塔中換熱器的模擬研究

原平方

(新鄉(xiāng)學院化學化工學院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

在現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程中，分離是一個非常重要的過程單元，它直接決定最終產(chǎn)品的質量和收率。精餾是一種利用組分間相對揮發(fā)度不同實現(xiàn)的分離方法，是工業(yè)上應用最廣的液體混合物分離操作，廣泛應用于化工行業(yè)各個部門。據(jù)估計，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]。隨著全球能源危機的不斷加劇，越來越多的研究人員開展了對精餾過程的節(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]。在塔中設置中間冷凝器，可用溫度較高的冷卻介質，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冷卻介質的用量。同理，在塔內(nèi)設置中間再沸器，可利用溫度較低的加熱介質，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，苯的質量分數(shù)為99%。

精餾塔采用RadFrace模塊進行模擬，塔板數(shù)為40塊理論板，塔頂為第1塊板，塔釜為第40塊板，進料位置為第20塊塔板，進料狀態(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℃。模擬中熱力學模型選擇ASPEN使用手冊推薦的NRTL模型。模擬過程對比了傳統(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 模擬結果及討論

2.1 抽出位置

本節(jié)通過設置不同位置的塔中冷凝器和再沸器考察抽出位置對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，溫度為泡點溫度，再沸器回流為全氣相，溫度為露點溫度。

圖2所示為塔中冷凝器不同的氣相抽出位置對精餾過程能耗的影響。由圖中可以看出，在抽出量為300kg/h時，當塔中冷凝器的抽出位置設置在提餾段即進料位置以下時，全塔能耗較傳統(tǒng)精餾約高33%。當抽出位置位于精餾段時，能耗明顯減小，能耗隨著抽出位置的下移逐漸增加。同時可以看出，當抽出量一定時，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精餾過程能耗的影響。由圖中可以看出，在抽出量為300kg/h時，當塔中再沸器的抽出位置設置在精餾段即進料位置以上時，全塔能耗較傳統(tǒng)精餾約高30%。當抽出位置位于提餾段時，能耗明顯減小，能耗隨著抽出位置的下移逐漸降低。同時可以看出，當抽出量一定時，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，塔中冷凝器應設置在精餾塔的精餾段，塔中再沸器應設置在提餾段。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。在實際操作中，這種條件將導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，回流為泡點溫度下的液相。由圖中可以看出，當回流塔板位置處于抽出板位置以上時，塔的總能耗與傳統(tǒng)精餾塔基本持平，與所在位置無關；當回流塔板位置位于抽出板以下時，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，回流為露點溫度下的氣相。結果表明當回流塔板位置處于抽出板位置以下時，塔的總能耗與傳統(tǒng)精餾塔基本持平，與所在位置無關；當回流塔板位置位于抽出板以上時，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系Fig.5 The relationship of tower reboiler backflow position and energy consumption

由圖4，圖5可以看出，對于塔中冷凝器而言，其回流位置應位于抽出板位置以上；對于塔中再沸器而言，其回流位置應位于抽出板位置以下。抽出板與回流板之間的間隔對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系。其中抽出板為第30塊板，回流板為第31塊板，回流為露點溫度的氣相。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

在實際工程當中，冷凝器的冷凝率與再沸器的氣化率在操作過程當中也是一個重要的參數(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，保證回流中液相質量為200kg/h。圖8為塔中冷凝器冷凝率與能耗關系，圖9為塔中再沸器氣化率與能耗關系。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。這說明，塔中換熱器的冷凝率和氣化率對全塔的能耗基本沒有影響。在實際生產(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系Fig.9 The relationship of tower reboiler evaporation rate and energy consumption

3 結論

塔中冷凝器或再沸器的加入，將導致塔的能耗總量增加。塔中冷凝器應設置在塔的精餾段，塔中再沸器應設置在提餾段；塔中冷凝器回流位置應在抽出位置上方，塔中再沸器回流位置應在抽出位置下方；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；冷凝率和氣化率對全塔能耗影響不大。

[1] 岳金彩,閆 飛,鄒 亮,等.精餾過程節(jié)能技術[J].節(jié)能技術,2008,26(1):64-67.

[2] 趙鳳嶺．精餾的節(jié)能途徑[J]．化學工程,1996,24(3):40-42．

[3] 邊習棉,朱銀惠,李 輝. 精餾過程的節(jié)能途徑[J]. 廣東化工,2007,34(11):88-91.

[4] 趙 雄, 羅祎青, 閆兵海,等. 內(nèi)部能量集成精餾塔的模擬研究及其節(jié)能特性分析[J]. 化工學報, 2009, 60(1):142-150.

[5] 李紅海,姜 奕. 精餾塔設備的設計與節(jié)能研究進展[J]. 化工進展, 2014, 33(a01):14-18.

[6] 高維平,楊 瑩,劉學線,等. 化工精餾高效節(jié)能技術開發(fā)及應用[J]. 吉林化工學院學報, 2008, 25(3):1-5.

[7] 佟 昊,董守亮.影響精餾操作的主要因素及精餾節(jié)能技術淺析[J]. 中國石油和化工標準與質量, 2012, 33(12):29-29.

[8] Shu L W, Chen L G, Sun F R. Performance optimization of a diabatic distillation-column by allocating a sequential heat-exchanger inventory[J]. Applied Energy. 2007, 84(9): 893-903.