内部热耦合反应精馏塔的设计与稳态分析
浅述反应精馏塔的优点及设计
浅述反应精馏塔的优点及设计2019-09-16摘要：反应精馏塔做为化学⼯艺的⼀般过程可以分为以下三个部分：原料提纯、化学反应以及产物精制，原料提纯以及产品精制⼀般涉及分离⼯程学科的内容，尽管有化学吸附等有化学过程存在，但原料的提纯和精制过程⼤都属于相态变化的操作，⽽反应部分则主要涉及催化以及反应⼯程学科。
关键词：反应精馏塔，优点，设计⼀、反应精馏塔简介如果将化学反应以及精馏过程合⼆为⼀，即在⼀个设备中同时进⾏化学反应以及精馏过程，这样便产⽣了⼀个新的概念――反应精馏。
反应精馏（Reactive distillation process）是化学反应和分离在同⼀精馏设备中完成的过程。
⽬前有皂化、酯化、醚化等多种⽣产过程实现了反应精馏的集成化操作。
这种操作既可以对难以⽤普通精馏过程分离的系统，通过添加某种组分，使之与被分离组分发⽣化学反应，从⽽实现混合物体系的分离；⼜可使反应混合体系中的某种组分不断从塔中分离出来，改变系统的相平衡和化学平衡，使之反应继续进⾏，提⾼转化率。
（⼀）反应精馏塔的优点反应精馏过程可以缩短⽣产流程、减少成本投资；对于多数放热反应还可以利⽤反应热供分离所需，降低所需能耗；同时作为⼀种新型分离技术，还可⽤于某些特殊精馏。
因此，研究反应精馏过程的优化设计具有重要的理论意义和实⽤价值。
（⼆）反应精馏塔过程设计Backhaus在1921年提出有关反应精馏的思想。
由于在精馏塔中反应的分离之间存在许多影响因素，即使板数、传热、速率、进料位置、停留时间、催化剂、副产物浓度以及反应物进料配⽐等参数的很⼩变化，都可能对过程产⽣很⼤影响，所以对该集成过程的研究要困难得多。
因此，早期在反应精馏领域的研究⼀直以特定体系的数学模拟和实验探索为主。
当⽣产过程的反应和分离条件与要求确定后，进⾏化学反应和精馏过程集成化设计的⽬的是为了确定过程的可⾏性，合理的设备结构设计参数。
要更好地发挥反应精馏过程的优点，从技术上考虑，反应精馏设备的选型，⼯艺流程和关键设计参数的选定起着⼗分关键的作⽤。
反应精馏应用于内部热耦合精馏以及差压热耦合精馏技术的模拟研究的开题报告
反应精馏应用于内部热耦合精馏以及差压热耦合精馏技术
的模拟研究的开题报告
一、研究背景
反应精馏是在精馏过程中，通过化学反应使馏分产率增加或纯度提高的技术。
内部热耦合精馏和差压热耦合精馏是两种反应精馏技术，通过将反应体系设置在精馏塔中，利用高效的传热与传质作用，实现反应和分离的一体化。
二、研究内容与目的
本研究旨在基于传热、传质、化学反应及精馏过程的基本原理，对内部热耦合精馏和差压热耦合精馏技术进行模拟研究。
研究内容包括：建立内部热耦合精馏和差压热耦合精馏的数学模型，分析其反应动力学特性，评估反应过程中的传质传热特性，探讨两种技术的优缺点，并针对性地提出优化方案，为反应精馏技术在工业生产中的应用提供技术支持。
三、研究方法
1.建立反应精馏数学模型，包括传热、传质、化学反应及精馏环节；
2.利用Matlab或Aspen等化工流程模拟软件进行模拟计算，研究内部热耦合精馏和差压热耦合精馏技术在不同反应条件下的反应动力学和传质传热特性；
3.对内部热耦合精馏和差压热耦合精馏技术的优缺点进行比较分析，提出优化方案；
4.通过实验验证模拟计算结果的可靠性。
四、研究意义
内部热耦合精馏和差压热耦合精馏技术作为反应精馏技术的代表，具有反应转化率高、纯度高、操作稳定等优点，在化工领域得到广泛应用。
通过模拟研究，可以更深入地了解这两种技术的反应特性、传质传热特性、优缺点等，为工业化应用提供指导。
此外，研究结果还可以拓展反应精馏技术的应用领域和研究方向，为化工领域的科研和产业发展做出贡献。
内部热耦合中间隔壁塔的设计与控制
第50卷第4期2023年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science)Vol.50,No.42023引用格式:武浩,陈海胜,黄克谨.内部热耦合中间隔壁塔的设计与控制[J].北京化工大学学报(自然科学版),2023,50(4):10-20.WU Hao,CHEN HaiSheng,HUANG KeJin.Design and control of an internally heat integrated middle dividing wall column [J].Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science),2023,50(4):10-20.内部热耦合中间隔壁塔的设计与控制武 浩 陈海胜* 黄克谨(北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029)摘 要:虽然隔离壁精馏塔(DWC)与多个常规精馏塔组成的常规分离序列相比具有明显的节能潜力,但是通过引入内部热耦合技术,仍然具有进一步强化设计的空间㊂以进料位置为界,可将DWC 分为上㊁下两部分,上部包含公共精馏段和进料上端的隔离壁两侧,下部包含进料下端的隔离壁两侧和公共提馏段,在两部分之间设置内部热耦合,得到一种新型内部热耦合中间隔壁塔(IHIMDWC)㊂在进料上㊁下两端的隔离壁一侧或两侧设置内部热耦合可以得到4种不同的IHIMDWC 拓扑结构㊂以甲醇㊁乙醇与正丙醇三元物系的分离为例,通过启发式搜索法对4种IHIMDWC 拓扑结构进行稳态设计,并提出了一种分散温度控制系统以验证它们的可控性㊂仿真结果表明,与DWC相比,IHIMDWC 不但可以显著降低能量消耗,而且所设计的分散温度控制系统可以有效地抑制干扰㊂关键词:隔离壁精馏塔;内部热耦合;稳态设计;分散温度控制;可控性中图分类号:TQ021.8 DOI :10.13543/j.bhxbzr.2023.04.002收稿日期:2022-09-20基金项目:国家自然科学基金(21878011)第一作者:男,1997年生,硕士生*通信联系人E⁃mail:chenhs@引 言传统的三元混合物的分离和提纯通常采用两个或多个精馏塔组成的直接或间接分离序列来实现,然而精馏塔具有较强的不可逆性,且热力学效率极低[1-3]㊂为了实现过程的节能降耗,人们提出了多种精馏过程强化设计方法,如物质耦合和/或能量耦合[4-7]等手段㊂隔离壁精馏塔(dividing wall column,DWC)是一种较为有效的过程强化装置[8-11]㊂相比于传统的分离序列,DWC 通过预分离塔与主塔之间的物质和能量耦合显著地降低了能耗和投资成本,但其不可逆性较强(塔顶和塔底之间的温差较大),仍有进一步改进的可能性[12]㊂现有的改进方式主要分为两种:一种采用热泵(heat pump,HP)技术,将DWC 中的热源加压升温后为其热阱提供能量[13-15];另一种是在隔离壁两侧之间设置热耦合[12,16]㊂虽然热泵技术可以在一定程度上提高系统的热力学效率,但是难以充分利用DWC 中的可用热源㊂分析隔离壁两侧的热效应类型(热源或热阱)并设置相应的热耦合,可以在不增加额外的设备投资的前提下实现一定程度的节能,然而这种方式不但没有充分利用公共精馏段和公共提馏段的热能,而且隔离壁两侧的热效应类型复杂,难以获得通用的设计结构㊂为了充分利用DWC 塔内各阶段的热能,加深系统内部热耦合程度,从而进一步降低系统的不可逆性,本文以进料位置为界将DWC 分为上㊁下两个部分,在这两部分之间引入内部热耦合技术[17],得到一种内部热耦合中间隔壁塔(internally heat inte⁃grated middle dividing wall column,IHIMDWC)㊂以甲醇㊁乙醇和正丙醇三元混合物的分离为例,给出了IHIMDWC 的4种潜在的拓扑结构,进行了优化设计,并给出了一种分散温度控制方案,分析比较了4种拓扑结构的可控性,给出了IHIMDWC 的可行性与有效性的有关结论㊂1 内部热耦合中间隔壁塔及其潜在的拓扑结构 如图1所示,DWC 可以分为Ⅰ~Ⅵ共6个区域,其中,区域Ⅰ和Ⅱ为预分离塔,区域Ⅲ㊁Ⅳ㊁Ⅴ和Ⅵ为主塔㊂F 表示进料,D㊁S 和B 分别表示轻组分㊁中间组分与重组分出料㊂通过预分离塔和主塔之间的气液相流股实现DWC 的内部物质耦合和能量耦合㊂图1 隔离壁精馏塔结构示意图Fig.1 Structural schematic diagram of the DWC图2(a)给出了IHIMDWC 的拓扑结构㊂以进料F 的位置为界,IHIMDWC 被可换热的隔板(HW)分隔开,HW 的左侧为Ⅲ㊁Ⅳ和Ⅰ,右侧为Ⅱ㊁Ⅴ和Ⅵ,通过HW 实现两侧之间的热量交换㊂根据此拓扑结构,设置了4种热耦合方式:①区域Ⅳ和Ⅵ之间以及区域Ⅲ和Ⅱ之间分别设置内部热耦合(IHIM⁃DWC -S);②区域Ⅰ㊁Ⅳ和Ⅵ之间以及区域Ⅲ和Ⅱ之间分别设置内部热耦合(IHIMDWC -L);③区域Ⅳ和Ⅵ之间以及区域Ⅲ㊁Ⅱ和Ⅴ之间分别设置内部热耦合(IHIMDWC -U);④区域Ⅰ㊁Ⅳ和Ⅵ以及区域Ⅲ㊁Ⅱ和Ⅴ之间分别设置内部热耦合(IHIMDWC -A)㊂图2(b)给出了IHIMDWC 的热力学等效示意图㊂以进料位置为界,IHIMDWC 可分为上部分(高压段,包括区域Ⅰ㊁Ⅲ和Ⅳ)和下部分(低压段,包括区域Ⅱ㊁Ⅴ和Ⅵ),区域Ⅱ和Ⅴ的上升蒸汽经过两个压缩机加压升温后分别进入区域Ⅳ和Ⅰ,同时,后两个区域的下降液流经过两个节流阀后分别进入前两个区域,两个压缩机与节流阀保证了高压段与低压段间的温度差与压力差,使得热量可通过两个塔段的各个对应塔板从高压段传向低压段㊂对于理想设计,IHIMDWC 可以节省外部冷凝器或外部再沸器㊂虽然内部热耦合技术可以降低精馏过程的能量消耗,但需要使用压缩机对蒸汽进行增压㊂若压缩机的压缩比过大,其固定投资和操作费用将非常巨大,因此采用IHIMDWC 分离的体系中各组分的沸点差不宜过大[18]㊂下文将以甲醇/乙醇/正丙醇三元物系的分离为例验证IHIMDWC 的有效性和可控性㊂该物系的物性数据与产品指标如表1所示㊂图2 IHIMDWC 的拓扑结构和热力学等效示意图Fig.2 Topological structure and thermodynamicequivalent scheme of the IHIMDWC 表1 分离过程的物性数据与产品指标Table 1 Physical properties and product indicators ofthe separation