塔中換熱器的模擬研究

原平方

(新鄉(xiāng)學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

在現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程中，分離是一個(gè)非常重要的過程單元，它直接決定最終產(chǎn)品的質(zhì)量和收率。精餾是一種利用組分間相對(duì)揮發(fā)度不同實(shí)現(xiàn)的分離方法，是工業(yè)上應(yīng)用最廣的液體混合物分離操作，廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)各個(gè)部門。據(jù)估計(jì)，化工過程中40%～70%的能耗用于分離，而精餾能耗又占其中的95%[1]。隨著全球能源危機(jī)的不斷加劇，越來越多的研究人員開展了對(duì)精餾過程的節(jié)能研究[2-7]。在全塔溫度梯度較大的精餾塔中，設(shè)置中間換熱器是降低精餾過程能耗的一種措施[8]。在塔中設(shè)置中間冷凝器，可用溫度較高的冷卻介質(zhì)，使塔內(nèi)上升蒸汽部分冷凝，這樣可以減少塔頂?shù)蜏馗邇r(jià)冷卻介質(zhì)的用量。同理，在塔內(nèi)設(shè)置中間再沸器，可利用溫度較低的加熱介質(zhì)，使塔內(nèi)下降液體部分汽化，從而可以減少塔底再沸器中高溫加熱介質(zhì)的用量。本文利用ASPEN模擬軟件，從能耗總量的角度研究了增加中間換熱器對(duì)精餾過程的影響以及換熱器的操作條件。

1 模擬流程

以苯-甲苯-二甲苯的分離為例子，研究塔中換熱器對(duì)精餾過程的影響。原料組分及產(chǎn)品要求見表1。為了保證模擬的一致性，塔頂出料均為300kg/h，苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%。

精餾塔采用RadFrace模塊進(jìn)行模擬，塔板數(shù)為40塊理論板，塔頂為第1塊板，塔釜為第40塊板，進(jìn)料位置為第20塊塔板，進(jìn)料狀態(tài)為150kPa壓力下的飽和液相，塔頂壓力為150kPa，塔頂冷凝器溫度為40℃。模擬中熱力學(xué)模型選擇ASPEN使用手冊(cè)推薦的NRTL模型。模擬過程對(duì)比了傳統(tǒng)精餾塔與有中間換熱器的精餾塔之間的能耗，流程圖如圖1所示。

(a)傳統(tǒng)精餾；(b)中間換熱器精餾

圖1 模擬流程圖

Fig.2 Flow diagram of simulation

2 模擬結(jié)果及討論

2.1 抽出位置

本節(jié)通過設(shè)置不同位置的塔中冷凝器和再沸器考察抽出位置對(duì)精餾操作能耗的影響。選擇抽出塔板位置分別為5,10,15,20,25,30,35塊塔板，返回位置為抽出位置下一塊塔板。為了方便比較，塔中冷凝器和再沸器的抽出量均為300kg/h，冷凝器回流為全液相，溫度為泡點(diǎn)溫度，再沸器回流為全氣相，溫度為露點(diǎn)溫度。

圖2所示為塔中冷凝器不同的氣相抽出位置對(duì)精餾過程能耗的影響。由圖中可以看出，在抽出量為300kg/h時(shí)，當(dāng)塔中冷凝器的抽出位置設(shè)置在提餾段即進(jìn)料位置以下時(shí)，全塔能耗較傳統(tǒng)精餾約高33%。當(dāng)抽出位置位于精餾段時(shí)，能耗明顯減小，能耗隨著抽出位置的下移逐漸增加。同時(shí)可以看出，當(dāng)抽出量一定時(shí)，塔中冷凝器的能耗在不同位置處變化不大。

圖2 塔中冷凝器抽出位置與能耗關(guān)系Fig.2 The relationship of tower condenser withdraw position and energy consumption

圖3 塔中再沸器抽出位置與能耗關(guān)系Fig.3 The relationship of tower reboiler withdraw position and energy consumption

圖3所示為塔中再沸器不同的液相抽出位置對(duì)精餾過程能耗的影響。由圖中可以看出，在抽出量為300kg/h時(shí)，當(dāng)塔中再沸器的抽出位置設(shè)置在精餾段即進(jìn)料位置以上時(shí)，全塔能耗較傳統(tǒng)精餾約高30%。當(dāng)抽出位置位于提餾段時(shí)，能耗明顯減小，能耗隨著抽出位置的下移逐漸降低。同時(shí)可以看出，當(dāng)抽出量一定時(shí)，塔中再沸器的能耗在不同位置處變化不大。

由圖2，圖3可以看出，塔中冷凝器應(yīng)設(shè)置在精餾塔的精餾段，塔中再沸器應(yīng)設(shè)置在提餾段。塔中冷凝器越接近塔頂，其能耗越小，塔中再沸器越接近塔底，其能耗越小。在實(shí)際操作中，這種條件將導(dǎo)致塔中換熱器與塔頂或塔底溫差過小，不易使用低品位的公用工程，故應(yīng)綜合考慮其抽出位置。

