精餾塔設計與優(yōu)化.doc

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精餾塔的設計與優(yōu)化1. 精餾塔的設計精餾塔的設計牽涉到眾多的參數(shù)：產(chǎn)品組成、產(chǎn)品的流量、操作壓力、塔板數(shù)、進料位置、回流比、再沸器熱負荷、冷凝器冷卻負荷、塔徑、塔高。精餾塔設計中常見的情況是已知進料條件，即進料物流的流量F、組成zi、溫度TF、壓力PF。通常也會指定塔頂產(chǎn)品的中輕關鍵組分濃度xD,LK和塔底產(chǎn)品的重關鍵組分濃度xB,HK1。因此，設計的問題就在于確立精餾塔的操作壓力，塔板數(shù)，進料位置，回流比，以得到期望純度的產(chǎn)品。當確定了操作壓力、塔板數(shù)、進料位置、回流比以及期望的產(chǎn)品純度，則相應的再沸器熱負荷、冷凝器冷卻負荷、塔頂及塔底流量、塔徑、塔高也即為定值（具體的塔板類型及換熱器結構不在討論范圍之內(nèi)）。計算機編程能夠精確的求解MESH方程組，但是簡捷計算法仍被用于設計任務的初期，并且在界定問題上作為計算機的輔助手段，具有智能指導性的簡捷計算法可以減少計算機的耗時和費用2。1.1. 操作壓力的確定對于絕大多數(shù)精餾塔的設計問題而言，選擇獨立操作塔（即與過程中其余部分無能量集成的塔）的操作壓力是一項相對簡單的，直截了當?shù)娜蝿?，考慮的重點只是塔頂餾出物的冷凝溫度，使其能夠在炎熱的夏季也能用自來水將蒸汽冷凝下來3。1.2. 塔板數(shù)與回流比的計算在多組分精餾中，由于產(chǎn)品濃度不能完全確定，二元精餾中十分有效的逐板計算法在多元精餾中遇到了困難，多元精餾的設計計算至今尚無通用有效的方法，只能應用核算型算法經(jīng)多方案試算比較，得到合適的設計結果4。圖解法（即McCabe-Thiele法）能很好地圖示出VLE、回流比、塔板數(shù)，但該方法僅限于二元體系。隨著組分數(shù)的增多，圖解法也無法應用了。在多組分精餾中，對于有恒定的多組分系統(tǒng)，可以用Underwood法求得最小回流比的精確解，其方程式為：經(jīng)驗表明，最佳回流比的值往往處在1.03R/Rm1.3的范圍內(nèi)。通常選擇操作回流比使R/Rm等于1.2。對于三元混合物的最小回流比的計算，Glinos和Malone給出了可以用來代替Underwood方程的表達式3：在多組分精餾中，對于有恒定的多組分系統(tǒng)，F(xiàn)enske導出了全回流條件下的最小塔板數(shù)的表達式：式中l(wèi)k,hk是輕關鍵組分對重關鍵組分的相對揮發(fā)度，下標lk指輕關鍵組分，hk指重關鍵組分。當lk,hk沿塔有些變化時，應取塔頂、加料和塔底處其值的平均值：至此，對于理論塔板數(shù)的計算就可以通過查吉利蘭圖得到，或者通過吉利蘭關聯(lián)得到4：對于多組分精餾設計中理論塔板數(shù)和回流比的確定，還有一些其他的數(shù)學方法，但以上計算式因形式相對簡單、精確度較高而使用的比較廣泛。在使用流程模擬軟件時，在規(guī)定分離要求的情況下，對于最小塔板數(shù)的確定還可以參用依次減少塔板數(shù)，直至所需的回流比變得非常大為止（期間假定進料級數(shù)隨總級數(shù)的增加維持一個固定的比值）；對于最小回流比的確定，可以不斷的增加塔的級數(shù)，直至回流比不再下降為止1。1.3. 進料位置的計算Brown和Martin建議，適宜進料位置的確定原則是：在操作回流比下精餾段與提餾段理論板數(shù)之比，等于在全回流條件下用Fenske公式計算得到的精餾段與提餾段理論塔板數(shù)之比5，即：同時，可得進料板數(shù)為Nr+1。經(jīng)驗表明，如果精餾塔兩產(chǎn)品D和B量大致相當，此方法計算結果較準確。Kirkbrideulead提出了一個近似確定適宜進料位置的經(jīng)驗式：上述兩種方法中，后者的計算結果稍好一些。2. 精餾塔的優(yōu)化精餾過程的優(yōu)化分為設計優(yōu)化和操作優(yōu)化。設計優(yōu)化是根據(jù)目標函數(shù)求解最優(yōu)的設計參數(shù)和操作參數(shù)，如塔板數(shù)、進料位置、回流比、操作壓力等，以解決工藝和設備設計問題。精餾過程的操作優(yōu)化是在保證產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定操作的前提下，通過改變回流比、進料位置、進料狀態(tài)等來提高產(chǎn)率，節(jié)能降耗6，而對塔硬件不做改動。在完成了物料和能量平衡自后，就可以用簡捷法計算出設備的尺寸，然后可以用Douglas J. M在其著作化工過程的概念設計3附錄E中給出的計算方法計算出設備的建設費用和操作費用。對于單個設備的設計優(yōu)化問題，通常都具有類似的結構：一個費用模型和若干個用等式來表示的約束條件；其都會表現(xiàn)出相似的特征：即在單調(diào)增與單調(diào)減的費用函數(shù)之間求取平衡，而且復合函數(shù)往往會有一個極值?