精餾塔設(shè)計與優(yōu)化

1、精餾塔的設(shè)計與優(yōu)化1精餾塔的設(shè)計精餾塔的設(shè)計牽涉到眾多的參數(shù)：產(chǎn)品組成、產(chǎn)品的流量、操作壓力、塔板 數(shù)、進(jìn)料位置、回流比、再沸器熱負(fù)荷、冷凝器冷卻負(fù)荷、塔徑、塔高。精餾塔 設(shè)計中常見的情況是已知進(jìn)料條件，即進(jìn)料物流的流量F、組成z、溫度Tf、壓力PFo通常也會指定塔頂產(chǎn)品的中輕關(guān)鍵組分濃度 XD,LK和塔底產(chǎn)品的重關(guān)鍵組 分濃度XB,HK錯誤!未找到引用源。o因此，設(shè)計的問題就在于確立精餾塔的操作壓 力，塔板數(shù)，進(jìn)料位置，回流比，以得到期望純度的產(chǎn)品。當(dāng)確定了操作壓力、 塔板數(shù)、進(jìn)料位置、回流比以及期望的產(chǎn)品純度，則相應(yīng)的再沸器熱負(fù)荷、冷凝 器冷卻負(fù)荷、塔頂及塔底流量、塔徑、塔高也即為定值（具

2、體的塔板類型及換熱 器結(jié)構(gòu)不在討論范圍之內(nèi)）。計算機(jī)編程能夠精確的求解 MESH方程組，但是簡 捷計算法仍被用于設(shè)計任務(wù)的初期，并且在界定問題上作為計算機(jī)的輔助手段， 具有智能指導(dǎo)性的簡捷計算法可以減少計算機(jī)的耗時和費(fèi)用錯誤!未找到引用源。1.1. 操作壓力的確定對于絕大多數(shù)精餾塔的設(shè)計問題而言， 選擇獨立操作塔（即與過程中其余部 分無能量集成的塔）的操作壓力是一項相對簡單的，直截了當(dāng)?shù)娜蝿?wù)，考慮的重 點只是塔頂餾出物的冷凝溫度，使其能夠在炎熱的夏季也能用自來水將蒸汽冷凝 下來錯誤!未找到引用源。1.2. 塔板數(shù)與回流比的計算在多組分精餾中，由于產(chǎn)品濃度不能完全確定，二元精餾中十分有效的逐板

3、計算法在多元精餾中遇到了困難，多元精餾的設(shè)計計算至今尚無通用有效的方 法，只能應(yīng)用核算型算法經(jīng)多方案試算比較，得到合適的設(shè)計結(jié)果錯誤!未找到引用源。圖解法（即McCabe-Thiele法）能很好地圖示出VLE回流比、塔板數(shù)， 但該方法僅限于二元體系。隨著組分?jǐn)?shù)的增多，圖解法也無法應(yīng)用了。在多組分精餾中，對于有恒定a的多組分系統(tǒng)，可以用Underwood法求得最小回流比的精確解，其方程式為:nj=1込1-qaj- 0nR +1 =1 vm 1j=1axD,ja - 0(1)經(jīng)驗表明，最佳回流比的值往往處在vR/RnV的范圍內(nèi)。通常選擇操作回流比使R/Rm等于。對于三元混合物的最小回流比的計算，G

4、linos和Malone給出了可以用來代替Underwood方程的表達(dá)式 錯誤!未找到引用源。：A/BC:Rm =aBC(X AF +XBF)fx AF (aAC -aBc)xCFfx AF (aAC -1)1式中，f=1+ Xbf100AB/C :Rm=(X BF+XCF)/(aBC-1)+X AF/(aAC-1)(X AF +XBF)(1+X AFXCF )在多組分精餾中，對于有恒定a的多組分系統(tǒng)，F(xiàn)enske導(dǎo)出了全回流條件下的最小塔板數(shù)的表達(dá)式:lg宀(沁)XD,hkXB,|klg lk,hk式中a lk,hk是輕關(guān)鍵組分對重關(guān)鍵組分的相對揮發(fā)度，下標(biāo)lk指輕關(guān)鍵組分, hk指重關(guān)鍵組

