CN105512437A - 一种换热温差驱动的精馏塔分裂热耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换热温差驱动的精馏塔分裂热耦合方法。采集精馏塔单板耦合方式下的塔板温度数据，获得高压塔和低压塔耦合塔板之间的温差，进而获得精馏塔的最小热耦合温差，改为塔顶耦合方式，将高压塔置于低压塔侧方热耦合，从高压塔塔顶开始由分裂塔板选取方式逐级校核获得高压塔的分裂塔板，在分裂塔板处将高压塔分裂为高温塔和低温塔，高温塔和低温塔分别置于低压塔的两侧采用塔顶耦合方式与低压塔进行耦合换热，并在传质回路上添加节流阀和压缩机。本发明改变了精馏塔传统的耦合换热方式，通过将分裂后的高压塔与低压塔塔顶进行耦合换热，能够使高压塔的塔底温度降至最低，从而使高压塔塔底的工作压力降至最低，降低了精馏塔对原料空气的压力要求，进而降低了机组对压缩机的功率要求，最终实现整个机组能耗的降低。

Description

一种换热温差驱动的精馏塔分裂热耦合方法

技术领域

本发明涉及了一种精馏塔内部热耦合方法，尤其是涉及了一种换热温差驱动的精馏塔分裂热耦合方法。

背景技术

精馏塔是大型空分装备、乙烯装备等复杂装备中进行物质分离的关键部机，其结构对装备的节能优化起着决定性的作用。传统大型空分装备中的精馏塔分为下塔和上塔，高压原料空气从下塔进入精馏塔，下塔内工作压力较高，因此下塔也称为高压塔，产品氧气从上塔产出，上塔内工作压力较低，因此上塔也称为低压塔。精馏塔的高压塔和低压塔之间通过耦合换热实现精馏塔内部的氧氮分离工艺过程。为了提高精馏过程的能源利用率，降低系统能耗，人们提出了多种不同的精馏塔内部热耦合结构。例如，L.V.VanderHam等于2011年在《Industrial&EngineeringChemistryResearch》(50:9324-9338)的论文“ImprovingtheHeatIntegrationofDistillationColumnsinaCryogenicAirSeparationUnit”中提出了精馏塔高压塔和低压塔之间的塔底耦合方式，避开了高压塔最低温度塔板与低压塔最高温度塔板的耦合，采用了高压塔塔顶与低压塔塔底进行部分热耦合的结构，具有一定的节能潜力。LiangChang等于2012年在《Industrial&EngineeringChemistryResearch》(51:14517-14524)的论文“Modeling,CharacteristicAnalysis,andOptimizationofIdealInternalThermallyCoupledAirSeparationColumns”中提出了精馏塔高压塔和低压塔之间的全耦合方式，使热耦合量较为均匀的分散在了各个塔板上，可以在没有冷凝器和再沸器的情况下实现工艺流程。LiangChang等于2015年在《ChemicalEngineeringTechnology》(38(1):164-172)的论文“Modeling,CharacteristicAnalysis,andOptimizationofanImprovedHeat-IntegratedAirSeparationColumn”中结合传统空分塔的塔板温度分布和全耦合的热耦合结构，提出了一种节能潜力更高的内部热耦合空分塔，通过高压塔塔顶和低压塔塔顶之间的耦合换热以及合理的热集成设计，保证产品纯度。这些方法虽然通过不同的精馏塔内部热耦合设计，挖掘出了精馏塔的部分节能潜力，但其热耦合设计方法没有一定的规律可循，因而无法实现精馏塔节能的最大化。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种换热温差驱动的精馏塔分裂热耦合方法。

