敖琛 2012/10/25

汇报

敖琛2012/10/25

目录• 课题背景介绍• 近期工作

课题背景

• 精馏技术应用广泛精馏是利用混合物各组分之间的相对挥发性能差异来分离均相液体混合物或液化的气体混合物的一种单元操作过程，应用于化学工业、石油炼制、食品工业、医药工业等各个方面。• 精馏过程能耗巨大同时精馏过程又是一个高能耗、高操作费用的过程，其能耗约占化工厂里总能耗的三分之一，有时甚至会更多。

节能方法——隔板塔• 避免了中间组分的返混效应，有效避免了两简单

精馏塔流程中出现的再混合现象。

• 由于隔板塔只包括一个塔体和一个冷凝器和再沸器，因此，相比简单塔序列，可以节省设备投资

隔板塔的局限性• 应用现状在实际工业中的应用有报道的应用来自于 BASF AG 、 MW

Kellogg Limited 、 Hairston 等公司。• 原因缺乏系统的设计方法以及控制与操作过程的复杂性。目前，

在系统设计方面的相关研究，主要涉及热力学分析、简捷设计、参数估算、模拟优化等方面。

隔板塔的优化设计• 在给定理论板数、各流股进出塔的位置，

以及各塔板压力的条件下，隔板塔自由度为 5 ，即除进料条件外，需要规定 5 个参数。

• 选择操作回流比 R ，塔顶馏出量 D ，侧线出料 S ，汽液相耦合流股流量 FL1 ， FV2 五个参数。

• 选用汽液相分割比 Rv 和 Rl 来代替 FL1 ， FV2

作为两个变量。

研究必要性• 汽相分割比取决于隔板两边的面积比• 液相分割比可以采用侧线出料的方式改变• 汽液分割比会影响年度总费用

课题名称

汽液相分割比对隔板塔性能及可操作性影响的模拟研究

参考文献• Numerical investigation on effect of vapor split ratio to

performance and operability for DWC （ Laleh Torab Maralani ）

（汽相分割比对隔板塔性能的影响）• A Method for the Design of Divided Wall Columns （ Petroleum University of Technology, Ahwaz, Iran. Chem. Eng. Technol.2007 ）（隔板塔的简捷计算）• Energy saving and capital cost evaluation in distillation column sequences with a divided wall column （ Chemical engineering research and design 8 7 (2009) 1649–1657 ）（隔板塔的能耗及总费用评价）

近期工作I. 隔板塔的设计II. 寻找最优汽液相分割比III. 研究汽液相分割比对年度总费用的影响IV. 做出汽液相分割比对年度总费用的影响图

一，隔板塔设计

2 3L

32

R = ,R =VVL

L V

隔板塔设计思路（ A Method for the Design of Divided Wall Columns ）

• 确定中间组分分配比范围• 确定液相分割比的最优范围• 结合上述两个参数及回流比，对全塔进行

物料衡算，求解隔壁塔内各个部分的流股流量大小

• 使用关联式求出隔板塔各段的塔板数• 整理数据，完成隔板塔的设计

全热耦合精馏塔设计步骤

I. 确定中间组分分配比 β 的范围 II. 确定液相分割比 Rl 的范围III. 确定回流比 RIV. 物料衡算V. VI.

2 32 3, , ,V V V V

1

' ' ' ' '' '' '' ''1 2 1 2 , 1 2 3 2 3 ,, , , , , , , , ,A L B L

x x

1 2 3 4 5 6, , , , ,N N N N N N

算例分析 (C5 ， C6 ， C7)

参数名参数数据

进料组成（ A,B,C ） Zi=[0. 25,0.5,0.25]

进料摩尔量 F=300kmol/h

进料挥发度（ A,B,C ） αi=[7.37,2.67,1]

进料热状况 q 0.557

产品主要组分回收率 rA,D2=0.987 ， rB,S=0.98 ， rC,W3=0.987

1 ，确定中间组成分配比定义：中间组分在预分馏塔塔顶的收率。对于全热耦合精馏塔，存在一个中间组分分配比的最优区间，该区间为一个平坦区间，全塔最小汽相流率在此区间内不随中间组分分配比发生变化，且其取值均为最小。（ A Method for the Design of Divided Wall Columns ）

