基于熱力學目標分析的進料分流預熱精餾塔優化措施

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能減排有重要的影響，不同的節能措施對于實際塔板機構和塔板效率產生的影響不同。在實際生產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，構成返混。因此會導致出現了塔板液沫的夾帶或者液泛，對塔正常操作產生破壞作用。所以，需要就塔板作水力學核算，得到合適的塔板結構參數，進而確保精餾塔可在處于正常的操作狀態下，實現節能減排的目標。

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化中，主要優化方面包括：精餾塔進料狀態、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絡集成的優化之中，有著非常有效的節能效果。但想到進料狀態可能存在的影響，該曲線中top-down以及bottom-up的構建方式有一些差異，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的優化目標。

2 優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，接下來需對一些關鍵性的操作參數進行調整，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，才能想出調整塔板結構的方法，以讓精餾塔一邊節能，一邊保持著正常操作狀態[1]。

3 分析優化傳熱傳質的方法

3.1 優化熱力學

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，總結會對精餾塔能耗產生影響的操作參數[2]。首先，構建簡單塔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曲線結合形成，數學表達式為：

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，改進結構圖如圖1所示，調整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構圖見圖3。分析此進料風濕的熱力學性質，給出合適的參數優化目標。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。可給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。三條曲線在梯形區間中的部分是此塔有效的平移IRS曲線，經過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，將這些條件關聯到一起，得到數學表達式帶入到QF和λ中，得到兩個表達式：

表達式中的TP2以及TP1則是100%預熱效果時最優冷熱進料的溫度。

精餾塔進料預熱轉化成進料分流預熱如圖1所示。

圖1 精餾塔進料預熱轉化成進料分流預熱

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 優化傳質分析

技術人員站在傳質角度進行分析，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構存在形式，才能實現節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到塔底慢慢變小，重關鍵組分氣液的濃度則會慢慢變多，這與精餾規律相符合；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，從而對進料板產生影響，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，還會出現塔板效率低于優化前的效率，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，則應將進料預熱優化成進料分流預熱的形式，才能達到節能和正常操作同時進行的目的。