基于熱力學目標分析的進料分流預熱精餾塔優(yōu)化措施

王選(國能新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400)

0 引言

在化工領域，精餾塔的預熱效率對節(jié)能減排有重要的影響，不同的節(jié)能措施對于實際塔板機構(gòu)和塔板效率產(chǎn)生的影響不同。在實際生產(chǎn)的分流進料預熱中把上股的進料進行分離，得到重組分，這部分會與下股進料所分離出了輕組分匯合。這兩個部分會進入到兩股進料板之間，然后進行重新混合，構(gòu)成返混。因此會導致出現(xiàn)了塔板液沫的夾帶或者液泛，對塔正常操作產(chǎn)生破壞作用。所以，需要就塔板作水力學核算，得到合適的塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而確保精餾塔可在處于正常的操作狀態(tài)下，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

1 熱力學理論下精餾塔研究

精餾塔總組合曲線，英文簡稱CGCC，這是一種最為接近實際的最小熱力學狀態(tài)的精餾塔總組合曲線，提出人是Dhole等研究被廣泛應用在精餾塔優(yōu)化中，主要優(yōu)化方面包括：精餾塔進料狀態(tài)、精餾塔進料的位置、精餾塔中間換熱器、精餾塔回流比等；也被用在了塔系和換熱網(wǎng)絡集成的優(yōu)化之中，有著非常有效的節(jié)能效果。但想到進料狀態(tài)可能存在的影響，該曲線中top-down以及bottom-up的構(gòu)建方式有一些差異，所以為彌補缺陷，Bandyopadhyay等研究一種新的曲線，以最小熱力學狀態(tài)為基礎的固定精餾線和提溜線(IRS)，進而給出了精餾塔熱力學參數(shù)的優(yōu)化目標。

2 優(yōu)化進料分流預熱精餾塔的思路

技術人員站在水力學和熱力學的角度，對進料分流預熱的精餾塔是怎樣傳熱傳質(zhì)進行分析，先運用IRS曲線分析進料分流預熱的精餾塔是何種熱力學性質(zhì)，接下來需對一些關鍵性的操作參數(shù)進行調(diào)整，包括QF(預熱量)、λ(分流率)、NF1(進料位置1)、NF2(進料位置2)，可以得到最后精餾塔最佳預熱效率，此時η(預熱效率)=100%。之后，運用塔板的效率以及氣液分布曲線，找到塔板效率最差以及氣液波動最大的敏感塔板。借助C++語言，以MATLAB中GUIDEE，開始圖形界面設計編程，構(gòu)建精餾塔水力學驗算的可視化窗口，核算上個階段中確定得到敏感塔板的水利學，才能想出調(diào)整塔板結(jié)構(gòu)的方法，以讓精餾塔一邊節(jié)能，一邊保持著正常操作狀態(tài)[1]。

3 分析優(yōu)化傳熱傳質(zhì)的方法

3.1 優(yōu)化熱力學

技術人員以IRS曲線對簡單塔和雙股進料的復雜塔的熱力學進行分析，總結(jié)會對精餾塔能耗產(chǎn)生影響的操作參數(shù)[2]。首先，構(gòu)建簡單塔IRS曲線。一般情況下，簡單塔就有一股進料，有兩股出料，利用MTC，得到精餾段和提餾段的焓赤字表達式。其次，構(gòu)建復雜塔IRS曲線。同樣以MTC為基礎，可以將多股的進料復雜塔劃分成為多個簡單分解塔，最后得到了IRS曲線，這是由多個分解塔IRS曲線結(jié)合形成，數(shù)學表達式為：

式中：i為第i個分解塔；i與j均為下標變量。

最后，分析及優(yōu)化進料分流預熱精餾塔傳熱性。針對單股進料熱熱的改進，改進結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，調(diào)整QF(預熱量)、λ(分流率)、NF1(進料位置1)、NF2(進料位置2)，就能夠讓冷凝器的負荷不發(fā)生變化，而在很大程度上減少再沸器的負荷。所以，以MTC為基礎，設計雙股進料的分解塔IRS曲線，雙股進料的分解塔的結(jié)構(gòu)圖見圖3。分析此進料風濕的熱力學性質(zhì)，給出合適的參數(shù)優(yōu)化目標。圖2之中的分解塔，通過物料的衡算可以得到：D1=λD，D2=(1-λ)D，B1=λB，B2=(1-λ)B，Δ1=λΔ，Δ2=(1-λ)Δ-QF。此時分離精餾度和塔操作壓力關系到(HRi/Di)以及(HRi/Di)，可以看為是定值，進而得到HRT1=HRT，HST1=HST?？山o出進料分流預熱精餾塔IRS曲線公式：

