摘 要

隔壁塔作为一种复杂塔，以其独特的结构而在三元混合物分离流程中有着优良的节能效果。与常规序列精馏塔相比，具有更好的热力学效率。作为完全热耦合理论塔的实际应用，其理论从提出至今，各国对隔壁塔技术都有了突破性的研究发现，应用隔壁塔技术进行工业生产也有例可循。本文以苯-甲苯-二甲苯三元混合物系的精馏分离为例，利用ASP-EN PLUS软件分别模拟常规顺序塔和隔壁塔，并对塔板数、进料位置、出料位置、隔板位置和连接流股流量等参数进行优化，分析对比二者能耗。发现在一定进料状况、产品流量及纯度一致的情况下，隔壁塔再沸器热负荷较常规塔节能30.3%，冷凝器热负荷较常规塔节能30.5%。

模拟工作在参考国内外相关文献的情况下，尽可能的对模拟流程做出简化和适当改动，以期更好地得到模拟结果。本文的模拟数据佐证了隔壁塔在能源利用、经济价值上的巨大优势，希望对我国隔壁塔技术的研究和发展有所帮助。

关键词：ASPEN PLUS模拟、隔壁塔、常规塔、节能

Abstract

As a complex tower, the dividing-wall column has excellent energy saving effect in the three component separation process with its unique structure. Compared with conventional sequential distillation column, it has better thermodynamic efficiency. As the practical application of the complete thermo coupling rational tower, its theory has been put forward so far,many countries have made a breakthrough study on the technology of the dividing-wall column ,there are also some examples for industrial production using the technology of the partition tower.In this paper, the distillation separation of the three element mixture of benzene toluene - xylene is taken as an example. The ASPEN PLUS software is used to simulate the conventional sequence tower and the dividing-wall column . The parameters of the number of stage, the position of feed, the position of product, the position of the baffle and the flow rate of the connecting flow are optimized, and the energy consumption of the two is analyzed and compared. It is found that under the condition of certain feed condition, product flow rate and purity rate, the reboiler-duty or condenser-duty of the dividing-wall column is about 30.5% energy saving than that of the conventional tower.

The simulation work is to simplify and modify the simulation process as far as possible in the context of referring to the relevant literature at home and abroad, in order to get better simulation results. The simulation data of this paper proves the great advantage of the next wall tower in energy utilization and economic value, and hopes to help the research and development of the technology of the next wall tower in our country.

Keywords: ASPEN PLUS simulation, the dividing-wall column , the conventional tower, energy saving

目 录

第1章 绪论 1

第2章 隔壁塔（DWC）模拟及优化 3

2.1 隔壁塔技术 3

2.1.1 隔壁塔节能原理 3

2.1.2 隔壁塔结构 3

2.1.3 隔壁塔初值 4

2.2 隔壁塔流程模拟 5

2.2.1 隔壁塔流程模拟图 5

2.2.2 隔壁塔物流 5

2.2.3 设计规定 6

2.2.4收敛算法的选择 6

2.2.5 流程模拟运行 7

2.3隔壁塔流程优化 7

2.3.1 优化的对象 7

2.3.2 灵敏度分析 7

1、塔板数灵敏度分析 7

2、进料板位置灵敏度分析 8

3、侧线出料位置灵敏度分析 8

2.3.3实际优化操作 9

1、塔板数优化 10

2、进料位置优化 10

3、侧线出料位置优化 11

4、隔板位置优化 11

5、第1、3连接流股流量优化 12

2.4 优化参数回代 13

第3章常规双塔模拟及优化 14

3.1 常规双塔分离工艺 14

3.2 双塔分离流程模拟 14

3.2.1常规塔模拟流程图 14

3.2.2常规塔初值 15

3.2.3收敛方法 15

3.2.4设计规定 15

3.2.5流程模拟运行 15

3.3流程模拟优化 16

3.3.1 塔板数优化 16

3.3.2进料位置优化塔 17

3.4 优化参数回代 18

第4章 结果分析 20

4.1隔壁塔模型分析 20

4.1.1设计规定的简化 20

4.1.2连接流股的优化 20

4.2节能效率计算 20

4.3结论 21

4.4问题延伸 22

4.4.1隔壁塔更优化方法 22

4.4.2 隔壁塔动态控制 22

4.4.3隔壁塔用于四组分分离 22

4.4.4隔壁塔的使用范围 23

第5章 总结 展望 24

参考文献 25

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景和目的

精馏^[1]是一种在精馏塔内通过多次部分气化与冷凝来分离混合物中不同挥发度组分的单元操作，广泛应用于化工和石油化工生产之中。在现有的单元操作中，技术和理论最为成熟，同时耗能最多，其操作能耗大约占到整个分离过程的40%～70%^{[2、3、4]，}而这正是问题所在。在如今的全球形势下^[5]，虽然新能源的研发与利用在快速发展，但依然是以化石能源为主，特别是在发展中国家，新能源技术尚未成熟，旧有的煤炭、石油能源日渐紧张，能源的需求和供给产生了极大的矛盾。据全球能源年鉴报告，我国的能源结构仍然是以煤和石油两种化石能源为主，对于火电和水电的需求很高。此外，化石能源的大量使用对全球气候的影响、环境的污染和造成的能源安全问题，人们对此都不陌生。根据文献记载，传统能源使用所产生的碳排放量占全球碳排放总量的60%以上^[6]。气候变暖、酸雨、臭氧层破坏和大规模的雾霾现象等等都与之有一定联系。因此根据全球趋势、我国政策、十九大的最新方针，设计可持续发展、低能耗、低投资的精馏系统，提高能源利用效率，缓解能源危机是整个行业亟待解决的问题^[7]。

