基于严格模型的间壁式精馏塔模拟与分析

摘要

精馏是化工行业中最重要的分离方法，目前世界上已有超过40000座精馏塔设备。精馏过程虽然应用广泛，但其耗能巨大。据文献报道，精馏操作耗资占工厂运行投资的50％以上。因此，探索节能有效的精馏操作方式成为了学者们的研究重点。间壁式精馏塔不仅节能效果显著，还大大减小了设备投资，因此受到了工业和学术界的广泛关注。
　　间壁式精馏塔结构复杂，自由度较多，其结构的复杂性为建立其准确模型带来了困难。目前商业流程模拟软件中都没有关于间壁式精馏塔的模型，大都利用两塔、四塔或者循环泵模型近似模拟，且都不具备考虑间壁换热的条件。鉴于此，本文先利用简捷算法对间壁式精馏塔进行初步设计，再建立了间壁式精馏塔的严格模型，并考虑了间壁换热的影响，并在基于面向方程法的gPROMS软件中实现模拟求解。
　　为了与现有文献进行对比，本文以苯-甲苯-对二甲苯(BTX)体系的分离为例，对不考虑间壁换热的间壁式精馏塔先进行了模拟，结果与文献基本近似。在此基础上，本文先探讨了气、液分配比，预分馏塔顶中间组分回收率对热负荷的影响;再讨论了间壁两端的气液混合效应，并以总热负荷最小为目标函数进行优化计算。结果表明，气、液相分配比对间壁式精馏塔的热负荷影响重大，合理的气、液相分配比可减小间壁两端的气液混合效应，从而减小热力学不可逆性，减小热负荷。
　　同时，本文还进一步发现间壁两侧是有传热推动力的，理论上是有间壁换热现象的存在的。继而又对考虑了间壁换热的间壁式精馏塔进行模拟研究，在此基础上探讨了气、液分配比对热负荷的影响，并以总热负荷最小为目标函数进行优化计算;再对比分析相同条件下有、无间壁换热的结果，对间壁换热是否有利进行了分析讨论;进而定性探讨了传热系数对再沸器热负荷的影响。
　　上述结果表明:气、液相分配比对考虑间壁换热的间壁式精馏塔的热负荷有着重要影响，合理的分配比可减小再沸器热负荷。间壁换热的存在是否有利与操作条件有关。当操作条件的气、液分配比更接近无换热的最优条件，则此时间壁换热的存在是不利的，会明显增加再沸器热负荷;反之，则间壁换热有利，能够减少再沸器热负荷。当间壁换热有利的时候，任意传热系数下进行的换热都可降低再沸器热负荷;而间壁换热不利的时候，随着传热系数的增大，再沸器热负荷也会显著增加。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 精馏过程

1．1．2 精馏过程节能方法

1．2 间壁式精馏塔

1．2．1 完全热耦合精馏塔

1．2．2 间壁式精馏塔的结构

1．2．3 间壁式精馏塔的研究现状

1．2．4 间壁式精馏塔的模拟

1．3 本文主要研究内容

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 本文的主要结构

第二章 间壁式精馏塔严格模拟

2．1 简捷算法

2．2 间壁式精馏塔严格模型

2．2．1 基本方程组

2．2．2 热力学性质方程组

2．2．3 间壁换热

2．2．4 自由度分析

2．3 gPROMS软件简介

2．4 本章小结

第三章 不考虑间壁换热的间壁式精馏塔的模拟与分析

3．1 气、液分配比对热负荷的影响

3．2 中间组分回收率对热负荷的影响

3．3 间壁两端气、液混合效应

3．4 以总热负荷最小为目标的结果优化

3．5 本章小节

第四章 考虑间壁换热的间壁式精馏塔模拟与分析

4．1 存在间壁换热的可能性

4．2 气、液分配比对热负荷的影响

4．3 总热负荷最小为目标函数的结果优化

4．4 间壁式精馏塔有、无换热情况对比

4．5 传热系数对热负荷的影响

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介