本发明方法通过将精馏塔的高压塔分裂为两个子塔，且两个子塔分别与低压塔塔顶进行耦合换热，既满足了精馏塔内不同塔之间的换热要求，又实现了复杂装备的低能耗化设计。首先，根据传统精馏塔单塔板耦合方式下的各级塔板温度数据，确定高压塔和低压塔之间的最小热耦合温差；其次，绘制精馏塔的塔板温度曲线，降低高压塔的塔板温度曲线，使高压塔塔顶与低压塔塔顶实现耦合换热；然后，逐级校核高压塔和低压塔的各对耦合塔板间温差是否满足最小热耦合温差，依据分裂塔板选取方式确定高压塔分裂塔板，将高压塔分裂为高温塔和低温塔；最后，降低塔板温度较高的高温塔温度曲线，使高温塔与低压塔塔顶也进行耦合换热，高温塔和低温塔之间的温度-压力匹配通过节流阀和压缩机实现。

本发明采用的技术方案是包括以下步骤，如图1所示：

1)采集精馏塔单板耦合方式下的塔板温度数据，单板耦合方式下低压塔塔底与高压塔塔顶通过单对耦合塔板进行热交换，如图2所示，获得精馏塔的高压塔和低压塔各耦合塔板之间的温差ΔT，计算公式为：

ΔT＝T_i-T_j其中，0<i≤m0<j≤n

式中，T_i是高压塔第i级塔板的塔板温度，m是高压塔的塔板数，T_j是低压塔第j级塔板的塔板温度，n是低压塔的塔板数，高压塔的第i级塔板和低压塔的第j级塔板进行耦合换热；

精馏塔单板耦合方式下的塔板温度数据根据现有流程通过传感器的实际运行采集数据得到。

2)根据高压塔和低压塔各耦合塔板之间的温差ΔT，获得精馏塔的最小热耦合温差ΔT_min，计算公式为：

ΔT_min＝min{ΔT}

式中，ΔT_min是精馏塔的最小热耦合温差，ΔT是高压塔和低压塔耦合塔板之间的温差，min{ΔT}表示求ΔT中的最小值；

3)根据精馏塔单板耦合方式下的各级塔板温度数据，由单板耦合方式改为塔顶耦合方式，将高压塔置于低压塔侧方使得两者塔顶流通进行热耦合，从高压塔塔顶开始，根据高压塔分裂塔板选取方式逐级校核高压塔和低压塔中的各对耦合塔板是否满足最小热耦合温差ΔT_min，获得高压塔的分裂塔板；

所述的耦合塔板指的是高压塔和低压塔进行耦合换热的各对塔板。

4)在高压塔的分裂塔板处，将高压塔分裂为高温塔和低温塔，分裂塔板及其以上的塔板归为低温塔，其余归为高温塔，高温塔和低温塔分别置于低压塔的两侧采用塔顶耦合方式与低压塔进行耦合换热；

5)在高温塔和低温塔之间的传质回路上添加节流阀和压缩机，改为图3所示结构，实现其温度-压力匹配，保证精馏塔精馏工艺的顺利进行。

所述的高温塔塔顶和低温塔塔底之间设置两条回路，两条回路上分别安装有节流阀和压缩机，通过压缩机将高温塔的低温污氮加压升温后传送到低温塔，通过节流阀控制流量将低温塔的高温污氮节流降温后传送回高温塔。

所述步骤3)中的高压塔分裂塔板选取方式为：

逐级采用以下公式将高压塔和低压塔的各级耦合塔板的换热温差与最小热耦合温差ΔT_min进行比较：

T_i′-T_j′≥ΔT_min

式中，T_i′是下降后的高压塔第i级塔板的塔板温度，T_j′是与下降后的高压塔第i级塔板进行耦合换热的低压塔第j级塔板的塔板温度；这两块塔板之间进行耦合换热，需要满足最小热耦合温差的约束，因此采用以上方式进行校核。