process参数数值甲醇64.7常压沸点/℃乙醇78.25正丙醇97.2进料流量/(kmol ㊃h -1)100进料温度/℃77.03甲醇0.3进料组成(摩尔分数)乙醇0.4正丙醇0.3甲醇D 0.99产品纯度规定(摩尔分数)乙醇S 0.99正丙醇B0.992 IHIMDWC 的稳态设计借助化工流程模拟软件Aspen Plus 搭建IHIM⁃DWC 的稳态模型,甲醇/乙醇/正丙醇三元物系的汽㊃11㊃第4期 武 浩等:内部热耦合中间隔壁塔的设计与控制液平衡关系采用非随机两流体(non⁃random two liq⁃uids,NRTL)物性方法描述㊂IHIMDWC对应塔板之间的传热量为Q n=UA(T H-T L)(1)式中,U为传热系数,A为换热面积,T H为上部分第n块塔板温度,T L为下部分对应塔板的温度㊂在Aspen Plus中采用FORTRAN语句描述该表达式,并通过多次迭代计算获得传热量Q n,最后将该结果赋值于Heaters and Coolers模块中㊂为验证IHIMDWC的节能潜力,本文首先对DWC进行优化,并在此基础上采用统一热传递面积的方式设计IHIMDWC[19]㊂如图2(b)所示,换热区域Ⅲ-Ⅱ/Ⅴ的塔板间热传递面积均为A w,换热区域Ⅰ/Ⅳ-Ⅵ的塔板间热传递面积均为A c㊂给定IHIMDWC高压段一个较大的初始压力,以全年总费用(TAC)为目标函数,通过启发式搜索法,不断调整优化塔板数㊁侧线出料位置㊁塔板间热传递面积及汽㊁液相分离比等变量,多次迭代搜索得出IHIMDWC的最优设计㊂IHIMDWC优化的具体流程如下[20]:(1)给定一个高压段塔顶压力值,多次迭代步骤(2)~(8),迭代搜索到该给定压力下的TAC最小值;(2)调整Ⅲ㊁Ⅵ区域塔板数,保证左右两塔之间的塔板数一致;(3)调整Ⅰ㊁Ⅳ区域塔板数,Ⅵ区域塔板数随之变动,保证左右两塔之间的塔板数一致; (4)保持总塔板数不变,调整Ⅲ㊁Ⅰ(Ⅳ)区域塔板数的相对数量;(5)保持总塔板数不变,调整Ⅱ(Ⅴ)和Ⅵ区域的相对塔板数,即调整Ⅵ(Ⅲ)区域塔板数; (6)调整侧线出料位置,侧线出料位置可能会在高压段与低压段之间浮动;(7)调整汽相或液相分离比;(8)调整换热面积A w和A c;(9)多次调整高压段压力,探索TAC的最小值㊂图3分别给出了分离甲醇/乙醇/正丙醇三元物系的直接分离序列㊁间接分离序列㊁DWC㊁IHIMDWC-S㊁IHIMDWC-L㊁IHIMDWC-U以及IHIMDWC-A的最优设计结构㊂可以看到,IHIMDWC的上㊁下两部分的塔板数均为45块,IHIMDWC-S㊁IHIMDWC-L㊁IHIMDWC-U和IHIMDWC-A的中间出料位置分别为区域Ⅴ的第11㊁12㊁5㊁11块塔板㊂从图中可以看到,IHIMDWC的4种拓扑结构均可节省外部再沸器,有明显的节能效果㊂IHIMDWC-S的内部热耦合换热面积为A w=A c=9.1m2,IHIMDWC-L的内部热耦合换热面积为A w=8.88m2和A c=8.32m2, IHIMDWC-U的内部热耦合换热面积为A w=2.98m2和A c=11.23m2,IHIMDWC-A的内部热耦合换热面积为A w=3.07m2和A c=5.93m2㊂图4分别给出了IHIMDWC-S㊁IHIMDWC-L㊁IHIMDWC-U和IHIMDWC-A的温差分布图㊂黑色曲线表示该区域设置内部热耦合,灰色曲线表示该区域未设置内部热耦合㊂可以看到,虽然有少量塔板间的温差小于3℃,但是大部分塔板间的温差均大于3℃㊂表2是传统双塔分离序列㊁DWC和IHIMDWC 的能量消耗㊁操作费用和设备投资等计算结果㊂可以看到,在相同的TAC下,虽然IHIMDWC的设备投资和投资回收期有所增加,但是系统的能量消耗得到大幅降低㊂直接分离序列㊁间接分离序列㊁DWC㊁IHIMDWC-S㊁IHIMDWC-L㊁IHIMDWC-U和IHIM⁃DWC-A的总能量消耗分别为5693.80㊁6063.21㊁3439.95㊁1563.42㊁1522.47㊁1504.63kW和1708.14kW㊂相比DWC,IHIMDWC的总能量消耗节省了50.34%~56.26%,相比传统的双塔分离序列,IHIMDWC的总能量消耗节省了70%~75%㊂3 IHIMDWC的动态控制3.1 分散温度控制方案实现IHIMDWC平稳操作的前提条件是保证其上㊁下两部分的隔离壁两侧的操作压力相等,并确保已施加基于系统稳定操作的储量控制(inventory control)㊂IHIMDWC的操纵变量共有10个:冷凝器热负荷Q con㊁第一个压缩机的制动功率BP1㊁第二个压缩机的制动功率BP2㊁塔底出料流量F1㊁中间出料流量F sd㊁塔顶出料流量F2㊁区域Ⅳ的下降液量FV1㊁区域Ⅰ的下降液量FV2㊁回流量R㊁液相分离比R L㊂在进行操作变量与被控变量匹配时需要在尽量缩小控制器时间常数的基础上使操作变量与被控变量间的相互作用足够大,因此本文根据就近原则设计了压力比值控制回路和液位控制回路[21-22]: 1)区域Ⅲ的操作压力通过Q con调节;2)区域Ⅰ和Ⅳ的操作压力组成比值控制(比值为1,即两个变量稳定时应相等),通过BP1调节;3)区域Ⅱ和Ⅴ的操作压力组成比值控制(比值为1,即两个变量稳定时㊃21㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年图3 最优设计结构Fig.3 Optimal design structures ㊃31㊃第4期 武 浩等:内部热耦合中间隔壁塔的设计与控制图4 IHIMDWC 的温差分布图Fig.4 Temperature difference distribution diagrams for the IHIMDWC表2 过程设计结果Table 2 Results of process design过程设计结果数值直接序列间接序列DWC IHIMDWC -S IHIMDWC -LIHIMDWC -U IHIMDWC -A 操作压力/atm 1112.94/12.8/12.88/12.86/1冷凝器热负荷/kW -2850.40-3029.78-1713.96-340.65-331.67-327.47-373.66再沸器热负荷/kW 2843.403033.431725.99<1<1<1<1塔板数54477190909090压缩机功率/kW ---407.59397.16392.386444.824能量消耗/kW 5693.806063.213439.951563.421522.471504.631708.14压缩比---2.942.802.882.86塔的成本/103美元1603.6213361960.172144.742177.132125.452298.82总换热面积/m 2---391.3474.96388.25342.42换热面板成本/103美元---389.81442.12387.83357.43压缩机费用/103美元---1857.231817.461799.231997.74设备投资/103美元2368.362123.812396.454304.074347.584231.424551.91设备投资占比/%98.8388.62100179.6181.41176.57189.94操作费用/(103美元㊃a -1)630.39671.08419.71149.33145.29143.33162.58操作费用占比/%150.20159.8910035.5734.6134.1438.73回收时间茁/a 4.0273.9834.0254.053.9364.31TAC /(103美元㊃a -1)1218.521218.521218.521218.521218.521218.521218.52 1atm =101325Pa㊂㊃41㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年应相等),通过BP 2调节;4)IHIMDWC 的上部分塔顶液位通过F 2调节;5)区域Ⅰ的底部液位通过FV 1调节;6)区域Ⅳ的底部液位通过FV 2调节;7)区域Ⅵ的底部液位由F 1调节㊂IHIMDWC 的3个产品质量通过3个温度控制回路实现:1)通过R 控制IHIMDWC 的上部分灵敏板的温度;2)通过F sd 控制区域Ⅴ的灵敏板的温度;3)通过R L 控制IHIMDWC 的下部分灵敏板的温度㊂所得到的IHIMDWC 的分散温度控制方案如图5所示㊂图5 IHIMDWC 的分散温度控制方案Fig.5 Decentralized temperature control system of IHIMDWC图6 R L ㊁F sd 和R 出现阶跃干扰时IHIMDWC -S㊁IHIMDWC -L㊁IHIMDWC -U 和IHIMDWC -A 的灵敏度分析(黑色线为正扰动曲线,灰色线为负扰动曲线)Fig.6 Sensitivity analyses of IHIMDWC -S,IHIMDWC -L,IHIMDWC -U and IHIMDWC -A when there is a step change in R L ,F sd and R (the black lines represent positive disturbance curves,while the grey lines represent negative disturbance curves)3.2 温度灵敏板的选择IHIMDWC 分散温度控制方案的3个灵敏板可采用常规灵敏度分析进行选取[23-24]㊂图6给出了3个操纵变量R L ㊁F sd 和R 出现阶跃干扰时IHIM⁃DWC -S㊁IHIMDWC -L㊁IHIMDWC -U 和IHIMDWC -A 的灵敏度分析结果,不同拓扑结构的曲线峰值所对应塔板为温度灵敏板㊂可以看出,IHIMDWC -S的3个灵敏板可选取为区域Ⅱ的第19块塔板(其温度记为T S -1)㊁区域Ⅴ的第20块塔板(其温度记为T S -2)和区域Ⅲ的第26块塔板(其温度记为T S -3);IHIMDWC -L 的3个灵敏板可选取为区域Ⅱ的第21块塔板(其温度记为T L -1)㊁区域Ⅴ的第21块塔板(其温度记为T L -2)和区域Ⅲ的第25块塔板(其温度记为T L -3);IHIMDWC -U 的3个灵敏板可选取为区域Ⅵ的第3块塔板(其温度记为T U -1)㊁区域Ⅴ的第17块塔板(其温度记为T U -2)和区域Ⅲ的第28块塔板(其温度记为T U -3);IHIMDWC -A 的3个灵敏板可选取为区域Ⅵ的第6块塔板(其温度记为T A -1)㊁区域Ⅴ的第20块塔板(其温度记为T A -2)和区域Ⅲ的第27块塔板(其温度记为T A -3)㊂3.3 动态仿真结果及分析3.3.1 相对增益矩阵结果分析与动态模型的搭建表3给出了IHIMDWC -S㊁IHIMDWC -L㊁IHIM⁃DWC -U 和IHIMDWC -A 的相对增益矩阵(relativegain array,RGA)㊂可以看出,4种拓扑结构的被控变量和操纵变量的相对增益接近于1,初步表明本文所给控制回路的合理性㊂其中,IHIMDWC -U 的相对增益较接近于1,即各个控制回路之间的耦合较弱㊂借助于化工流程模拟软件Aspen Plus Dynamics 搭建IHIMDWC 的动态模型,IHIMDWC 的内部热耦合通过软件内置的Flowsheet 编程语言的形式进行模拟㊂假定温度变送器有1min 的纯滞后,在初始状态时所有控制阀处于半开状态㊂各个温度控制回路和压力比值控制回路均采用PI 控制器,各个液位控制回路均采用P 控制器㊂所有温度控制器的参数采用Tyreus -Luyben 方法进行整定[25-26]㊂表4㊃51㊃第4期 武 浩等:内部热耦合中间隔壁塔的设计与控制给出了所有温度控制器的整定结果㊂表3 IHIMDWC 的RGATable 3 RGA of the IHIMDWC拓扑结构被控变量R LF sdR T S -11.12-0.116-0.004IHIMDWC -ST S -2-0.1251.173-0.048T S -30.006-0.0581.052T L -10.7280.299-0.027IHIMDWC -LT L -20.2480.886-0.134T L -30.024-0.1851.161T U -11.0170-0.017IHIMDWC -UT U -2-0.0021.026-0.024T U -3-0.015-0.0261.041T A -10.89-0.1250.234IHIMDWC -AT A -20.0990.6440.257T A -30.0110.480.509 加粗表示已完成配对的被控变量与操纵变量所对应的RGA 值㊂图7 进料流量出现±3%扰动时,IHIMDWC 的开环响应曲线(黑色线表示输入为正扰动,灰色线表示输入为负扰动)Fig.7 Open loop responses of the IHIMDWC subjected to ±3%step changes in feed flow (the black lines representpositive disturbance curves,while the grey lines represent negative disturbance curves)3.3.2 开环仿真结果图7给出了进料流量出现±3%的扰动时,IHIMDWC 的开环响应曲线㊂可以看出,当进料流量出现正㊁负扰动时,IHIMDWC -S㊁IHIMDWC -L㊁IHIMDWC -U 和IHIMDWC -A 的开环响应曲线具有不对称性㊂对于中间出料乙醇浓度,IHIMDWC 存在非最小相位特性㊂以上现象表明IHIMDWC 具有较强的非线性特性,其中,IHIMDWC -U 的非线性特性最弱㊂图8分别给出了进料的甲醇组分㊁乙醇组分和正丙醇组分出现±1%的扰动时,IHIMDWC 的开环响应曲线㊂可以再次看出,IHIMDWC -S㊁IHIM⁃DWC -L㊁IHIMDWC -U 和IHIMDWC -A 具有较强的非线性特性,其中,IHIMDWC -S 和IHIMDWC -U 的非线性特性较弱㊂表4 IHIMDWC 的分散温度控制方案的温度控制器参数Table 4 Temperature controller parameters of decentralizedtemperature control system of the IHIMDWC拓扑结构操纵变量被控变量控制器比例增益K C时间/min R LT S -1TC S -16.1920IHIMDWC -SF sd T S -2TC S -216.3311.88R T S -3TC S -3251.9422.44R L T L -1TC L -12.1115.52IHIMDWC -LF sd T L -2TC L -235.139.24R T L -3TC L -3148.8527.72R L T U -1TC U -143.7729.04IHIMDWC -UF sdT U -2TC U -224.0114.52R T U -3TC U -3209.0522.44R LT A -1TC A -16.2362.04IHIMDWC -A F sd T A -2TC A -215.3711.88R T A -3TC A -3197.222.443.3.3 闭环仿真结果图9给出了进料流量出现±10%的扰动时,IHIMDWC 的闭环响应曲线㊂可以看出,IHIMDWC的塔底㊁中间和塔顶产品的纯度均可以在10h 左右达到稳定㊂具体而言,对于塔底产品的正丙醇浓度控制,IHIMDWC -S㊁IHIMDWC -L㊁IHIMDWC -U 和IHIMDWC -A 的调节时间和稳态余差相近,但是超调量σ差别较大(σIHIMDWC-A >σIHIMDWC-L >σIHIMDWC-U >σIHIMDWC-S );对于中间产品的乙醇浓度控制,IHIMDWC -S㊁IHIMDWC -L 和IHIMDWC -A 的调节时间和稳态余差相近,IHIMDWC -U 的稳态余差较大;对于塔顶产品的甲醇浓度控制,IHIM⁃DWC -S㊁IHIMDWC -L㊁IHIMDWC -U 和IHIMDWC -A 的调节时间相近,IHIMDWC -U 和IHIMDWC -A㊃61㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年图8 进料组分出现±1%扰动时,IHIMDWC 的开环响应曲线(黑色线表示输入为正扰动,灰色线表示输入为负扰动)Fig.8 Open loop responses of the IHIMDWC subjected to ±1%step changes in the composition of the feed flow (the blacklines represent positive disturbance curves,while the grey lines represent negative disturbance curves)图9 进料流量出现±10%扰动时,IHIMDWC 的闭环响应曲线(黑色线表示输入为正扰动,灰色线表示输入为负扰动)Fig.9 Closed loop responses of the IHIMDWC subjected to ±10%step changes in feed flow (the black linesrepresent positive disturbance curves,while the grey lines represent negative disturbance curves)的稳态余差较大㊂图10分别给出了进料的甲醇组分㊁乙醇组分和正丙醇组分出现±5%的扰动时,IHIMDWC 的闭环响应曲线㊂当进料的甲醇组分出现扰动时,IHIM⁃DWC -S㊁IHIMDWC -L㊁IHIMDWC -U 和IHIMDWC -A 的调节时间相近,IHIMDWC -S 和IHIMDWC -L的塔底产品正丙醇浓度和中间产品乙醇浓度稳态余差较大㊂当进料的乙醇组分出现扰动时,IHIMDWC -S㊁IHIMDWC -L㊁IHIMDWC -U 和IHIMDWC -A 的调节时间相近,IHIMDWC -S 和IHIMDWC -L 的塔底㊃71㊃第4期 武 浩等:内部热耦合中间隔壁塔的设计与控制图10 进料组分出现±5%扰动时,IHIMDWC 的闭环响应曲线(黑色线表示输入为正扰动,灰色线表示输入为负扰动)Fig.10 Closed loop responses of IHIMDWC subjected to ±5%step changes in composition of the feed flow (the blacklines represent positive disturbance curves,while the grey lines represent negative disturbance curves)产品正丙醇浓度稳态余差较大,IHIMDWC -U 和IHIMDWC -A 的中间产品乙醇浓度稳态余差较大㊂当进料的正丙醇组分出现扰动时,IHIMDWC -U 的塔底产品正丙醇浓度稳态余差小于IHIMDWC -S㊁IHIMDWC -L 和IHIMDWC -A,IHIMDWC -A 的中间产品乙醇浓度稳态余差小于IHIMDWC -S㊁IHIM⁃DWC -L 和IHIMDWC -U㊂4 结论为了降低中间隔离壁精馏塔的能量消耗,本文针对甲醇/乙醇/正丙醇三元物系的分离提出一种内部热耦合中间隔壁塔,并给出了4种潜在的拓扑结构IHIMDWC -S㊁IHIMDWC -L㊁IHIMDWC -U 和IHIMDWC -A㊂稳态设计的仿真结果表明4种拓扑结构相比于中间隔离壁精馏塔节省了外部再沸器,系统能耗下降了50.34%~56.26%㊂针对IHIMD⁃WC 给出了一种分散温度控制方案㊂基于AspenPlus Dynamics 的动态仿真结果表明这种分散温度控制方案可在扰动发生10h 之内使系统达到新的稳定状态,且稳态余差较小,适用于所给的4种拓扑结构㊂IHIMDWC 的最优拓扑结构应根据具体的分离物系的热力学特征和主要的扰动来源进行选择㊂对于甲醇/乙醇/正丙醇三元物系的分离,若主要扰动来源于进料流量,则最优拓扑结构为IHIMDWC -S,若主要扰动来源于进料组分,则最优拓扑结构为IHIMDWC -A㊂参考文献:[1] KISS A A,SMITH R.Rethinking energy use in distil⁃lation processes for a more sustainable chemical industry[J].Energy,2020,203:117788.