第一種情況：Δ2≥0，HRT1+HRT2=HST-QF，HST1+HRT2=λHST+(1+λ)HRT-QF，HST1+HRT2=HST；

第二種情況：Δ2＜0，Δ＜0，HRT1+HRT2=HRT，HST1+HRT2=λHST+(1-λ)HRT，HST1+HRT2=HST+QF；

第三種情況：Δ2＜0，Δ≥0，HRT1+HRT2=HST-(1-λ)Δ，HST1+HRT2=λHST+(1-λ)HRT-(1-λ)Δ，HST1+HST2=HST+QF-(1-λ)Δ。

在復雜塔的IRS曲線構(gòu)建方法基礎上，描繪出進料分流預熱精餾塔平移的IRS曲線，分別是(HRT1+HRT2)vsT、(HST1+HST2)vsT、(HST1+HST2)vsT，曲線圖為圖3。這三個曲線相交的點有兩個，分別是P1和P2，理論上是精餾塔IRS曲線夾點以及最佳進料位置，控制夾點是P1，經(jīng)此點可以繪出一個直角梯形，上底和下底的邊分別是此塔的冷凝器以及最小再沸器的負荷。三條曲線在梯形區(qū)間中的部分是此塔有效的平移IRS曲線，經(jīng)過P2點溫度則是此塔進行進料預熱溫度，對應著進料F2，此時TP2＞TP1。

為了讓η=100%，就應使得兩個P1、P2夾點處在同一條垂直線之上，進料F2需要預熱到TP2′，此時(HST1+HST2)vsT需要平移到(HST1′ +HST2′ )vsT，預熱的點也就從P2過渡為P′2，將這些條件關聯(lián)到一起，得到數(shù)學表達式帶入到QF和λ中，得到兩個表達式：

表達式中的TP2以及TP1則是100%預熱效果時最優(yōu)冷熱進料的溫度。

精餾塔進料預熱轉(zhuǎn)化成進料分流預熱如圖1所示。

圖1 精餾塔進料預熱轉(zhuǎn)化成進料分流預熱

雙股進料復雜塔被分解成兩個單股進料簡單塔如圖2所示。

圖2 雙股進料復雜塔被分解成兩個單股進料簡單塔

進料分流預熱精餾塔的IRS曲線如圖3所示。

圖3 進料分流預熱精餾塔的IRS曲線

3.2 優(yōu)化傳質(zhì)分析

技術人員站在傳質(zhì)角度進行分析，把組分相同物料分為兩股的進料，下方的進料則嚴重干擾著塔內(nèi)部正常氣液相組成的分布，從而使得兩個進料板之間塔板的效率減小，非常嚴重時，塔板則有液泛或者液沫夾帶的問題，影響環(huán)塔正常操作。所以，需以水力學分析兩個進料塔板之間塔板水力學性能，進而找到最合適塔板結(jié)構(gòu)存在形式，才能實現(xiàn)節(jié)能和正常操作的目的[3]。

針對單股的進料預熱精餾塔而言，輕關鍵組分氣液的濃度會順著塔頂?shù)剿茁冃?，重關鍵組分氣液的濃度則會慢慢變多，這與精餾規(guī)律相符合；但是，進料分流預熱之后，輕關鍵組分氣液的濃度會先變大而后變小，有此特征的是處于兩個進料板之間的時候，而此部分重關鍵組分氣液濃度則與之相反，由此可見，進料的分流預熱會使得兩股進料板所夾間隙的氣液組分出現(xiàn)返混問題，導致塔板效率減小。所以，以默弗里板效率為基礎，將進料分流預熱的精餾塔的塔板效率計算出來。

另外，單股進料的精餾塔的塔板效率則是從上到下，開始時減小，之后慢慢增大，主要原因則是沒有找到最佳進料位置，也沒有確定最佳的進料狀態(tài)，從而對進料板產(chǎn)生影響，也就影響到了進料板附近的塔板效率。針對此問題對精餾塔進行改良，優(yōu)化的精餾塔則有兩股進料，接近進料板和進料板附近位置塔板效率不是很高，還會出現(xiàn)塔板效率低于優(yōu)化前的效率，主要的原因則是進料F1和F2在分離了輕重組分的時候，于兩股進料板之間出現(xiàn)返混的問題，塔板效率因此變得比較低。同時，第m塊的塔板位置的塔板效率為最小值。

4 結(jié)語

綜上所述，站在熱力學角度分析，精餾塔達到100%預熱效率，則應將進料預熱優(yōu)化成進料分流預熱的形式，才能達到節(jié)能和正常操作同時進行的目的。