简捷设计法中的最佳分割点和平衡分割点的取值即为该区间的两端边界。

中间分配比的计算

1(1 ) i i

i

z FF q

, ,i A B C

1 ，应用 Underwood 方程来计算其最小气相流率

，

求得

则最佳分割点可求：

2 2, ,, ,

1 1 2 2

2 1

( ) ( )

=0.4628

A A A D A A A DC C C S C C C S

A C A CP

B B B B

B B

Fz r Fz rFz r Fz r

Fz Fz

1 2=5.4786 =1.2995 ，

2 ，计算

min,3min,2 < (1 )V V q F

32 , 3, 2(1 )

i i Wi i D

i i

x Wx Dq F

，

2 ，计算（ B A

=5.929求得：

b

2, 2min ,2

1

= =291.8-

i i D

i

x DV

3, 3min ,3

2

+(1 ) = (1 ) =382.7-

i i W

i

x WV q F q F

则中间分配比的最优区间确定为

0.4628< <0.7064

选取中间分配比为 0.70

求得：

确定液相分割比及回流比

min 1min ,2 min,3 2

2 2 2

+Max{ , } l

L S L L qFLR

L L L

，

1 ，液相分割比最佳范围：

选取液相回流比为 0.6 。

2 ，最小回流比min 2

min2

= 1V

RD

min

382.77= 1.2=( -1) 1.2=4.9

75R R

1 1

1 1

2 2 2

1 2 2 1 2

1 3 3 1 3

1 , ,

1 , ,

2 , , ,

2 , , , , ,

3 , , , , ,

3

(1 )

(1 ) (1 )

( ) ( ) (1 )

(1 ) (1 ) ( )

A A D B C C W

A A D B C C W

A A D B B D C C D

A A D A D B B D C C W C D

A A D A W B B W C C W C W

D Fz r Fz Fz r

W Fz r Fz Fz r

D Fz r Fz r Fz r

W Fz r r Fz r Fz r r

D Fz r r Fz r Fz r r

W Fz

3 3 3, , ,

2 min 2

2 min 2

=( 1.2+1)

= 1.2

A A W B B W C C Wr Fz r Fz r

V R D

L R D

R=4.9, =0.6,β=0.70

全塔物料衡算

物料衡算1 1

11

2 1 2

22 1

1 1 1

2 2 2

* =

*(1 )

V F q V

L F q L

V V V

L L L

V L D

V L D

2 3

2 2 2

3 3 3

3 13

3 13

1 1 1

L L S

L V W

V L D

V V V

L L L

L V W

计算结果

D1=180 D2=75.075 D3=44.93

V1=327.2 V2=442.5 V3=116

L1=147.2 L2=368 L3=70.87

1V =160.1 2V =176 3V =276.1

1L =280.1 2L =220.8 3L =350.9

W1=120 W2=44.89 W3=75.075

塔板数计算 2,W 2 ' '

2 1 2'

,= ,B

-i i

A Bi

x WV i A

其中

2, 2 ' '2 1 2'

,= ,B

-i i D

A B Ci

x DV i A

其中

,D3 3 '' ''3 2 3''

,=B,C 0

-i i

B Ci

x DV i

其中

3,W 3 '' ''3 2 3''

,=C,B

-i i

B Ci

x WV i

其中

' ' ' '1 2 1 2

'' '' '' ''2 3 2 3

=6.124, =2.669, =7.3783, =3.35

1.639, 0.998, 2.6717, 1.2708

, ,L' '2 1

, ,s' '2 1

4 '2'1

/- -

( )/

- -=

( )

i i L i i

i i

i i s i i

i i

x x

Logx x

NLog

2 2

2

, ,D

' '2 1

,D,' '2 1

3 '2'1

/- -

( )

/- -

=( )

i i D i i

i i

i ii i L

i i

x x

Logxx

NLog

, ,s'' ''2 3

, ,'' ''2 3

5 ''2''3

/- -

( )