㊃81㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年[2] CHEN H,CONG H F,HE L,et al.A novel two⁃partsheat integrated dividing wall column with middle vapor re⁃compression[J].Separation and Purification Technology,2021,262:118302.[3] PINTO F S,ZEMP R,JOBSON M,et al.Thermodynam⁃ic optimisation of distillation columns[J].Chemical En⁃gineering Science,2011,66(13):2920-2934. [4] FANG J,LI Z Y,HUANG G M,et al.Externally heat⁃integrated multiple diabatic distillation columns(EHImx⁃DC):basic concept and general characteristics[J].In⁃dustrial and Engineering Chemistry Research,2020,59(4):1668-1681.[5] FANG J,CHENG X M,LI Z Y,et al.A review of inter⁃nally heat integrated distillation column[J].ChineseJournal of Chemical Engineering,2019,27(6):1272-1281.[6] GADALLA M A.Internal heat integrated distillation col⁃umns(iHIDiCs) new systematic design methodology[J].Chemical Engineering Research and Design,2009,87(12):1658-1666.[7] VOINOV N A,ZEMTSOV D A,DERYAGINA N V,etal.A study of diabatic distillation in a column with a lowpressure drop[J].Chemical Engineering Research andDesign,2022,185:1-13.[8] DEJANOVI'C I,MATIJAŠEVI'C L,OLUJI'CŽ.Dividingwall column a breakthrough towards sustainable distil⁃ling[J].Chemical Engineering and Processing:ProcessIntensification,2010,49(6):559-580. [9] WALTERMANN T,SIBBING S,SKIBOROWSKI M.Optimization⁃based design of dividing wall columns withextended and multiple dividing walls for three⁃and four⁃product separations[J].Chemical Engineering and Pro⁃cessing:Process Intensification,2019,146:107688.[10]LI C L,ZHANG Q L,XIE J W,et al.Design,optimiza⁃tion,and industrial⁃scale experimental study of a high⁃ef⁃ficiency dividing wall column[J].Separation and Purifi⁃cation Technology,2020,247:116891. [11]YILDIRIMÖ,KISS A A,KENIG E Y.Dividing wallcolumns in chemical process industry:a review on currentactivities[J].Separation and Purification Technology,2011,80:403-417.[12]FANG J,HU Y Q,LI C L.Energy⁃saving mechanism inheat transfer optimization of dividing wall column[J].In⁃dustrial and Engineering Chemistry Research,2013,52(51):18345-18355.[13]ZANG L J,HUANG K J,YUAN Y,et al.Vapor recom⁃pressed dividing⁃wall distillation columns:structure andperformance[J].Chinese Journal of Chemical Engineer⁃ing,2020,28(7):1891-1897.[14]孙诗瑞,杨傲,石涛,等.特殊精馏热耦合强化技术研究进展[J].化工学报,2020,71(10):4575-4589.SUN S R,YANG A,SHI T,et al.Research advances inthermally coupled intensification technology for specialdistillation[J].CIESC Journal,2020,71(10):4575-4589.(in Chinese)[15]GAO L R,XU L H,YIN X H,et al.Effective control ofvapor recompression⁃assisted dividing wall column with amiddle partition[J].Industrial and Engineering Chemis⁃try Research,2020,59(13):6112-6122. [16]SUPHANIT B,BISCHERT A,NARATARUKSA P.Ex⁃ergy loss analysis of heat transfer across the wall of the di⁃viding⁃wall distillation column[J].Energy,2007,32(11):2121-2134.[17]NAKAIWA M,HUANG K J,ENDO A,et al.Internallyheat⁃integrated distillation columns:a review[J].Chem⁃ical Engineering Research and Design,2003,81(1):162-177.[18]GANDU R,BUROLIA A K,AMBATI S R,et al.Re⁃ducing total annual cost and CO2emissions in batch distil⁃lation for separating ternary wide boiling mixtures usingvapor recompression heat pump[J].Chemical Productand Process Modeling,2023,18(1):177-194. [19]SUPHANIT B.Design of internally heat⁃integrated distil⁃lation column(HIDiC):uniform heat transfer area versusuniform heat distribution[J].Energy,2010,35(3):1505-1514.[20]ALY S.Heuristic approach for the synthesis of heat⁃inte⁃grated distillation sequences[J].International Journal ofEnergy Research,1997,21:1297-1304. [21]LIANG S S,CAO Y J,LIU X Z,et al.Insight into pres⁃sure⁃swing distillation from azeotropic phenomenon to dy⁃namic control[J].Chemical Engineering Research andDesign,2017,117:318-335.[22]MA Y X,CUI P Z,WANG Y K,et al.A review of ex⁃tractive distillation from an azeotropic phenomenon for dy⁃namic control[J].Chinese Journal of Chemical Engineer⁃ing,2019,27(7):1510-1522.[23]LUYBEN W L.Evaluation of criteria for selecting temper⁃ature control trays in distillation columns[J].Journal ofProcess Control,2006,16(2):115-134. [24]JIA S K,QIAN X,YUAN X G,et al.Control structure㊃91㊃第4期 武 浩等:内部热耦合中间隔壁塔的设计与控制comparison for three⁃product Petlyuk column[J].Chi⁃nese Journal of Chemical Engineering,2018,26(8):1621-1630.[25]KISS A A,BILDEA C S.A control perspective onprocess intensification in dividing⁃wall columns[J].Chemical Engineering and Processing:Process Intensifi⁃cation,2011,50:281-292.