王選(國(guó)能新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400)

0 引言

在化工領(lǐng)域，精餾塔的預(yù)熱效率對(duì)節(jié)能減排有重要的影響，不同的節(jié)能措施對(duì)于實(shí)際塔板機(jī)構(gòu)和塔板效率產(chǎn)生的影響不同。在實(shí)際生產(chǎn)的分流進(jìn)料預(yù)熱中把上股的進(jìn)料進(jìn)行分離，得到重組分，這部分會(huì)與下股進(jìn)料所分離出了輕組分匯合。這兩個(gè)部分會(huì)進(jìn)入到兩股進(jìn)料板之間，然后進(jìn)行重新混合，構(gòu)成返混。因此會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)了塔板液沫的夾帶或者液泛，對(duì)塔正常操作產(chǎn)生破壞作用。所以，需要就塔板作水力學(xué)核算，得到合適的塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而確保精餾塔可在處于正常的操作狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

1 熱力學(xué)理論下精餾塔研究

精餾塔總組合曲線(xiàn)，英文簡(jiǎn)稱(chēng)CGCC，這是一種最為接近實(shí)際的最小熱力學(xué)狀態(tài)的精餾塔總組合曲線(xiàn)，提出人是Dhole等研究被廣泛應(yīng)用在精餾塔優(yōu)化中，主要優(yōu)化方面包括：精餾塔進(jìn)料狀態(tài)、精餾塔進(jìn)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(wǎng)絡(luò)集成的優(yōu)化之中，有著非常有效的節(jié)能效果。但想到進(jìn)料狀態(tài)可能存在的影響，該曲線(xiàn)中top-down以及bottom-up的構(gòu)建方式有一些差異，所以為彌補(bǔ)缺陷，Bandyopadhyay等研究一種新的曲線(xiàn)，以最小熱力學(xué)狀態(tài)為基礎(chǔ)的固定精餾線(xiàn)和提溜線(xiàn)(IRS)，進(jìn)而給出了精餾塔熱力學(xué)參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)。

2 優(yōu)化進(jìn)料分流預(yù)熱精餾塔的思路

技術(shù)人員站在水力學(xué)和熱力學(xué)的角度，對(duì)進(jìn)料分流預(yù)熱的精餾塔是怎樣傳熱傳質(zhì)進(jìn)行分析，先運(yùn)用IRS曲線(xiàn)分析進(jìn)料分流預(yù)熱的精餾塔是何種熱力學(xué)性質(zhì)，接下來(lái)需對(duì)一些關(guān)鍵性的操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，包括QF(預(yù)熱量)、λ(分流率)、NF1(進(jìn)料位置1)、NF2(進(jìn)料位置2)，可以得到最后精餾塔最佳預(yù)熱效率，此時(shí)η(預(yù)熱效率)=100%。之后，運(yùn)用塔板的效率以及氣液分布曲線(xiàn)，找到塔板效率最差以及氣液波動(dòng)最大的敏感塔板。借助C++語(yǔ)言，以MATLAB中GUIDEE，開(kāi)始圖形界面設(shè)計(jì)編程，構(gòu)建精餾塔水力學(xué)驗(yàn)算的可視化窗口，核算上個(gè)階段中確定得到敏感塔板的水利學(xué)，才能想出調(diào)整塔板結(jié)構(gòu)的方法，以讓精餾塔一邊節(jié)能，一邊保持著正常操作狀態(tài)[1]。

3 分析優(yōu)化傳熱傳質(zhì)的方法

3.1 優(yōu)化熱力學(xué)

技術(shù)人員以IRS曲線(xiàn)對(duì)簡(jiǎn)單塔和雙股進(jìn)料的復(fù)雜塔的熱力學(xué)進(jìn)行分析，總結(jié)會(huì)對(duì)精餾塔能耗產(chǎn)生影響的操作參數(shù)[2]。首先，構(gòu)建簡(jiǎn)單塔IRS曲線(xiàn)。一般情況下，簡(jiǎn)單塔就有一股進(jìn)料，有兩股出料，利用MTC，得到精餾段和提餾段的焓赤字表達(dá)式。其次，構(gòu)建復(fù)雜塔IRS曲線(xiàn)。同樣以MTC為基礎(chǔ)，可以將多股的進(jìn)料復(fù)雜塔劃分成為多個(gè)簡(jiǎn)單分解塔，最后得到了IRS曲線(xiàn)，這是由多個(gè)分解塔IRS曲線(xiàn)結(jié)合形成，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：i為第i個(gè)分解塔；i與j均為下標(biāo)變量。