若满足上述公式，则继续校核下一级耦合塔板；若不满足上述公式，则选取当前高压塔的塔板作为分裂塔板。

所述的高压塔第i级塔板的塔板温度T_i采用以下方式处理下降：

先计算能够与精馏塔低压塔塔顶进行热耦合的高压塔最低塔板温度，计算公式为：

$T_{min}^H=T_{top}^L+{\mathrm{\&Delta;T}}_{min}$

式中，是能够与精馏塔低压塔塔顶进行热耦合的高压塔最低塔板温度，是精馏塔低压塔的塔顶温度，ΔT_min是精馏塔的最小热耦合温差；

再计算高压塔各级塔板能够达到的最低温度作为下降后的高压塔第i级塔板的塔板温度T_i′，计算公式为：

$T_i^{\&prime;}=T_i-(T_{top}^H-T_{min}^H)$

式中，T_i′是下降后的高压塔第i级塔板的塔板温度，T_i是原高压塔第i级塔板的塔板温度，是原高压塔的塔顶温度。

由此，本发明根据精馏塔高压塔和低压塔的塔板温度分布，定义了分裂塔板的选取准则，将高压塔分裂为高温塔和低温塔，分裂后的高温塔和低温塔分别与低压塔塔顶进行耦合换热，在保证精馏过程顺利实现的前提下，能够使高压塔的塔底温度降至最低，从而使高压塔塔底的工作压力降至最低，降低了精馏塔对原料空气的压力要求，进而降低了机组对压缩机的功率要求，最终实现整个机组能耗的降低。

本发明具有的有益效果是：

本发明提出的分裂热耦合设计方法，通过将高压塔分裂为高温塔和低温塔分别与低压塔塔顶进行耦合换热，能够在保证精馏过程顺利实现的前提下，达到最好的节能效果。

本发明提出的方法根据精馏塔高压塔和低压塔的塔板温度分布，定义了分裂塔板的选取准则，易于理解和实现。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是传统精馏塔单板耦合方式下的结构图

图3是精馏塔分裂热耦合方式下的结构图。

图4是传统精馏塔单板耦合方式下的塔板温度曲线图。

图5是高压塔塔板温度下降后的精馏塔塔板温度曲线图。

图6是精馏塔分裂热耦合方式下的塔板温度曲线图。

图7是40％富氧空气气液混合状态温度-压力关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

本发明的实施例及其过程如下：

采用一大型空分装备精馏塔作为实施对象，高压塔含35级塔板，低压塔含70级塔板。

(1)根据精馏塔单板耦合方式下的塔板温度数据，计算得到精馏塔高压塔和低压塔之间的最小热耦合温差ΔT为1.8K。

(2)根据精馏塔单板耦合方式下的各级塔板温度数据，以精馏塔各级塔板级数为横坐标，塔板温度为纵坐标，绘制精馏塔的塔板温度曲线。塔板温度曲线的绘制依据如下规则：横坐标1～m区间内共m级塔板对应的曲线为高压塔的塔板温度曲线，其中，横坐标为1表示高压塔塔顶，横坐标为m表示高压塔塔底；横坐标(m+1)～(m+n)区间内共n级塔板对应的曲线为低压塔的塔板温度曲线，其中，横坐标为m+1表示低压塔塔顶，横坐标为(m+n)表示低压塔塔底。

实施例绘制精馏塔的塔板温度曲线如图4所示。其中，横坐标1～35区间内共35级塔板对应的曲线为高压塔的塔板温度曲线，横坐标为1表示高压塔塔顶，横坐标为35表示高压塔塔底；横坐标36～105区间内共70级塔板对应的曲线为低压塔的塔板温度曲线，其中，横坐标为36表示低压塔塔顶，横坐标为105表示低压塔塔底。

(3)低压塔塔顶的塔板温度为79.5K，计算得到能够与精馏塔低压塔塔顶进行热耦合的最低塔板温度为81.3K，进而重新计算高压塔各级塔板能够达到的最低温度如表1所示。

表1高压塔各级塔板能够达到的最低温度

塔板级数	1	2	3	4	5	6	...	32	33	34	35
												塔板温度/K	81.3	81.4	81.5	81.6	81.8	82.0	...	86.1	86.2	86.3	86.4

依据计算得到的塔板温度数据重新绘制精馏塔塔板温度曲线如图5所示。在精馏塔的塔板温度曲线上，降低高压塔每块塔板对应的塔板温度，使高压塔塔顶与低压塔塔顶实现耦合换热，即实现精馏塔塔顶耦合的换热方式。

