｔｙ和Ｂａｒｂｏｓａ提出单一反应的简单精馏转换组成变量，并研究了其剩余曲线。
之后在此基础上，Ｄｏｈｅｒｔｙ和Ｕｎｇ又研究了在含有惰性组分的反应精馏系统中的转换组成变量和剩余曲线图。
Ｂｌｅｓｓｉｎｇ等在转换组成变量的基础上，提出了反应空间和反应精馏线的概念，并结合反应精馏线和精馏线，研究了反应精馏过程的序列。
基于转换变量的概念，Ｔｈｏｎｇ等将塔板组成线法应用到了反应精馏塔设计当中。
这种设计理念与前文所述的塔板组成线在常规精馏塔设计应用中的优点类似，改变了原有的图解法设计反应精馏塔的思路，塔板组成线法使得设计者可以同时获得大量的可行设计方案。
杨小刚等给出了塔板组成线法对反应精馏塔的图解法设计的策略，并给出了精馏段和提馏段的反应精馏塔塔板组成线方程，设计可行性判据，并对理想反应体系进行了实例的设计计算，结果表明，塔板组成线法对反应精馏塔的设计较为系统，复杂程度小，迭代快，计算时间短，多组可行性方案的同时获得，使得该方法对于已有设备的改造与优化更为便利。
综上所述，在反应精馏这一领域中，反应精馏塔的设计是在稳态模拟数学模型成熟之后才开始逐渐增多，由于起步相对较晚，尚未形成系统的理论体系，研究前景相对广阔。
由于反应精馏塔的复杂性，使得其设计方法入手点较多，但这些方法大都只能应用于理想体系，在非理想体系的设计方向上，尚存在着广阔的研究空间。
三精馏塔操作能耗高体现
3.1蒸汽耗量大
原因分析：
回流量过大造成热能损失大；
塔压控制不当造成塔釜料液蒸不上去，通过增加蒸汽量调整；
物料进料状态总以冷料进塔（进料位置不佳），热耗大；
工艺不稳定时：
蒸汽压力波动或工艺不正常时；
未采用热泵精馏与多效精馏此类节能方式的工艺设计。
3.2产品回收率低，单耗高
产品纯度不能达到要求时，加大了塔顶或塔底排放量；
精馏塔的进料位置过高或过低，造成分离不彻底；
工艺操作不当：
塔压、塔温、回流比等工艺指标操作控制不当而造成工况不稳定；
DCS操作裕度过大，致使工艺运行波动大。
产品采出量过大或过小影响工艺稳定；
塔的设计不满足工艺正常运行要求。
3.3操作总费用高
除再沸器的加热蒸汽消耗，冷凝器的冷却水（冷冻水或循环水）消耗和精馏设备的折旧费外，电耗，原料单耗等费用。
四精馏塔的节能优化
4.1最佳回流比的选取
回流比理论上可以在0至无穷大之间变化，但实际上对指定的分离要求（设计型问题），回流比不能小于某一下限（即最小回流比），否则即使有无穷多个理论板也达不到设计要求，这是技术上对回流比选择所加的限制。
4.1.1回流比R与能量消耗（操作费）的关系
能量消耗与精馏塔的回流有关，为了提高塔顶产品质量（纯度），常常需要加大回流量。
从能量的角度看，回流比越大，能量消耗越多，在保证塔顶产从上述的简化式可以看出，精馏过程的能量消耗随R的增加呈直线上升。
因此,回流比R对精馏过程中的能量消耗起着至关重要的作用,如果选择较低的回流比,能量消耗将明显降低。
4.1.2回流比与设备费用的关系
最小回流比对应于无穷多塔板数，此时的设备费无疑过大而不经济，随着回流比的逐渐增加，塔板数随之降低，设备费用明显下降，但若回流比再逐渐增加，也将增大塔顶冷凝器和塔底再沸器的传热面积，设备费反而随回流比的增加而有所上升。
最佳回流比一般是通过分析回流比与精馏系统中的设备费和操作费（能量消耗）的关系，然后通过经济核算来确定。
当设备费和操作费（能量消耗）的总和为最小时所对应的回流比R，即为最佳回流比Ropt。
建立系列影响因素曲线，就可较精确求出最佳回流比Ropt。
4.2塔内件的选择
填料塔是化工企业中最常用的气液传质设备之一，在塔体内设置填料，使气液两相能够达到良好传质所需的接触状况。
近年来，一些新型高效塔内件和塔填料的问世，使填料塔在以板式塔应用为主的场合，尤其是大型塔中得到了很好的应用。
4.2.1填料
填料是填料塔的核心构件，常用的有散堆填料和规整填料两大类。
4.2.1.1散堆填料
散堆填料是具有一定几何形状和尺寸的颗粒体,以散堆方式置于塔内。