最后，分析及優(yōu)化進(jìn)料分流預(yù)熱精餾塔傳熱性。針對(duì)單股進(jìn)料熱熱的改進(jìn)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，調(diào)整QF(預(yù)熱量)、λ(分流率)、NF1(進(jìn)料位置1)、NF2(進(jìn)料位置2)，就能夠讓冷凝器的負(fù)荷不發(fā)生變化，而在很大程度上減少再沸器的負(fù)荷。所以，以MTC為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)雙股進(jìn)料的分解塔IRS曲線(xiàn)，雙股進(jìn)料的分解塔的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。分析此進(jìn)料風(fēng)濕的熱力學(xué)性質(zhì)，給出合適的參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)。圖2之中的分解塔，通過(guò)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(shí)分離精餾度和塔操作壓力關(guān)系到(HRi/Di)以及(HRi/Di)，可以看為是定值，進(jìn)而得到HRT1=HRT，HST1=HST。可給出進(jìn)料分流預(yù)熱精餾塔IRS曲線(xiàn)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(fù)雜塔的IRS曲線(xiàn)構(gòu)建方法基礎(chǔ)上，描繪出進(jìn)料分流預(yù)熱精餾塔平移的IRS曲線(xiàn)，分別是(HRT1+HRT2)vsT、(HST1+HST2)vsT、(HST1+HST2)vsT，曲線(xiàn)圖為圖3。這三個(gè)曲線(xiàn)相交的點(diǎn)有兩個(gè)，分別是P1和P2，理論上是精餾塔IRS曲線(xiàn)夾點(diǎn)以及最佳進(jìn)料位置，控制夾點(diǎn)是P1，經(jīng)此點(diǎn)可以繪出一個(gè)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(fù)荷。三條曲線(xiàn)在梯形區(qū)間中的部分是此塔有效的平移IRS曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)P2點(diǎn)溫度則是此塔進(jìn)行進(jìn)料預(yù)熱溫度，對(duì)應(yīng)著進(jìn)料F2，此時(shí)TP2＞TP1。

為了讓?duì)?100%，就應(yīng)使得兩個(gè)P1、P2夾點(diǎn)處在同一條垂直線(xiàn)之上，進(jìn)料F2需要預(yù)熱到TP2′，此時(shí)(HST1+HST2)vsT需要平移到(HST1′ +HST2′ )vsT，預(yù)熱的點(diǎn)也就從P2過(guò)渡為P′2，將這些條件關(guān)聯(lián)到一起，得到數(shù)學(xué)表達(dá)式帶入到QF和λ中，得到兩個(gè)表達(dá)式：

表達(dá)式中的TP2以及TP1則是100%預(yù)熱效果時(shí)最優(yōu)冷熱進(jìn)料的溫度。

精餾塔進(jìn)料預(yù)熱轉(zhuǎn)化成進(jìn)料分流預(yù)熱如圖1所示。

圖1 精餾塔進(jìn)料預(yù)熱轉(zhuǎn)化成進(jìn)料分流預(yù)熱

雙股進(jìn)料復(fù)雜塔被分解成兩個(gè)單股進(jìn)料簡(jiǎn)單塔如圖2所示。

圖2 雙股進(jìn)料復(fù)雜塔被分解成兩個(gè)單股進(jìn)料簡(jiǎn)單塔

進(jìn)料分流預(yù)熱精餾塔的IRS曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 進(jìn)料分流預(yù)熱精餾塔的IRS曲線(xiàn)

3.2 優(yōu)化傳質(zhì)分析

技術(shù)人員站在傳質(zhì)角度進(jìn)行分析，把組分相同物料分為兩股的進(jìn)料，下方的進(jìn)料則嚴(yán)重干擾著塔內(nèi)部正常氣液相組成的分布，從而使得兩個(gè)進(jìn)料板之間塔板的效率減小，非常嚴(yán)重時(shí)，塔板則有液泛或者液沫夾帶的問(wèn)題，影響環(huán)塔正常操作。所以，需以水力學(xué)分析兩個(gè)進(jìn)料塔板之間塔板水力學(xué)性能，進(jìn)而找到最合適塔板結(jié)構(gòu)存在形式，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能和正常操作的目的[3]。

針對(duì)單股的進(jìn)料預(yù)熱精餾塔而言，輕關(guān)鍵組分氣液的濃度會(huì)順著塔頂?shù)剿茁冃?，重關(guān)鍵組分氣液的濃度則會(huì)慢慢變多，這與精餾規(guī)律相符合；但是，進(jìn)料分流預(yù)熱之后，輕關(guān)鍵組分氣液的濃度會(huì)先變大而后變小，有此特征的是處于兩個(gè)進(jìn)料板之間的時(shí)候，而此部分重關(guān)鍵組分氣液濃度則與之相反，由此可見(jiàn)，進(jìn)料的分流預(yù)熱會(huì)使得兩股進(jìn)料板所夾間隙的氣液組分出現(xiàn)返混問(wèn)題，導(dǎo)致塔板效率減小。所以，以默弗里板效率為基礎(chǔ)，將進(jìn)料分流預(yù)熱的精餾塔的塔板效率計(jì)算出來(lái)。

另外，單股進(jìn)料的精餾塔的塔板效率則是從上到下，開(kāi)始時(shí)減小，之后慢慢增大，主要原因則是沒(méi)有找到最佳進(jìn)料位置，也沒(méi)有確定最佳的進(jìn)料狀態(tài)，從而對(duì)進(jìn)料板產(chǎn)生影響，也就影響到了進(jìn)料板附近的塔板效率。針對(duì)此問(wèn)題對(duì)精餾塔進(jìn)行改良，優(yōu)化的精餾塔則有兩股進(jìn)料，接近進(jìn)料板和進(jìn)料板附近位置塔板效率不是很高，還會(huì)出現(xiàn)塔板效率低于優(yōu)化前的效率，主要的原因則是進(jìn)料F1和F2在分離了輕重組分的時(shí)候，于兩股進(jìn)料板之間出現(xiàn)返混的問(wèn)題，塔板效率因此變得比較低。同時(shí)，第m塊的塔板位置的塔板效率為最小值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，站在熱力學(xué)角度分析，精餾塔達(dá)到100%預(yù)熱效率，則應(yīng)將進(jìn)料預(yù)熱優(yōu)化成進(jìn)料分流預(yù)熱的形式，才能達(dá)到節(jié)能和正常操作同時(shí)進(jìn)行的目的。