基于热力学目标分析的进料分流预热精馏塔优化措施

王选(国能新疆化工有限公司，新疆 乌鲁木齐 831400)

0 引言

在化工领域，精馏塔的预热效率对节能减排有重要的影响，不同的节能措施对于实际塔板机构和塔板效率产生的影响不同。在实际生产的分流进料预热中把上股的进料进行分离，得到重组分，这部分会与下股进料所分离出了轻组分汇合。这两个部分会进入到两股进料板之间，然后进行重新混合，构成返混。因此会导致出现了塔板液沫的夹带或者液泛，对塔正常操作产生破坏作用。所以，需要就塔板作水力学核算，得到合适的塔板结构参数，进而确保精馏塔可在处于正常的操作状态下，实现节能减排的目标。

1 热力学理论下精馏塔研究

精馏塔总组合曲线，英文简称CGCC，这是一种最为接近实际的最小热力学状态的精馏塔总组合曲线，提出人是Dhole等研究被广泛应用在精馏塔优化中，主要优化方面包括：精馏塔进料状态、精馏塔进料的位置、精馏塔中间换热器、精馏塔回流比等；也被用在了塔系和换热网络集成的优化之中，有着非常有效的节能效果。但想到进料状态可能存在的影响，该曲线中top-down以及bottom-up的构建方式有一些差异，所以为弥补缺陷，Bandyopadhyay等研究一种新的曲线，以最小热力学状态为基础的固定精馏线和提溜线(IRS)，进而给出了精馏塔热力学参数的优化目标。

2 优化进料分流预热精馏塔的思路

技术人员站在水力学和热力学的角度，对进料分流预热的精馏塔是怎样传热传质进行分析，先运用IRS曲线分析进料分流预热的精馏塔是何种热力学性质，接下来需对一些关键性的操作参数进行调整，包括QF(预热量)、λ(分流率)、NF1(进料位置1)、NF2(进料位置2)，可以得到最后精馏塔最佳预热效率，此时η(预热效率)=100%。之后，运用塔板的效率以及气液分布曲线，找到塔板效率最差以及气液波动最大的敏感塔板。借助C++语言，以MATLAB中GUIDEE，开始图形界面设计编程，构建精馏塔水力学验算的可视化窗口，核算上个阶段中确定得到敏感塔板的水利学，才能想出调整塔板结构的方法，以让精馏塔一边节能，一边保持着正常操作状态[1]。

3 分析优化传热传质的方法

3.1 优化热力学

技术人员以IRS曲线对简单塔和双股进料的复杂塔的热力学进行分析，总结会对精馏塔能耗产生影响的操作参数[2]。首先，构建简单塔IRS曲线。一般情况下，简单塔就有一股进料，有两股出料，利用MTC，得到精馏段和提馏段的焓赤字表达式。其次，构建复杂塔IRS曲线。同样以MTC为基础，可以将多股的进料复杂塔划分成为多个简单分解塔，最后得到了IRS曲线，这是由多个分解塔IRS曲线结合形成，数学表达式为：

式中：i为第i个分解塔；i与j均为下标变量。

最后，分析及优化进料分流预热精馏塔传热性。针对单股进料热热的改进，改进结构图如图1所示，调整QF(预热量)、λ(分流率)、NF1(进料位置1)、NF2(进料位置2)，就能够让冷凝器的负荷不发生变化，而在很大程度上减少再沸器的负荷。所以，以MTC为基础，设计双股进料的分解塔IRS曲线，双股进料的分解塔的结构图见图3。分析此进料风湿的热力学性质，给出合适的参数优化目标。图2之中的分解塔，通过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。此时分离精馏度和塔操作压力关系到(HRi/Di)以及(HRi/Di)，可以看为是定值，进而得到HRT1=HRT，HST1=HST。可给出进料分流预热精馏塔IRS曲线公式：

第一种情况：Δ2≥0，HRT1+HRT2=HST-QF，HST1+HRT2=λHST+(1+λ)HRT-QF，HST1+HRT2=HST；

第二种情况：Δ2＜0，Δ＜0，HRT1+HRT2=HRT，HST1+HRT2=λHST+(1-λ)HRT，HST1+HRT2=HST+QF；

第三种情况：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。

在复杂塔的IRS曲线构建方法基础上，描绘出进料分流预热精馏塔平移的IRS曲线，分别是(HRT1+HRT2)vsT、(HST1+HST2)vsT、(HST1+HST2)vsT，曲线图为图3。这三个曲线相交的点有两个，分别是P1和P2，理论上是精馏塔IRS曲线夹点以及最佳进料位置，控制夹点是P1，经此点可以绘出一个直角梯形，上底和下底的边分别是此塔的冷凝器以及最小再沸器的负荷。三条曲线在梯形区间中的部分是此塔有效的平移IRS曲线，经过P2点温度则是此塔进行进料预热温度，对应着进料F2，此时TP2＞TP1。

为了让η=100%，就应使得两个P1、P2夹点处在同一条垂直线之上，进料F2需要预热到TP2′，此时(HST1+HST2)vsT需要平移到(HST1′ +HST2′ )vsT，预热的点也就从P2过渡为P′2，将这些条件关联到一起，得到数学表达式带入到QF和λ中，得到两个表达式：

表达式中的TP2以及TP1则是100%预热效果时最优冷热进料的温度。

精馏塔进料预热转化成进料分流预热如图1所示。

图1 精馏塔进料预热转化成进料分流预热

双股进料复杂塔被分解成两个单股进料简单塔如图2所示。

图2 双股进料复杂塔被分解成两个单股进料简单塔

进料分流预热精馏塔的IRS曲线如图3所示。

图3 进料分流预热精馏塔的IRS曲线

3.2 优化传质分析

技术人员站在传质角度进行分析，把组分相同物料分为两股的进料，下方的进料则严重干扰着塔内部正常气液相组成的分布，从而使得两个进料板之间塔板的效率减小，非常严重时，塔板则有液泛或者液沫夹带的问题，影响环塔正常操作。所以，需以水力学分析两个进料塔板之间塔板水力学性能，进而找到最合适塔板结构存在形式，才能实现节能和正常操作的目的[3]。

针对单股的进料预热精馏塔而言，轻关键组分气液的浓度会顺着塔顶到塔底慢慢变小，重关键组分气液的浓度则会慢慢变多，这与精馏规律相符合；但是，进料分流预热之后，轻关键组分气液的浓度会先变大而后变小，有此特征的是处于两个进料板之间的时候，而此部分重关键组分气液浓度则与之相反，由此可见，进料的分流预热会使得两股进料板所夹间隙的气液组分出现返混问题，导致塔板效率减小。所以，以默弗里板效率为基础，将进料分流预热的精馏塔的塔板效率计算出来。

另外，单股进料的精馏塔的塔板效率则是从上到下，开始时减小，之后慢慢增大，主要原因则是没有找到最佳进料位置，也没有确定最佳的进料状态，从而对进料板产生影响，也就影响到了进料板附近的塔板效率。针对此问题对精馏塔进行改良，优化的精馏塔则有两股进料，接近进料板和进料板附近位置塔板效率不是很高，还会出现塔板效率低于优化前的效率，主要的原因则是进料F1和F2在分离了轻重组分的时候，于两股进料板之间出现返混的问题，塔板效率因此变得比较低。同时，第m块的塔板位置的塔板效率为最小值。

4 结语

综上所述，站在热力学角度分析，精馏塔达到100%预热效率，则应将进料预热优化成进料分流预热的形式，才能达到节能和正常操作同时进行的目的。