高压塔的塔板温度下降采用如下方式：

a)计算能够与精馏塔低压塔塔顶进行热耦合的最低塔板温度，相应的计算公式为：

$T_{min}^H=T_{top}^L+{\mathrm{\&Delta;T}}_{min}$

式中，是能够与精馏塔低压塔塔顶进行热耦合的高压塔最低塔板温度，是精馏塔低压塔的塔顶温度，ΔT_min是精馏塔的最小热耦合温差。

b)计算高压塔各级塔板能够达到的最低温度，相应的计算公式为：

$T_i^{\&prime;}=T_i-(T_{top}^H-T_{min}^H)$

式中，T_i′是下降后的高压塔第i级塔板的塔板温度，T_i是原高压塔第i级塔板的塔板温度，是原高压塔的塔顶温度。

c)依据计算得到的塔板温度数据重新绘制精馏塔塔板温度曲线。

(4)从高压塔塔顶开始，逐级校核精馏塔在塔顶耦合方式下，高压塔和低压塔的各对耦合塔板是否满足最小热耦合温差。经过计算，在高压塔第21级塔板处的热耦合温差为1.2K，校核未通过。因此，选取高压塔的第21级塔板作为高压塔的分裂塔板。

(5)在高压塔的第21级塔板处，将高压塔分裂为高温塔和低温塔。步骤(3)中计算得到能够与精馏塔低压塔塔顶进行热耦合的最低塔板温度为81.3K，由此重新计算分裂后的高温塔各级塔板能够达到的最低温度如表2所示：

表2分裂后的高温塔各级塔板能够达到的最低温度

依据计算得到的塔板温度数据重新绘制精馏塔塔板温度曲线如图6所示。采用与步骤(3)相同的方式实现高温塔塔板温度的下降，使高温塔与低压塔塔顶进行耦合换热。

原料空气从高压塔塔底进入精馏塔内参与精馏过程，高压塔塔底为含氧量为40％左右的富氧空气，根据图7所示的40％富氧空气气液混合状态温度-压力关系图，可以由高压塔的塔底温度得到对应的工作压力，进而得到原料空气进塔所需要达到的最低压力。从图4中可以看出，原单板耦合方式下高压塔原料空气入口处的温度为101.8K，对应的塔内工作压力为5.5atm，因此要求原料空气的压力达到5.5atm。从图6中可以看出，将精馏塔的高压塔分裂为高温塔和低温塔分别与低压塔进行耦合换热后，原料空气入口处的温度为84.5K，对应的塔内工作压力为1.8atm，因此原料空气的压力只需达到1.8atm即可。降低了精馏塔对原料空气的压力要求，也就降低了机组对压缩机的功率要求，最终实现整个机组能耗的降低。

(6)将精馏塔的高压塔分裂为高温塔和低温塔分别与低压塔进行耦合换热后，为了保证精馏塔工艺流程的顺利进行，高温塔和低温塔之间必须通过温度-压力的匹配实现所需的传质过程。如图3所示，在高温塔和低温塔之间的传质回路上添加节流阀和压缩机，高温塔顶部的低温低压气体经压缩机加压升温后进入低温塔底部，提供上升气流，低温塔底部的高温高压气体经节流阀降温液化后进入高温塔顶部，提供回流液，从而保证精馏工艺的顺利进行。

根据实施里的换热温差驱动的分裂热耦合设计结果可见，本发明具有突出显著的技术效果，对现有大型空分流程中精馏塔的设计改进提供了参考依据。

由此可见，本发明具有突出显著的技术效果，改变了精馏塔传统的耦合换热方式，通过将分裂后的高压塔与低压塔塔顶进行耦合换热，能够使高压塔的塔底温度降至最低，从而使高压塔塔底的工作压力降至最低，降低了精馏塔对原料空气的压力要求，进而降低了机组对压缩机的功率要求，最终实现整个机组能耗的降低。