以拉西环为代表的第一代填料有明显的缺点，如气体通过能力低，阻力大，液体到达环内部比较困难，因而湿润不易充分，传质效果差；
后又出现以鲍尔环为代表的第二代填料，和以金属环矩鞍填料为代表的第三代填料，逐渐改良了第一代填料的缺点，具有低压降、高通量、液体分布性能好、传质效率高、操作弹性大等优良性能，于是第三代填料在现有的工业散堆填料中占有明显的优势，但仍存在不同程度的壁流和沟流现象。
常见散堆填料特性数据见附表。
附表常见散堆填料特性数据
名称堆积密度（/kg/m3）比表面积/（m2/m3）空隙率/%
拉西环4301100.95
鲍尔环3951120.949
阶梯环4001090.95
矩鞍环291740.96
4.2.1.2规整填料
规整填料具有成块的规整结构,可在塔内逐层叠放。
规整填料是一种按照几何图形均匀排布、规整堆砌的填料，规定了气液走向，很好地解决了发生壁流的可能性，具有比表面积大，结构规则，空隙率、流通量大，压降小，操作弹性大的优点。
目前，根据不同的要求，人们开发了多种规格和材质的填料可供选择。
因此规整填料在提高精馏塔整体性能方面占很大优势，有相当宽阔的应用空间。
4.2.2液体分布器
填料塔操作要求液体沿同一塔截面均匀分布。
为使液流分布均匀,液体在塔顶的初始分布须均匀，在填料塔中，液体分布器十分重要，主要原因：
（1）不良液体初始分布会导致分离效率急剧下降；
（2）不良的液体初始分布难以达到填料层的自然流分布；
（3）不良液体初始分布会导致能量消耗的上升；
（4）新型高效填料一般具有较小的径向分布系数。
性能优良的液体分布器必须满足以下几点:
操作可行,液体分布均匀,合适的操作弹性,足够的气流通道。
经验表明,对塔径为750mm以上的塔,塔截面的喷淋点密度应达到40～50个/m2;
塔径在750mm以下的塔,喷淋点密度至少应为160个/m2。
液体分布器对液体的分布状况直接关系着精馏塔整体传质效率和能量的消耗。
4.3进料温度和进料位置的确定
4.3.1最佳的进料位置
最佳进料位置是指在相同的理论板数和同样的操作条件下，具有最大分离能力的进料板位置或在同一操作条件下所需理论板数最少的进料板位置。
最佳的进料口位置应该保证精馏塔那个位置的温度与进料温度相近。
当进料口位置高于最佳进料口时，会使在此状态下的进料板的液相组成中的轻组分高于最佳位置下该板的液相组成的轻组分，重组分低于最佳位置下的液相组成，相对于最佳位置而言，精馏段的塔板数减少，提留段的塔板数增加，所以此时塔顶产品质量会下降（轻组分含量），塔釜重组分的质量会提高（重组分含量）。
同理，当进料口位置低于最佳进料口时，会使在此状态下的进料板的液相组成中的轻组分低于最佳位置下该板的液相组成的轻组分，重组分高于最佳位置下的液相组成，相对于最佳位置而言，精馏段的塔板数增加，提留段的塔板数减少，所以此时塔顶产品质量会提高（轻组分含量），塔釜重组分的质量会下降（重组分含量）。
一般的精馏塔进料位置的确定,主要根据进料组成来定,进料位置应该选在塔板的组成与进料组成接近的那一层塔板上,否则会因组成差别较大而引起返混现象,从而导致塔板效率下降。
进料位置的选择本质上是个优化的问题，超过了某个范围则不再是优化问题，参数将不可能达到规定的设计要求。
4.3.2进料温度
进料温度的变化对精馏操作的影响很大。
进料温度降低，将增加塔底蒸发釜的热负荷，减少塔顶冷凝器的冷负荷。
进料温度升高，则增加塔顶冷凝器的冷负荷，减少塔底蒸发釜的热负荷。
当进料温度的变化幅度过大时，通常会影响整个塔身的温度，从而改变气液平衡组成。
例如，进料温度过低，塔釜加热蒸汽量没有富余的情况下，将会使塔底馏份中轻组份含量增加。
进料温度的改变，意味着进料状态的改变，而后者的改变将影响精馏段、提馏
段负荷的改变。
因此，进料温度是影响精馏塔操作和能耗的重要原因之一。
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