，F(xiàn)在比較通用的優(yōu)化方法是選擇一個目標函數(shù)，該目標函數(shù)可以包含設備費用和操作費用。比較常用的目標函數(shù)有：年度總費用(total annual cost，TAC，), 利潤等。實際操作的時候通常是固定其余的優(yōu)化變量，拿其中一個變量在合適的取值范圍內(nèi)尋找使目標函數(shù)取得極值的值，然后換做其他變量，依次迭代進行。這種優(yōu)化措施雖然效果很好，但卻很費時，所以對某些影響不明顯變量，優(yōu)化的時可以適當放寬步長。同時對于其他變量的優(yōu)化，不一定都要追求最優(yōu)解，有些情況下也可以用次優(yōu)解代替。當考慮循環(huán)的優(yōu)化問題時，我們把循環(huán)的優(yōu)化定義為影響一個循環(huán)回路內(nèi)所有設備的投資和操作費用的某個設計變量的優(yōu)化3。以下的討論僅針對單塔操作進行。1.2.2.1. 操作壓力的優(yōu)化常規(guī)精餾塔單塔的壓力優(yōu)化相對較簡單，在滿足塔頂冷凝器的溫度可以在最炎熱的夏季也能夠用自來水冷卻的前提下，可以參用相對較低的操作壓力以減少再沸器的熱負荷。在實際設計的時候，由于增加壁厚而增加的設備費用將隨著壓力的增加而增大，在滿足分離要求的前提下，低壓（正壓）相對有利。2.2. 理論塔板數(shù)與回流比的優(yōu)化精餾塔最主要的設備就是塔器（高度L和直徑D），以及兩臺換熱器。其他較小的設備，例如機泵閥門以及回流罐，很少在概念設計階段就予以考慮。塔盤的成本比起塔器和換熱器而言顯得很小，通常也忽略不計。對于精餾塔設計經(jīng)濟核算優(yōu)化，經(jīng)常使用比較簡單的目標函數(shù)，例如年度總費用。對于塔板數(shù)和回流比的優(yōu)化，都是在固定其他變量的情況下，單獨變化塔板數(shù)或者回流比，計算出對應的年度總費用，然后找出使得年度總費用最小的塔板數(shù)或回流比。此時，往往需要采用迭代計算，以求出在所有變量的最優(yōu)解。2.3. 進料位置和進料狀態(tài)的優(yōu)化陸錫恩老師對精餾塔的進料狀態(tài)7和進料位置8對整個精餾塔的操作費用的影響作了比較詳細的論述，并得出了一些很有指導性的結論。1). 進料狀態(tài)對精餾塔操作費用的影響：(1)對于塔頂產(chǎn)品占主要比例的蒸餾塔，進料的氣化率對塔釜再沸器的熱負荷影響十分顯著，隨氣化率的上升，再沸器熱負荷以較大的比例下降，與此同時，塔頂冷凝器的熱負荷只有中等程度的變化。此時進料以露點或過熱為宜。(2)對于塔釜產(chǎn)品占主要比例的蒸餾塔，進料的氣化率對塔頂冷凝器的熱負荷影響較為顯著，隨氣化率的上升，冷凝器的熱負荷以較大的比例增加，與此同時，塔釜再沸器的熱負荷只有中等程度或很小的變化。對于冷凝器處于低溫狀態(tài)，使用冷劑的價格較高時，進料為泡點或過冷時，會取得十分顯著的經(jīng)濟效益。(3)當蒸餾塔進料來自上游塔的塔頂采出時，且該蒸餾塔塔頂出料占主要比例，則上游塔塔頂采出以氣相為宜，而不應取泡點出料。這樣前后兩塔可以節(jié)省能耗。2). 進料位置對精餾塔操作費用的影響：蒸餾塔的最佳進料板位置可以從3個方面進行定義：相同分離要求及板數(shù)下，回流比最小或冷凝器、再沸器熱負荷最??；相同板數(shù)及回流比下，塔頂和塔釜產(chǎn)品的分離純度最高；相同分離要求和回流比下，所需塔板數(shù)最少。對于進料位置的優(yōu)化，通常要借助計算機軟件，采用靈敏度分析來進行。通常是在可行的進料板數(shù)范圍內(nèi)，逐板尋找使得熱負荷最小的塔板作為進料板。3. 總結塔設計是塔優(yōu)化的前提。在給定分離要求的前提下，對于塔設計就是要尋找適當?shù)乃鍞?shù)、回流比、進料位置、操作壓力等來滿足分離要求，得到滿足要求的產(chǎn)品。塔優(yōu)化是在塔設計提供的各個參數(shù)值作為初值的基礎上，利用某個目標函數(shù)來完成設備費用和操作費用的權衡，使得操作費用和設備費用的總和最小，利潤最大化。參考文獻1 William L.Luyben; Distillation Design and Control Using ASPENTM Simulation; John Wiley & Sons, Inc, 2006, USA.2 R. K. Sinnott主編，宋旭峰譯；化工設計；中國石化出版社；2009，P390-410.3 Douglas J. M.; Conceptual Design of Chemical Process; Weinheim, Germany, 2004.4 吳俊生，邵惠鶴；精餾設計、操作和控制; 中國石化出版社，1997.5 陳洪鈁，劉家祺；化工分離過程；化學工業(yè)出版社，1995.6 張猛，徐用懋；反應精餾相關技術研究進展(II)過程優(yōu)化與控制技術；化工自動化及儀表, 2004, 31 ( 2) : 5 9.7 陸恩錫，羅明輝；蒸餾過程進料狀態(tài)優(yōu)化；化學工程，36(2008),6.8 徐忠，陸恩錫；蒸餾過程進料位置優(yōu)化；化學工程，36(2008),7.