5、分。當(dāng)a lk,hk沿塔有些變化時，應(yīng)取塔頂、加料和塔底處其值的平 均值：=(D F B)3至此，對于理論塔板數(shù)的計算就可以通過查吉利蘭圖得到,或者通過吉利蘭關(guān)聯(lián)得到錯誤!未找到引用源。：(5)±=0.751 (-玉嚴(yán)68N+1R 1對于多組分精餾設(shè)計中理論塔板數(shù)和回流比的確定， 還有一些其他的數(shù)學(xué)方 法，但以上計算式因形式相對簡單、精確度較高而使用的比較廣泛。在使用流程模擬軟件時，在規(guī)定分離要求的情況下，對于最小塔板數(shù)的確定 還可以參用依次減少塔板數(shù)，直至所需的回流比變得非常大為止（期間假定進(jìn)料 級數(shù)隨總級數(shù)的增加維持一個固定的比值）；對于最小回流比的確定，可以不斷 的增加塔的級數(shù)

6、，直至回流比不再下降為止 錯誤!未找到引用源。1.3. 進(jìn)料位置的計算Brown和Martin建議，適宜進(jìn)料位置的確定原則是：在操作回流比下精餾段與提餾段理論板數(shù)之比，等于在全回流條件下用Fen ske公式計算得到的精餾段與提餾段理論塔板數(shù)之比 錯誤!未找到引用源。，即：Nmr|g(辿)(心)XD,hk XF,lklg lk,hk(6)(8)lg(蟲)(沁)NmsXF,hkXB,lklg alk,hk同時Nmr , Nr Ns N，可得進(jìn)料板數(shù)為N葉1。經(jīng)驗表明，如果精餾 Ns Nms塔兩產(chǎn)品D和B量大致相當(dāng)，此方法計算結(jié)果較準(zhǔn)確。Kirkbrideulead提出了一個近似確定適宜進(jìn)料位置的經(jīng)

7、驗式：NrNs=(ZHK ,F )( Xlk ,BZLK ,FXHK,D)2B 0.206D)上述兩種方法中，后者的計算結(jié)果稍好一些2.精餾塔的優(yōu)化精餾過程的優(yōu)化分為設(shè)計優(yōu)化和操作優(yōu)化。 設(shè)計優(yōu)化是根據(jù)目標(biāo)函數(shù)求解最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)和操作參數(shù)，如塔板數(shù)、進(jìn)料位置、回流比、操作壓力等，以解決 工藝和設(shè)備設(shè)計問題。精餾過程的操作優(yōu)化是在保證產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定操作的前提 下，通過改變回流比、進(jìn)料位置、進(jìn)料狀態(tài)等來提高產(chǎn)率，節(jié)能降耗錯誤!未找到引用源。，而對塔硬件不做改動。在完成了物料和能量平衡自后，就可以用簡捷法計算出設(shè)備的尺寸， 然后可 以用Douglas J. M在其著作化工過程的概念設(shè)計 錯誤!未找到

8、引用源。附錄E 中給出的計算方法計算出設(shè)備的建設(shè)費(fèi)用和操作費(fèi)用。對于單個設(shè)備的設(shè)計優(yōu)化問題，通常都具有類似的結(jié)構(gòu)：一個費(fèi)用模型和若干個用等式來表示的約束條件； 其都會表現(xiàn)出相似的特征：即在單調(diào)增與單調(diào)減的費(fèi)用函數(shù)之間求取平衡，而且復(fù)合函數(shù)往往會有一個極值?，F(xiàn)在比較通用的優(yōu)化方法是選擇一個目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)可以包含設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用。比較常用的目標(biāo)函數(shù)有：年度總費(fèi)用(total annual cost，TAC TAC= capital cost_+°門ergy cost),利潤等。實際操作 payback period的時候通常是固定其余的優(yōu)化變量，拿其中一個變量在合適的取值范圍內(nèi)尋

9、找使 目標(biāo)函數(shù)取得極值的值，然后換做其他變量，依次迭代進(jìn)行。這種優(yōu)化措施雖然 效果很好，但卻很費(fèi)時，所以對某些影響不明顯變量，優(yōu)化的時可以適當(dāng)放寬步 長。同時對于其他變量的優(yōu)化，不一定都要追求最優(yōu)解，有些情況下也可以用次 優(yōu)解代替。當(dāng)考慮循環(huán)的優(yōu)化問題時，我們把循環(huán)的優(yōu)化定義為影響一個循環(huán)回路內(nèi)所 有設(shè)備的投資和操作費(fèi)用的某個設(shè)計變量的優(yōu)化 錯誤!未找到引用源。以下的討 論僅針對單塔操作進(jìn)行。2.1.操作壓力的優(yōu)化常規(guī)精餾塔單塔的壓力優(yōu)化相對較簡單，在滿足塔頂冷凝器的溫度可以在最 炎熱的夏季也能夠用自來水冷卻的前提下， 可以參用相對較低的操作壓力以減少 再沸器的熱負(fù)荷。在實際設(shè)計的時候，由于增