Claims (5)

1.一种换热温差驱动的精馏塔分裂热耦合方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采集精馏塔单板耦合方式下的塔板温度数据，获得精馏塔的高压塔和低压塔各耦合塔板之间的温差ΔT，计算公式为：

ΔT＝T_i-T_j，0<i≤m，0<j≤n

式中，T_i是高压塔第i级塔板的塔板温度，m是高压塔的塔板数，T_j是低压塔第j级塔板的塔板温度，n是低压塔的塔板数，高压塔的第i级塔板和低压塔的第j级塔板进行耦合换热；

2)根据高压塔和低压塔各耦合塔板之间的温差ΔT，获得精馏塔的最小热耦合温差ΔT_min，计算公式为：

ΔT_min＝min{ΔT}

式中，ΔT_min是精馏塔的最小热耦合温差，ΔT是高压塔和低压塔各耦合塔板之间的温差，min{ΔT}表示求ΔT中的最小值；

3)根据精馏塔单板耦合方式下的各级塔板温度数据，

由单板耦合方式改为塔顶耦合方式，将高压塔置于低压塔侧方使得两者塔顶流通进行热耦合，

从高压塔塔顶开始，根据高压塔分裂塔板选取方式逐级校核高压塔和低压塔中的各对耦合塔板是否满足最小热耦合温差ΔT_min，获得高压塔的分裂塔板；

4)在高压塔的分裂塔板处，将高压塔分裂为高温塔和低温塔，分裂塔板及其以上的塔板归为低温塔，其余归为高温塔，高温塔和低温塔分别置于低压塔的两侧采用塔顶耦合方式与低压塔进行耦合换热；

5)在高温塔和低温塔之间的传质回路上添加节流阀和压缩机，实现其温度-压力匹配，保证精馏塔精馏工艺的顺利进行。

2.根据权利要求1所述的一种换热温差驱动的精馏塔分裂热耦合方法，其特征在于：所述的耦合塔板指的是高压塔和低压塔进行耦合换热的一对塔板。

3.根据权利要求1所述的一种换热温差驱动的精馏塔分裂热耦合方法，其特征在于：所述的高温塔塔顶和低温塔塔底之间设置两条回路，两条回路上分别安装有节流阀和压缩机。

4.根据权利要求1所述的一种换热温差驱动的精馏塔分裂热耦合方法，其特征在于：所述步骤3)中的高压塔分裂塔板选取方式为：

逐级采用以下公式将高压塔和低压塔的各级耦合塔板的换热温差与最小热耦合温差ΔT_min进行比较：

T_i′-T_j′≥ΔT_min

式中，T_i′是下降后的高压塔第i级塔板的塔板温度，T_j′是与下降后的高压塔第i级塔板进行耦合换热的低压塔第j级塔板的塔板温度；

若满足上述公式，则继续校核下一级耦合塔板；若不满足上述公式，则选取当前高压塔的塔板作为分裂塔板。

5.根据权利要求4所述的一种换热温差驱动的精馏塔分裂热耦合方法，其特征在于：所述的高压塔第i级塔板的塔板温度T_i采用以下方式处理下降：

先计算能够与精馏塔低压塔塔顶进行热耦合的高压塔最低塔板温度，计算公式为：

$T_{min}^H=T_{top}^L+{\mathrm{\&Delta;T}}_{min}$

式中，是能够与精馏塔低压塔塔顶进行热耦合的高压塔最低塔板温度，是精馏塔低压塔的塔顶温度，ΔT_min是精馏塔的最小热耦合温差；

再计算高压塔各级塔板能够达到的最低温度作为下降后的高压塔第i级塔板的塔板温度T_i′，计算公式为：

$T_i^{\&prime;}=T_i-(T_{top}^H-T_{min}^H)$

式中，T_i′是下降后的高压塔第i级塔板的塔板温度，T_i是原高压塔第i级塔板的塔板温度，是原高压塔的塔顶温度。