[26]ZHU Y,LIU X G.Investigating control schemes for an i⁃deal thermally coupled distillation column(ITCDIC)[J].Chemical Engineering Technology,2005,28(9):1048-1055.Design and control of an internally heat integrated middledividing wall columnWU Hao CHEN HaiSheng* HUANG KeJin(College of Information Science and Technology,Beijing University of Chemical Technology,Beijing100029,China) Abstract:Although a dividing wall column(DWC)is more energy⁃efficient than the conventional distillation se⁃quence composed of multiple conventional distillation columns,it can still be further intensified.The DWC can be divided into upper and lower parts in terms of the feed location(the upper part includes the common rectifying sec⁃tion and the two sections adjacent to the partition above the feed location,whilst the lower part contains the two sec⁃tions adjacent to the partition under the feed location and the common stripping section).A novel internally heat integrated middle dividing wall column(IHIMDWC)has been developed by introducing internal heat integration between the two parts.Depending on the arrangement of the internal heat integration at one side or both sides of the partition above or under the feed location,four topological configurations can be derived.Taking the separation of a ternary mixture of methanol,ethanol and1⁃propanol as an illustrative example,these four topological configurations were optimized by a heuristic search method and their controllability was examined using a decentralized tempera⁃ture control system.The simulation results show that the IHIMDWC can not only reduce energy consumption when compared with the DWC,but the proposed decentralized temperature control system can also effectively suppress disturbances.Key words:dividing wall column;internally heat integration;steady⁃state design;decentralized temperature con⁃trol;controllability(责任编辑:吴万玲)㊃02㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年Copyright©博看网. 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内部热耦合精馏
内部热耦合精馏
"内部热耦合精馏"通常是指在精馏塔内部通过加热器进行热耦合，以提高分馏过程的效率。
在传统的精馏过程中，通常使用外部加热器对整个馏分进行加热，而内部热耦合精馏则在塔内实现局部加热。
以下是内部热耦合精馏的一般步骤和原理：
1.馏分引入：
•原料混合物（馏分）被引入精馏塔的顶部。
2.塔内部加热器：
•在塔内部设置加热器，通常是沿着塔的高度分布的。
这些加热器负责加热部分馏分，提高其温度。
3.分馏过程：
•馏分在塔内部经过不同的加热阶段，形成气相和液相。
在这个过程中，各个组分根据沸点差异分离。
4.内部循环：
•内部热耦合精馏通常涉及内部气相和液相的循环。
部分加热的馏分会升至较高塔层，与较低层相接触，实现热耦合。
5.冷凝：
•在塔的顶部设置冷凝器，将气相组分冷凝为液体，形成产品。
通过在精馏塔内使用内部加热器，可以更有效地控制加热过程，提高能源利用效率。
这种方法有助于优化分馏过程，减少能源消耗，提高产品纯度。
需要注意的是，内部热耦合精馏是一个相对复杂的工艺，具体实施可能因应用领域、精馏塔类型和操作条件而有所不同。
在实际应用中，这种技术可能用于石油炼制、化工生产等领域，以提高生产效率和产品质量。
内部热耦合精馏塔的传热及优化
2018年第37卷第1期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·7·化 工 进展内部热耦合精馏塔的传热及优化李春利1，2，杜季颖1，张林1，李晓春1（1河北工业大学化工学院，天津 300130；2河北工业大学化工节能过程集成与资源利用国家地方联合实验室，天津300130）摘要：为研究同轴式内部热耦合精馏塔（HIDiC ）在不同压缩比下的传热量和传热系数，以乙醇-水为分离物系，在自制中试装置中进行了实验研究。
建立了同轴式HIDiC 的传热模型即利用闪蒸罐代替塔板，计算进出闪蒸罐物流的焓值差，从而得到精馏段与提馏段板间换热量，并通过划分区域的方法计算了传热系数。
以年度总费用（TAC ）作为优化指标研究了实现外回流为零时所需的外部换热器的个数。
结果表明：当压缩比为2.2时，塔间传热量最大，冷凝器和再沸器的负荷最低，且压缩比与传热系数的关系为负相关；随着精馏段与提馏段板间最小换热温差的增大，所需外部换热器个数不断减少，TAC 呈现降低的趋势，当外部换热器个数为1，即热量耦合位置为精馏段第一块板与提馏段第一块板时，TAC 最低。
关键词：内部热耦合精馏塔；压缩比；传热模型；传热系数；优化设计中图分类号：TQ202 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）01–0007–07 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0452Investigation on heat transfer and optimization of internallyheat-integrated distillation columnLI Chunli 1，2，DU Jiying 1，ZHANG Lin 1，LI Xiaochun 1（1School of Chemical Engineering ，Hebei University of Technology ，Tianjin 300130，China ；2National-Local Joint Engineering Laboratory for Energy Conservation of Chemical Process Integration and Resources Utilization ，HebeiUniversity of Technology ，Tianjin 300130，China ）Abstract ：In order to research the heat transfer rate and heat transfer coefficient of concentric internally heat-integrated distillation column （HIDiC ）at different compression ratios ，the experimental study was carried out in the self-made pilot plant with ethanol-water as the separation system. The heat transfer model of concentric HIDiC was built by replacing the plates with flash tanks. The heat transfer rate between the rectifying and stripping section was calculated by the enthalpy difference of the flow inlet and outlet of the flash tank ，and the heat transfer coefficient was got by dividing region. The annual total cost （TAC ）was used as an optimized index to study the number of external heat exchangers required to realize the zero external return. The results showed that when the compression ratio was 2.2，the heat transfer rate reached to the maximum ，the duty of condenser and reboiler reached to the minimum ，and the relationship between the compression ratio and heat transfer coefficient was negative. The number of external heat exchangers decreased and TAC began to drop with the increase of the minimum heat transfer temperature difference. TAC reached to the minimum by adding one heat exchanger between the first plate of rectifying and stripping section.Key words ：internally heat-integrated distillation column ；compression ratio ；heat transfer model ；heat transfer coefficient ；optimal design纯化研究。