/- -

=( )

i i s i i

i i

i ii L i L

i i

x x

Logx x

NLog

3 3

, ,'' ''2 3

,W ,W

'' ''2 3

6 ''2''3

/- -

( )

/- -

=

( )

i ii L i L

i i

i i i i

i i

x x

Logx x

N

Log

:

:AL

BL

x

x

进入预分馏塔的液相流股的组成

离开预分馏塔的液相流股的组成3 4

6 5

AL

BL

x N N

x N N

，，

，，

1

, 1 3 4

5 6,

0.329, 8.29, 7.38

0.558, 11.46 9.88A L

B L

x N N

x N N

1 210, 10N N

结果总结

预分馏塔主分馏塔

总理论版数 20 39

进料位置 10

侧向采出位置 17

汽液相耦合流股位置 1/20 9,10/29,30

回流比 4.9

严格模拟• 采用 Aspen Plus 中的模型分析板块中的灵敏

度分析板块，选取主分馏塔的回流比为目标参数，先后以预分馏塔的进料位置，耦合流股的位置为优化变量，以最小回流比为优化目标，运行寻找最优。

• 优化结果：进料板位置优化为 13 。

预分馏塔液相摩尔组成分布图

主分馏塔液相摩尔组成分布图

二，汽液相分割比寻优• 采用 Aspen Plus 中的模型分析板块中的优化

板块，选取主分馏塔的回流比为目标参数，以汽液相分割比为两个自由变量，以最小回流比为优化目标，运行得到最优的一组汽液相分割比。

• 调节耦合流股流量，使得汽液相分割比在最优汽液相分割比附近变化，研究其对总费用的影响。

费用计算说明• 年度总费用包括投资费用及操作费用，均

由经验公式计算得出• 塔体直径采用校核直径 • 隔板塔的中间部分，塔内件费用乘以 1.15• 冷却水采用 20℃ 的工业用水，价格为

0.0015$/kg• 蒸汽采用 150℃ 的水蒸气，价格为 0.03$/

kg

三，案例分析（改变进料状况）Column 1： designed for A=B=C A=B=C A=0.5 B=C=0.25 B=0.5 A=C=0.25 C=0.5 B=A=0.25

Column 2： designed for A=0.5 A=B=C A=0.5 B=C=0.25 B=0.5 A=C=0.25 C=0.5 B=A=0.25

Column 3： designed for B=0.5 A=B=C A=0.5 B=C=0.25 B=0.5 A=C=0.25 C=0.5 B=A=0.25

Column 4： designed for C=0.5 A=B=C A=0.5 B=C=0.25 B=0.5 A=C=0.25 C=0.5 B=A=0.25

Column 1： designed for A=B=C




Column 2： designed for A=0.5


Column 3： designed for B=0.5


Column 4： designed for C=0.5


结果分析


不适合分离重组分占主要的混合物

液相分割比最佳范围汽相分割比最佳范围A=B=C 0.58~0.75 0.45~0.65

A=0.5 B=C=0.25 0.35~0.6 0.4~0.6

B=0.5 A=C=0.25 0.5~0.7 0.4~0.65

C=0.5 B=A=0.25 0.35~0.5 0.42~0.6

结果分析


不适合分离中间组分占主导的混合物


A=0.5 B=C=0.25 0.35~0.6 0.3~0.55

B=0.5 A=C=0.25 0.65~0.8 0.35~0.65

C=0.5 B=A=0.25 0.4~0.55 0.25~0.45

结果分析


不适合分离轻组分占主导的混合物


A=0.5 B=C=0.25 0.6~0.75 0.5~0.75

B=0.5 A=C=0.25 0.3~0.6 0.45~0.7

C=0.5 B=A=0.25 0.55~0.7 0.5~0.7

结果分析


不适合分离轻组分占主导的混合物


A=0.5 B=C=0.25 0.55~0.75 0.45~0.6

B=0.5 A=C=0.25 0.5~0.7 0.5~0.7

C=0.5 B=A=0.25 0.5~0.7 0.5~0.7

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