外部热耦合式复合精馏塔的实验研究

论文摘要

精馏过程是化学工业中的主要耗能单元,为了提高精馏过程中能量的利用效率,降低能量的消耗,热耦合技术得到了广泛的发展。热耦合技术主要包括内部热耦合和外部热耦合两种,其中内部热耦合技术由于其内部换热结构比较复杂,很难在工业生产中得到广泛的应用。外部热耦合技术是在精馏塔外进行热量的耦合,因此,大大降低了热耦合的复杂性。外部热耦合技术最早是根据变压精馏过程提出的,Luyben等人首先研究了高压精馏塔冷凝器与低压精馏塔再沸器耦合的情况。考虑到耦合程度与能耗的关系,Huang等人研究了高压塔精馏段与低压塔提馏段耦合的情况,并将该结构命名为外部热耦合式复合精馏塔(简称EHIDDiC)。Huang等人通过大量的仿真计算已经证明了外部热耦合式复合精馏塔可以有效地利用余热,提高系统的热力学效率,达到很高的节能幅度,但仍缺乏实验数据的支持。因此本文旨在从实验的角度来验证外部热耦合原理的节能效果。外部热耦合式复合精馏塔是将高压精馏塔精馏段(包括塔顶冷凝器)放出的热量传递到低压精馏塔提馏段(包括塔釜再沸器),从而实现热量的耦合,对应的耦合塔板之间设有外部换热器,当耦合塔板数较多时,相应的需要使用较多的外部换热器,这就导致外部热耦合式复合精馏塔实验设备的建造难度增加,因此在外部热耦合式复合精馏塔的基础上,以系统的年度总费用TAC最小为设计目标,对外部热耦合式复合精馏塔进行优化,得到简化的外部热耦合式复合精馏塔(简称SEHIDDiC),该简化结构仅采用3个外部换热器来进行热量的耦合,使设备建造的难度大幅度降低。根据简化的外部热耦合式复合精馏塔,我们对外部热耦合式复合精馏塔的实验设备进行了设计。设计部分主要包括外部热耦合式复合精馏塔实验装置的材质选择,精馏塔的塔径,系统的处理量等设计参数的计算,以及该实验装置中的检测和控制设施的设计。外部热耦合式复合精馏塔实验部分主要介绍了实验内容,实验结果以及对实验结果的分析。其中实验内容主要包括系统开车试验,以及系统稳态实验；稳态实验中包括蒸汽上升至塔顶、全回流、正常进出料三种状态的实验,每种状态的实验包括应用外部热耦合与不应用外部热耦合两种情况；应用外部热耦合的实验包括开启不同个数换热器和不同换热器组合的实验。由于实验室条件和实验设备的限制,使得部分实验无法顺利进行。为了能够进一步分析外部热耦合式复合精馏塔在实际分离过程中的特点,需要对实验设备进行模型化,通过模型对无法在实验设备上实现的情况进行研究讨论。本次研究选择正丙醇和异丙醇二元物系作为分离对象,根据对实验结果以及模拟结果的分析,初步验证了外部热耦合式复合精馏塔在实验过程中的节能效果,为外部热耦合式复合精馏塔应用于实际生产过程奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究的意义和目的
• 1.3 论文结构
• 第二章 热耦合精馏技术的发展概况
• 2.1 内部热耦合技术的发展
• 2.1.1 完全热耦合技术
• 2.1.2 隔离壁热耦合技术
• 2.1.3 SRV热耦合技术
• 2.1.4 理想内部热耦合技术
• 2.2 外部热耦合技术的发展
• 2.2.1 对称型外部热耦合式复合精馏塔结构
• 2.2.2 非对称型外部热耦合精馏结构
• 2.2.3 简化的外部热耦合精馏结构
• 2.3 本章小结
• 第三章 外部热耦合式复合精馏塔实验理论设计
• 3.1 外部热耦合式复合精馏塔原理
• 3.2 外部热耦合式复合精馏塔实验设计
• 3.2.1 确定分离物系和操作压力
• 3.2.2 经济性能计算
• 3.2.3 仿真计算的操作条件
• 3.2.4 建立模型
• 3.2.4.1 常规精馏塔模型
• 3.2.4.2 整段耦合型外部热耦合式复合精馏塔模型
• 3.2.4.3 简化的三换热器型外部热耦合式复合精馏塔模型
• 3.3 本章小结
• 第四章 外部热耦合式复合精馏塔实验装置
• 4.1 实验装置设计指标
• 4.1.1 精馏塔材质及构造
• 4.1.2 精馏塔设计参数
• 4.2 外部热耦合式复合精馏塔实验装置
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 测量和控制设施
• 4.3 实验装置的特点
• 4.4 本章小结
• 第五章 外部热耦合式复合精馏塔实验
• 5.1 开车试验
• 5.2 外部热耦合式复合精馏塔稳态实验
• 5.2.1 低压单塔实验
• 5.2.2 蒸汽到达塔顶实验
• 5.2.3 全回流实验
• 5.2.4 正常进出料实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 外部热耦合式复合精馏塔实验建模
• 6.1 实验装置模型化
• 6.2 实验装置模型验证
• 6.3 模型实验
• 6.3.1 换热器连接次序的影响
• 6.3.2 不同换热面积的换热器组合影响
• 6.3.3 最优结构
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 导师与作者简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书