高纯内部热耦合精馏塔的先进控制策略研究的开题报告
高纯内部热耦合精馏塔的先进控制策略研究的开题报告摘要：高纯内部热耦合精馏塔是目前工业生产中使用最多的分离设备之一。
然而，由于其复杂的热力学性质和非线性动态行为，其控制问题一直是研究的热点和难点。
本文旨在研究高纯内部热耦合精馏塔的先进控制策略，以提高其控制性能和生产效率。
首先，本文介绍了高纯内部热耦合精馏塔的工作原理和控制问题。
接着，针对其特殊的工艺特点，提出了一种基于模型预测控制的新型控制策略，通过建立实时建模、在线优化和预测控制三个模块，实现了对高纯内部热耦合精馏塔的精确控制。
为了验证所提控制策略的可行性和优越性，本文设计了一组仿真实验，通过对比模拟实验结果和传统控制策略的对比，证明了所提控制策略的有效性和较好的性能。
本文的研究成果对于提高高纯内部热耦合精馏塔的控制性能和生产效率具有一定的指导意义。
关键词：高纯内部热耦合精馏塔；模型预测控制；在线优化；预测控制；仿真实验1. 前言高纯内部热耦合精馏塔是目前工业生产中使用最多的分离设备之一，广泛应用于化工、石油、制药和精细化工等行业。
其作为一种高效、节能、环保的分离设备，已成为现代化工生产的不可或缺的组成部分。
然而，由于其复杂的热力学性质和非线性动态行为，高纯内部热耦合精馏塔的控制问题一直是研究的热点和难点。
传统的PID控制方法受到了很大的限制，不能满足其高精度、高速度、高效率的需求。
因此，寻找一种先进、高效的控制策略是目前的研究方向之一。
2. 高纯内部热耦合精馏塔的工作原理和控制问题高纯内部热耦合精馏塔是一种常压下的分馏塔，主要用于分离两种或多种低沸点组分，其工作原理如下（图1）：（本部分省略图1）图1 高纯内部热耦合精馏塔示意图在高纯内部热耦合精馏塔中，液体混合物通过进料口进入塔体，在塔体内与上升的气相进行传质和传热，随着气相上升，混合物的不同组分分别在塔板上凝结和挥发，形成顶部的馏分和底部的渣滓。
在这个过程中，热量是快速传递的，因此塔内各个部分的温度会发生明显变化，从而导致了非线性的动态行为。
内部热耦合精馏塔构型研究
257061 ; 2628 CA )
摘要 : 以丙烯 丙烷分离过程为例 , 研究了 4 种内部 热耦合 精馏塔 的性能 , 并与 常规精 馏塔和 热泵精 馏塔进 行了比 较。结果发现 , 不同构型的内部热耦合精馏塔之间性能差异很大 , 其中提馏段与精馏 段上端对齐 , 逐板 进行热交换 的构型性能最佳 , 其有效能耗比热泵精馏塔低 25% 关键词 : 热耦合精馏 ; 构型 ; 能耗 ; 换热面积 ; 压缩比 中图分类号 : TQ 028. 31 文献标识码 : A 文章编号 : 1005 9954( 2006) 11 0004 04 40% , 节 能效果显 著。还探讨 了内部 热耦合精 馏塔的 压缩比 与换热面积的关系 , 压缩比越小 , 换热面积越大 , 换热面积的逐板分布越不均匀。
图 2 其他 3种构型的内部热耦合精馏塔 Fig. 2 O ther three conf igu rations of theH I D iC
对称型中提馏段与精馏段的塔板数相同 , 两段 逐板进行热交换 ; 上对齐型中提馏段与精馏段上端 对齐, 逐板进行热交换 , 精馏段的下部与常规精馏塔 相同; 下对齐型中提馏段与精馏段下端对齐, 逐板进 行热交换, 精馏段的上部与常规精馏塔相同; 全对齐 型中加大提馏段的板间距 , 使提馏段与精馏段的高 度相同 , 对于这种构型 , 提馏段的每块塔板与精馏段 的多块塔板进行热交换。 2 丙烯 丙烷精馏塔的操作条件 表 1 列出了常规精馏塔、 热泵精馏塔以及 4 种 内部热耦合精馏塔的操作条件。内部热耦合精馏塔 提馏段的操作压力分别定为 1 . 3 MP a 和 1 . 5 M Pa, 以研究压缩比对其性能的影响。 常规精馏塔是把再沸器中加入的热能作为分离 剂 ; 对于内部热耦合精馏塔和热泵精馏塔 , 需要外界 提供驱动压缩机的电能。为了合理表示热能与电能 的差异 , 本文采用了有效能分析 , 用下面的方程将再 沸器的热负荷转化为有效能: ER = Q R [ 1 - T 0 (TB + T ) ] ( 1) 式中, E R 表示再沸器的有效能, Q R 表示再沸器的热
气液分开进料内部热耦合精馏塔的优化设计
合精馏塔的操作线更接近于平衡线%增强了系统的 可逆性%相比传统精馏可节能 >%L以上%受到众多 研究者的关注)#:=* '
由于进料热状态的改变对内部热耦合精馏塔的 冷热负荷有很大的影响%且当气液混合进料时%在进 料位置处的物流可能吸热也可能放热%会引起内部
收稿日期 $%&9:%':$' 基金项目 河北省应用基础研究计划重点基础研究项目!&"="!#%$<" 作者简介 李红实!&='$$" %男%硕士%助理研究员%研究方向为化学工程%电话&&>"'$%>>#$&%+:?7@5&5@PR'$A&$"6C4?'
李红实等(气液分开进料内部热耦合精馏塔的优化设计
热量分配不均匀%造成热力学效率降低)&%:&&* ' 所以 本文选取近沸程的正丁醇:异丁醇二元物系%对气液 分开进料的 *-<@)进行研究'
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气液分开进料内部热耦合精馏塔的优化设计
李红实& 王雪菲& 李春利&$ 杜季颖& 方(静&$
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((精馏是一种高能耗(低能量利用率的单元操作 过程%其能量消耗大约占化工生产总能耗的 "%L% 热力学效率仅为 #L$$%L)&:!* %所以对精馏过程进 行节能性的研究是非常有必要的' 内部热耦合精馏 技术! *-<@)" %作为一种新型的高效精馏节能方法% 其精馏段与提馏段换热产生的内回流%使内部热耦
新型复合式内部能量集成的精馏塔的机械设计与水力学模拟
新型复合式内部能量集成的精馏塔的机械设计与水力学模拟引言精馏技术广泛应用于化工、医药、精细化工等行业，投资和能耗较高。
内部热集成精馏塔（internally heat integrated distillation column，HIDiC）是一种新型精馏技术，它结合了热泵精馏和透热精馏节能的特点。
这种结构一方面将精馏段塔顶热端蒸气的余热充分利用回收；另一方面塔段间的透热使得各塔板的传质推动力平均化，实现逐板传热，提高了精馏塔的热力学效率。
因此该技术具有极大的节能效率，与常规蒸馏塔相比节省的能耗可达30%～60%，这是理论上最先进的精馏技术，受到了众多学者的关注。
随着CFD 理论的发展，研究人员开始利用CFD模拟的方法研究塔板的水力学特征。
相比实验，CFD 可以更加精确地描述塔板上的流动情况，可以预测塔板的板效率，Wang 等对隔板塔塔盘流场进行了水力学模拟，并与实验结果进行了对比，两者具有极大的相似性。
Rodríguez-Ángeles等通过对隔板塔的机械设计以及CFD 模拟，对隔板中筛板上的水力学参数进行了优化，提高了塔盘的传质效果。
较多的研究者对于HIDiC的研究只是停留在能量优化以及控制策略上，但对于与理想的HIDiC 理论相吻合的模型以及机械结构的设计和水力学模拟较少，本文基于以上问题，在HIDiC理论的基础上构建了新型的HIDiC 塔节，并用CFD 软件进行了水力学分析。
1 机械设计首先建立内部能量集成的精馏塔理论模型，如图1 所示，提馏段塔顶蒸气经压缩机加压升温后进入精馏段塔底部，精馏段塔底回流液经节流阀减压后回到提馏段塔顶部与原料混合。
两塔段间通过塔壁或换热板进行热量交换，精馏段蒸气在上升中冷凝，提馏段回流液在回流中蒸发，这样精馏段冷凝器和提馏段再沸器的热负荷会大幅减小。
图1 内部能量集成的精馏塔示意图Fig.1 Schematic diagram of internal heat integrated distillation columns 以苯和甲苯为分离物系，饱和液体进料，进料压力为常压。
05-2000-内部热耦合精馏塔的初步设计_I_模型化和操作分析
( j = 2 , …, n - 1 and j ≠ f ) ( 22)
H d X f / d t = V f +1 Y f + 1 - V f Y f + L f - 1 X f - 1 L f X f + FZf Hd X n / d t = - V n Y n + L n - 1 X n - 1 - L n X n ( 23) ( 24)
X s = ( Q rmin ,con - Q tcd ) / Q rmin ,con
( 9)
联系人及第一作者 : 刘兴高 , 男 , 30 岁 , 博士 . 3 国家环保局资助项目 ( 环科科 , 1997 , No . 006) 及浙江大 学工业过程控制研究所与日本通商产业省物质工学工业技术研究所 合作项目 .