10、加壁厚而增加的設(shè)備費(fèi)用將隨著壓 力的增加而增大，在滿足分離要求的前提下，低壓(正壓)相對有利。22理論塔板數(shù)與回流比的優(yōu)化精餾塔最主要的設(shè)備就是塔器(高度 L和直徑D),以及兩臺換熱器。其他 較小的設(shè)備，例如機(jī)泵閥門以及回流罐，很少在概念設(shè)計階段就予以考慮。 塔盤 的成本比起塔器和換熱器而言顯得很小，通常也忽略不計。對于精餾塔設(shè)計經(jīng)濟(jì) 核算優(yōu)化，經(jīng)常使用比較簡單的目標(biāo)函數(shù)，例如年度總費(fèi)用。對于塔板數(shù)和回流 比的優(yōu)化，都是在固定其他變量的情況下，單獨變化塔板數(shù)或者回流比，計算出 對應(yīng)的年度總費(fèi)用，然后找出使得年度總費(fèi)用最小的塔板數(shù)或回流比。此時，往往需要采用迭代計算，以求出在所有變量的最優(yōu)解。2

11、3進(jìn)料位置和進(jìn)料狀態(tài)的優(yōu)化陸錫恩老師對精餾塔的進(jìn)料狀態(tài)錯誤!未找到引用源。和進(jìn)料位置錯誤!未找 到引用源。對整個精餾塔的操作費(fèi)用的影響作了比較詳細(xì)的論述， 并得出了一些 很有指導(dǎo)性的結(jié)論。1) .進(jìn)料狀態(tài)對精餾塔操作費(fèi)用的影響：(1) 對于塔頂產(chǎn)品占主要比例的蒸餾塔，進(jìn)料的氣化率對塔釜再沸器的熱負(fù) 荷影響十分顯著，隨氣化率的上升，再沸器熱負(fù)荷以較大的比例下降，與此同時， 塔頂冷凝器的熱負(fù)荷只有中等程度的變化。此時進(jìn)料以露點或過熱為宜。(2) 對于塔釜產(chǎn)品占主要比例的蒸餾塔，進(jìn)料的氣化率對塔頂冷凝器的熱負(fù) 荷影響較為顯著，隨氣化率的上升，冷凝器的熱負(fù)荷以較大的比例增加， 與此同 時，塔釜再沸器的

12、熱負(fù)荷只有中等程度或很小的變化。 對于冷凝器處于低溫狀態(tài)， 使用冷劑的價格較高時，進(jìn)料為泡點或過冷時，會取得十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。(3) 當(dāng)蒸餾塔進(jìn)料來自上游塔的塔頂采出時，且該蒸餾塔塔頂出料占主要比例，則上游塔塔頂采出以氣相為宜，而不應(yīng)取泡點出料。這樣前后兩塔可以節(jié)省 能耗。2) .進(jìn)料位置對精餾塔操作費(fèi)用的影響：蒸餾塔的最佳進(jìn)料板位置可以從 3個方面進(jìn)行定義：相同分離要求及板數(shù) 下，回流比最小或冷凝器、再沸器熱負(fù)荷最小；相同板數(shù)及回流比下，塔頂和 塔釜產(chǎn)品的分離純度最高；相同分離要求和回流比下，所需塔板數(shù)最少對于進(jìn)料位置的優(yōu)化，通常要借助計算機(jī)軟件，采用靈敏度分析來進(jìn)行。通 常是在可行的進(jìn)料

13、板數(shù)范圍內(nèi)，逐板尋找使得熱負(fù)荷最小的塔板作為進(jìn)料板。3.總結(jié)塔設(shè)計是塔優(yōu)化的前提。在給定分離要求的前提下，對于塔設(shè)計就是要尋找 適當(dāng)?shù)乃鍞?shù)、回流比、進(jìn)料位置、操作壓力等來滿足分離要求，得到滿足要求 的產(chǎn)品。塔優(yōu)化是在塔設(shè)計提供的各個參數(shù)值作為初值的基礎(chǔ)上，利用某個目標(biāo)函數(shù)來完成設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用的權(quán)衡，使得操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用的總和最小， 利潤最大化。參考文獻(xiàn)1 William ; Distillation Design and Control Using ASPEN Simulation; John Wiley &So ns, I nc, 2006, USA.2 R. K. Sinnott主編，宋旭峰譯；化工設(shè)計；中國石化出版社；2009, P390-410.3 Douglas J. M.; Conceptual Design of Chemical Process; Weinheim, Germ