2.2 回流位置

圖4所示為塔中冷凝器不同回流位置對(duì)精餾過程能耗的影響。在模擬過程中，塔中冷凝器的抽出位置選定為第10塊塔板，抽出量為300kg/h氣相，回流為泡點(diǎn)溫度下的液相。由圖中可以看出，當(dāng)回流塔板位置處于抽出板位置以上時(shí)，塔的總能耗與傳統(tǒng)精餾塔基本持平，與所在位置無關(guān)；當(dāng)回流塔板位置位于抽出板以下時(shí)，塔的總能耗隨回流板位置的下降而升高。

圖4 塔中冷凝器回流位置與能耗關(guān)系Fig.4 The relationship of tower condenser backflow position and energy consumption

圖5所示為塔中再沸器不同回流位置對(duì)精餾過程能耗的影響。塔中再沸器的抽出位置為第30塊塔板，抽出量為300kg/h液相，回流為露點(diǎn)溫度下的氣相。結(jié)果表明當(dāng)回流塔板位置處于抽出板位置以下時(shí)，塔的總能耗與傳統(tǒng)精餾塔基本持平，與所在位置無關(guān)；當(dāng)回流塔板位置位于抽出板以上時(shí)，塔的總能耗隨回流板位置的上升而升高。

圖5 塔中再沸器回流位置與能耗關(guān)系Fig.5 The relationship of tower reboiler backflow position and energy consumption

由圖4，圖5可以看出，對(duì)于塔中冷凝器而言，其回流位置應(yīng)位于抽出板位置以上；對(duì)于塔中再沸器而言，其回流位置應(yīng)位于抽出板位置以下。抽出板與回流板之間的間隔對(duì)于全塔能耗影響不大。

2.3 抽出量

圖6所示為塔中冷凝器抽出量與全塔能耗之間的關(guān)系。在模擬過程中，抽出板為第10塊板，回流板為第9塊板，回流為泡點(diǎn)溫度的液相。由圖可以看出隨著抽出量的增加，塔中冷凝器的耗能量線性增加，塔頂冷凝器的耗能量逐漸減小，總能耗與傳統(tǒng)精餾塔相比略有增加，但增加幅度很小。

圖6 塔中冷凝器抽出量與能耗關(guān)系Fig.6 The relationship of tower condenser out flow rate and energy consumption

圖7所示為塔中再沸器抽出量與全塔能耗之間的關(guān)系。其中抽出板為第30塊板，回流板為第31塊板，回流為露點(diǎn)溫度的氣相。由圖可以看出隨著抽出量的增加，塔中再沸器的耗能量線性增加，塔底再沸器的耗能量逐漸減小，總能耗與傳統(tǒng)精餾塔相比略有增加，但增加幅度很小。

圖7 塔中再沸器抽出量與能耗關(guān)系Fig.7 The relationship of tower reboiler out flow rate and energy consumption

由圖6，圖7可以看出，增加塔中換熱器的抽出量，全塔的能量消耗有所增加，但增加的幅度很小。在實(shí)際過程中，可以采用多抽出的方法，增加低品位公用工程的使用，降低成本。

2.4 冷凝率和氣化率

在實(shí)際工程當(dāng)中，冷凝器的冷凝率與再沸器的氣化率在操作過程當(dāng)中也是一個(gè)重要的參數(shù)，本節(jié)我們僅從能耗的角度研究塔中冷凝器和再沸器的冷凝率和氣化率對(duì)全塔能耗的影響。

模擬過程中塔中冷凝器抽出位置為第10塊板，回流位置為第9塊板，選擇不同的抽出量，但保證回流中氣相質(zhì)量為200kg/h；塔中再沸器抽出位置為第30塊塔板，回流位置為第31塊塔板，選擇不同的抽出量，保證回流中液相質(zhì)量為200kg/h。圖8為塔中冷凝器冷凝率與能耗關(guān)系，圖9為塔中再沸器氣化率與能耗關(guān)系。如圖所示，在不同的冷凝率和氣化率下，全塔能耗略微有所增加，但增加幅度可以忽略不計(jì)。這說明，塔中換熱器的冷凝率和氣化率對(duì)全塔的能耗基本沒有影響。在實(shí)際生產(chǎn)中可以較為自由的選擇塔中換熱器的冷凝率和氣化率。

圖8 塔中冷凝器冷凝率與能耗關(guān)系Fig.8 The relationship of tower condenser condensation rate and energy consumption

圖9 塔中再沸器氣化率與能耗關(guān)系Fig.9 The relationship of tower reboiler evaporation rate and energy consumption

3 結(jié)論

塔中冷凝器或再沸器的加入，將導(dǎo)致塔的能耗總量增加。塔中冷凝器應(yīng)設(shè)置在塔的精餾段，塔中再沸器應(yīng)設(shè)置在提餾段；塔中冷凝器回流位置應(yīng)在抽出位置上方，塔中再沸器回流位置應(yīng)在抽出位置下方；隨著塔中再沸器和冷凝器抽出量的增加，全塔能耗隨之增加；冷凝率和氣化率對(duì)全塔能耗影響不大。

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