59. 26
44. 19 129. 69 99. 60 311. 79 224. 17
4. 9122 4. 9122 4. 4928 4. 4928 4. 1562 4. 1562
0～1
0. 1013～ 1. 013
0. 1013
9803
2. 317
T j = b / ( a - L npvp , j ) - c p vp , j = p / [ X j + ( 1 - X j ) / α ]
质量平衡方程
j
( 1 ) 输入操作条件和物性数据 : n , f , F , p r , p s , Zf , q , U A ; a , b , c ; A , B , C , D ;
1998212216 收到初稿 , 1999206203 收到修改稿 .
∑( Y I /
( Ki - 1) )
基于塔总组合曲线的内部热耦合精馏塔优化设计方法
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｎ ｅ ｗ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｓ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｉ ｆ ｇ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｈ ｅ ａ ｔ — ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｄ ｉ ｓ ｔ ｉ ｌ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
摘要 ：基于塔总组合曲线 （ Ｃ ＧＣ Ｃ） ，提出了一种简化 内部热耦合精馏塔 （ Ｈ Ｉ Ｄｉ Ｃ）结构 的图形设计方法 。在完 成
精馏 段 （ 或提馏段 ）单塔 段中间换热器 优化 设置 的基 础上，结合精 馏段 与提馏段 Ｃ Ｇ Ｃ Ｃ的集成图，以 Ｈ Ｉ Ｄｉ Ｃ的可
减小过程 总炯 损为 目标 ，确定 Ｈ Ｉ Ｄｉ Ｃ热耦合中间换热器的最优设计。以苯 乙烯一 乙苯 Ｈ Ｉ Ｄｉ Ｃ为例 ，计算结果表 明，
反应精馏过程中的多稳态分析
反应精馏过程中的多稳态分析
稳态精馏过程中,当流动相和气体分子的碰撞次数足够多时,就能形成热力学平衡。
当反应物系的温度等于或高于临界温度时,反应的平衡常数最大;随着反应进行到一定程度后,反应速率下降,产品浓度上升,使得平衡向右移动,直至达到新的稳态。
若反应过程为可逆反应,则这个过程会无限制地重复下去。
在该反应器内进行的精馏操作称为“稳态精馏”,其主要特点是:①由于气、液相间发生的反应为放热反应,故只需将温度控制在反应的平衡温度以上即可实现;②在保持平衡不变的条件下,提高产品浓度比较容易。
内部热耦合精馏塔原理
内部热耦合精馏塔原理
精馏塔是一种常用的分离设备，广泛应用于化工工艺中。
其中，内部热耦合精馏塔是一种高效能的精馏塔，其原理是通过内部热耦合技术实现热能和质量传递的最大化。
内部热耦合精馏塔的构造相对简单，主要由塔体、塔板和填料组成。
塔体是塔的主体结构，用于容纳塔板和填料，同时也起到支撑和密封的作用。
塔板是塔内的关键部件，通过塔板上的孔洞和塔体之间的间隙，实现气体和液体的交换和分离。
填料则是塔内的填充物，用于增加气液接触面积，提高传质效率。
内部热耦合精馏塔的原理是利用内部热耦合技术实现热能和质量传递的最大化。
内部热耦合技术是一种将加热和分离过程紧密结合的技术，通过在塔板上设置加热器和冷凝器，使得加热和分离同时进行。
在内部热耦合精馏塔中，加热器通过加热塔板上的液体，使其蒸发成气体，而冷凝器则通过冷凝塔板上的气体，使其凝结成液体。
这样一来，加热和分离两个过程同时进行，从而提高了热能和质量传递的效率。
内部热耦合精馏塔的原理具有以下优点：
1. 提高传质效率：内部热耦合技术能够有效地提高传质效率，将热能和质量传递的效率最大化。
2. 节约能源：由于加热和分离同时进行，内部热耦合精馏塔能够节
约能源，减少能源消耗。
3. 减少设备占地面积：内部热耦合精馏塔相对于传统精馏塔而言，结构更为紧凑，占地面积更小。
内部热耦合精馏塔是一种高效能的精馏塔，通过内部热耦合技术实现热能和质量传递的最大化。
其原理简单而有效，具有提高传质效率、节约能源和减少设备占地面积的优点。
在化工工艺中的应用前景广阔，将为工业生产带来更多的好处。
热-应力耦合分析(稳态热分析)
实验十三热－应力耦合分析（稳态热分析）（一）实验目的1．熟悉并掌握ANSYS软件的使用方法；2．掌握如何利用ANSYS进行热－应力耦合分析（稳态热分析）；（二）实验设备及工具安装有ANSYS软件的计算机（三）实验问题描述温度的分布不均会导致部件内部产生热应力，在结构分析中常会遇到需要考虑温度场对应力分布影响的情况。
特别在进行各类燃机的部件，如航空发动机的涡轮盘、叶片等的强度计算分析时通常要考虑热问题。
各类输送管道由于内外温度不同也会产生热应力。
另外材料的性能和其温度是相关的，不同的温度下其性能通常不同，这也会造成部件应力分布的变化。
1。
问题描述一无限长的截面形状和尺寸如图12.1所示的厚壁双层圆管，其内、外层温度分别为Ti和To，材料数据和边界条件如表12.1所示，利用ANSYS程序来求解圆管沿径向的温度分布情况，并求解圆管内沿径向和周向的应力情况。
图12.1 双层管道的截面图表12.1 材料性能参数表材料编号热导率(W/mm.℃) 弹性模量(MPa)泊松比热膨胀系数(－℃-1)1(钢),内层0.0234 2.05E5 0.3 1 0.3 2(铝) ,外层0.152 0.63E5 0.33 2 0.7从上面描述的问题可以看出，本实验属于轴对称问题，可以采用轴对称方法来进行分析。
同时本问题为典型的热－应力耦合问题，可以采用间接法顺序耦合分析的一般步骤进行分析。
因为管道为无限长，故建立模型时轴向尺寸可以是任意大于零的值，且将其一边轴向约束，一边所有节点轴向自由度耦合。
（四）实验步骤1. 建立模型在ANSYS中，首先通过完成如下工作来建立本算例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，建立几何模型并划分有限元网格等。
实验中定义的单元类型和材料属性都是针对热分析的。
下面将详细讲解分析过程。
1.1指定分析标题并设置分析范畴首先，指定本实验的分析路径、数据库的名称、分析标题。
精馏过程变量耦合及解耦控制系统的分析与设计_黄永杰
和前馈补偿解耦法，可见它们具有相同的解耦效果。
用对角矩阵法解耦，其解耦网络中包含 4 个解耦支
路模型，应用前馈补偿法解耦，只需要 2 个支路模
型，解耦网络结构相对简单，而且前馈补偿解耦法的
解耦模型阶次低，易于实现。前馈补偿法是目前工
业上应用最普遍的一种解耦方法。
3 解耦系统的简化
对角矩阵和前馈补偿两种解耦网络在设计时，都 必须知道被控耦合对象准确的数学模型 WO(s)。而在 现实中，无论是用解析法或是实验法都不可能得到准 确的传递函数矩阵WC(s)，且Wij(s)可能比较复杂，此时， 解耦网络模型无法实现。为此，首先要对过程模型 WO(s) 进行简化处理，再对解耦网络进行简化处理，在 实际应用中经过反复调整，有可能取得满意的效果。
D21(s)
m1
y11
y1
W11(s)
y12 W21(s)
FS
WC2(s) mC2
D22(s)
y21
m2
W22(s) y22
y2
图 3 精馏塔两输入 / 两输出对角矩阵解耦控制系统示意图
设耦合对象的传递函数矩阵为：
WO(s)
（1）
式中，W12(s) 和 W21(s) 描述了系统间的关联。 解耦网络传递函数矩阵为：
目前对精馏物成分及塔底产物成分进行控制的方案较多工业上较普遍使用的方案是用回流量fl控制精馏物成分y1用蒸汽量fs控制塔底产物蒸汽量fs塔底产物成分y2图2精馏塔两端产品成分控制示意图用试验法测得某化工厂一个具有30个塔盘的精馏塔两端产品成分控制区的数学模型为
第 43 卷 第 10 期 36 2014 年 10 月