1.2 国内外研究现状

节约精馏操作的能耗有着很大的社会效益和经济价值，也是可行的。目前，精馏操作的节能优化有三种方式：优化操作条件、改善换热网络、优化塔器构造^[8]。优化操作条件在Aspen模拟之中便是优化各项参数，如塔板数、回流比、进出料位置和流量，塔内温度和压力等等，利用设计规定或灵敏度分析对操作参数进行优化是节能优化的基本操作。改善换热网络可分为：增加中间换热装置、优化分离序列和利用其它特殊精馏方式。优化塔器构造在于研究开发新型的塔内构件、填料和其它辅助构件。而本文要探讨的隔壁塔则属于后两种优化方式的结合。隔壁塔属于新型的塔结构，同时运用完全热耦合原理，利用多种换热方式组合增加热力学效率。完全热耦合精馏的理论早已有之，由LUSTER于1930年首次提出，不过由于隔壁塔自由度的增多导致塔设计难度和操作条件的控制难度大增，并未立刻将理论用于实践，几十年后经德国的BASF公司和Montz公司合作，后者提供塔内构件，前者建成了世界首套隔壁塔装置并实现了隔壁塔的工业化应用^[9]。在隔壁塔设备和内件的开发方面，Montz公司一直处于世界领先地位，掌握着大量相关技术和专利。之后其它各国陆续实现了隔壁塔的工业化，如美国GTC公司、KBR技术公司等。目前隔壁塔前沿工作在于将隔壁塔应用于特殊精馏，如反应精馏、萃取精馏和共沸精馏等。我国也正在大力研发隔壁塔技术，但由于起步较晚，尽管有着一些模拟研究，但可能在隔壁塔的制造方面尚处于真空区，距离实现隔壁塔工业化^[10]尚有一段距离。

1.3 本文研究内容和目的

模拟研究的工作方面，Aspen中有模型用于模拟隔壁塔，所以尚不知道塔体内具体结构并不影响模拟的进行。本文将以苯-甲苯-二甲苯混合物系分离为例来对比隔壁塔和常规精馏塔，关于所选择的物系，其中苯及苯的衍生物作为稀缺的化学原料，在化工生产和日常生活中有着广泛的用途，在香料、橡胶、人造纤维、食用和医用等方面都不可或缺，另外两种组分，甲苯和二甲苯也有着广泛的应用。BTX物系分离得到纯组分有着极大的经济价值。而在我国，分离混苯主要还是依靠常规精馏方法，生产工艺公开、操作简单，但为得到高纯度的组分产品需要耗费大量能源，对产品价格和工厂效益有很大限制，所以需要寻求新的生产工艺或者设备，隔壁塔的研究很有必要。本文仅借用前人已有的隔壁塔模拟初值进行Aspen流程模拟，对设计规定或个别参数进行简化和调整，之后对存在优化空间的参数进行单因素优化，即仅考虑优化对象对热负荷的单独影响，一一进行优化，以期得到较优化的热负荷结果。同时对比经优化后的常规塔流程，计算节能效率。并且对隔壁塔最新的研究和应用方向进行的初步归纳，希望能够佐证隔壁塔巨大的经济价值并对后来者的研究工作有所帮助。

第2章 隔壁塔（DWC）模拟及优化

2.1 隔壁塔技术

2.1.1 隔壁塔节能原理

现有的研究发现应用完全热耦合技术而建立的塔结构有更好的热力学效率，理论上的完全热耦合精馏塔，简称Petlyuk塔^{[11、12、13]}。由于有预分馏塔对物流的一次分割，中间组分可以在预分馏塔中极大程度地均匀分布并且可以做到在浓度最大处采出。如果工艺和操作条件控制理想，以侧线采出位置为边界，上边界可以近似认为只存在苯-甲苯的分离，下边界近似认为只存在甲苯-二甲苯的分离，塔内各部几乎只存在两组分的分离过程，尽可能的避免了中间组分的返混，从而降低了系统的熵增和热损失，提高了塔的热利用效率，节约了能耗。而在常规精馏塔中，塔1提馏段内随着轻组分浓度的降低,中间组分的浓度逐渐增加,但在靠近塔釜处,由于重组分浓度增加,中间组分浓度在达到最大值后逐渐减小, 即中间组分在该塔中发生返混,这也是常规精馏塔塔分离效率较低的重要原因。隔壁塔作为理论用于实践的模型，早在1933年，Eric W Luster为解决裂解气分离问题便提出了隔壁塔概念，但由于其工艺计算及控制的复杂性，直到1985年，第一座用于回收精细化学品的隔壁塔才投入工业运转。由德国BASF公司开发，在塔内设置一竖直隔板,进料侧视为预分馏塔,起到初步分割物流的作用,另一侧视为主塔,隔壁塔实现了在一个塔内三组分的高纯度分离并且继承了Petlyuk塔的节能优势。研究表明,对于不同物系的分离,隔壁塔可节约能耗10%～60%,节省设备投资10%～50%^[11]。

2.1.2 隔壁塔结构

隔壁塔作为Petlyuk理论塔的实践应用，也是完全热耦合精馏塔^[14]。热耦合指某种传热方式，通过热传递、热辐射或热对流，或者几种传热方式来实现传热。隔壁塔取消了预精馏塔的再沸器和冷凝器，从主精馏塔侧线引出两个物流作为预精馏塔的气液相回流，利用气液对流传热。这种结构提高了精馏过程的可逆性，又节约了可观的设备投资。与常规精馏塔相比，隔壁塔在塔中多了一块垂直隔板，具体细分，将整塔分为四个部分：进料侧充当预分馏塔，侧线出料侧为侧线精馏区，隔板以上为公共精馏区，隔板以下为公共提馏区。侧线精馏区、公共精馏区和公共提馏区充当主塔。

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