化工技术与开发 Technology & Development of Chemical Industry
气液分开进料内部热耦合精馏塔的优化设计
气液分开进料内部热耦合精馏塔的优化设计李红实;王雪菲;李春利;杜季颖;方静【期刊名称】《化学工程》【年(卷),期】2018(046)005【摘要】以近沸程的正丁醇和异丁醇为模拟物系,对内部热耦合精馏塔(HIDiC)的进料方式进行改进.在固定压缩比(R.=3)和产品摩尔分数(0.998)下,分别对常规进料的HIDiC和气液分开进料的HIDiC在不同气相分率、进料位置下的总操作费用进行计算,结果表明分开进料时的总操作费用最小,节能效果最好.证明了气液分开进料的HIDiC节能潜力优于常规进料的HIDiC,并对分开进料的HIDiC的控制方案进行研究,通过模拟优化,选用改进的温度组成串级控制方案,较之前的温度组成串级控制方案进一步降低了塔釜产品的稳定时间,达到了产品纯度和温度平稳恢复的最佳控制效果.%With the near-boiling range of n-butanol and isobutanol as the analogue system,the feed mode of the internal thermal coupling rectification column (HIDiC) was improved.At the fixed compression ratio (Rp =3) and product purity (0.998),the total operating costs of HIDiC for conventional feed and HIDiC feed separately for gas and liquid at different vapor fraction,feed position,respectively,were calculated.The results show that the total operating cost when feed separately is the smallest and the energy saving effect is the best,which prove that HIDiC feed separately has better potential for energy saving than the conventional HIDiC.And the control scheme of HIDiC feed separately was studied.Through the simulation and optimization,the improved temperature cascade controlscheme was pared with the former temperature cascade control scheme,the stability time of bottom product is further reduced,and the product purity and steady temperature recovery are best controlled.【总页数】6页(P12-17)【作者】李红实;王雪菲;李春利;杜季颖;方静【作者单位】河北工业大学化工学院,天津300130;河北工业大学化工学院,天津300130;河北工业大学化工学院,天津300130;河北工业大学化工节能过程集成与资源利用国家地方联合工程实验室,天津300130;河北工业大学化工学院,天津300130;河北工业大学化工学院,天津300130;河北工业大学化工节能过程集成与资源利用国家地方联合工程实验室,天津300130【正文语种】中文【中图分类】TQ028.4【相关文献】1.基于Matlab的内部热耦合精馏塔仿真实验平台 [J], 丛琳;陈鸿龙2.内部热耦合精馏塔的传热及优化 [J], 李春利;杜季颖;张林;李晓春3.同轴式内部热耦合精馏塔的传热性能 [J], 方静;赵蕊;李春利;轩碧涵4.基于塔总组合曲线的内部热耦合精馏塔优化设计方法 [J], 刘雪刚;何畅;雷杨;何昌春;张冰剑;陈清林5.分隔型热耦合精馏塔的优化设计 [J], 钱宏义;韩方煜因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
考虑内部热集成的乙二醇反应精馏系统设计与优化_安维中
１ Ｅ Ｇ 反应精馏过程特征及常规设计
１ ． １ 化学体系和反应动力学 以环氧乙烷和水为原料合成乙二醇的反应具有 竞争 －连串反 应 的 特 点 。 在 反 应 精 馏 塔 中 ， 考 虑 如 下生成 Ｅ 二乙二醇 ） 两个反应 Ｇ和Ｄ Ｅ Ｇ （
Ｈ２Ｏ＋Ｃ Ｅ Ｇ） →Ｃ ２Ｈ ４Ｏ ２Ｈ ６Ｏ ２（ Ｃ Ｄ Ｅ Ｇ） →Ｃ ２Ｈ ６Ｏ ２ ＋Ｃ ２Ｈ ４Ｏ ４Ｈ １ ０Ｏ ３（ （ ） １ （ ） ２
０ １ ３－０ ８－１ ６ 收到初稿 ，２ ０ １ ３－０ ８－２ ６ 收到修改稿 。 ２ ， 男 ， 博士 ， 副教授 。 联系人及第一作者 ： 安维中 （ １ ９ ６ ８—） ；化学工程联 基金项目 ： 国家自然科学基 金 项 目 （ ２ １ ３ ０ ６ １ ７ ９） ） 。 合国家重点实验室开放课题 （ Ｓ Ｋ Ｌ ｈ Ｅ １ ２ Ｂ ０ ３ －Ｃ －
Ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｌ ｈ ｅ ａ ｔ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｇ ｐ ｙ ｇ ｃ ｏ ｌ ｕ ｍ ｎ ｆ ｏ ｒ ｅ ｔ ｈ ｌ ｅ ｎ ｅ ｌ ｃ ｏ ｌ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｉ ｓ ｔ ｉ ｌ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｙ ｇ ｙ ｐ
檭檭檭檭檭殐
研究论文
考虑内部热集成的乙二醇反应精馏 系统设计与优化
安维中１ ， 林子昕１ ， 江月１ ， 陈菲１ ， 周立明２ ， 朱建民２
１ ２ （ ） 中国海洋大学化学化工学院 ， 山东 青岛 ２ 辽宁奥克化学集团 ， 辽宁 辽阳 １ ６ ６ １ ０ ０； １ １ ０ ０ ３
摘要 ： 针对环氧乙烷水合制乙二醇反应精馏过程反 应 热 的 利 用 和 系 统 能 量 更 大 集 成 问 题 ， 提 出 一 种 将 反 应 段 和 提馏段分割 、 从反应段移出热量 供 提 馏 段 加 热 的 内 部 热 集 成 反 应 精 馏 塔 （ Ｒ－Ｈ Ｉ Ｄ ｉ Ｃ） 的 设 计 。 利 用 Ａ ｓ ｅ ｎ Ｐ ｌ ｕ ｓ ｐ 模拟软件 ， 分析了内部热集成的可能性 ， 优化了 内 部 热 交 换 量 及 其 分 布 ， 给 出 了 一 种 不 需 要 再 沸 器 的 能 量 最 大 集成方案 。 研究表明 ， 与传统的反应精馏塔相 比 ， 通 过 对 内 部 热 集 成 进 行 优 化 ， 乙 二 醇 反 应 精 馏 塔 可 取 消 再 沸 器 ， 系统需要的能量只由环氧乙烷水合反应热和外 部 压 缩 机 提 供 ， 其 操 作 费 用 将 降 低 约 ４ ７ ． ２％ ， 总 费 用 将 降 低 约３ ９ ． １％ ， 体现了其技术和经济优越性 。 关键词 ： 反应精馏 ； 乙二醇 ； 反应热 ； 内部热集成 ：１ ／ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ０ ４ ３ ８ Ｄ Ｏ Ｉ ０ ． ３ ９ ６ ９ １ １ ５ ７ ． ２ ０ １ ３ ． １ ２ ． ０ ５ ４ － ｊ ； 中图分类号 ：ＴＱ ２ ２ ３ ． ２ ４ ＴＱ ０ ２ １ ． ８ 文献标志码 ：Ａ ）１ 文章编号 ：０ ４ ３ ８－１ １ ５ ７（ ２ ０ １ ３ ２－４ ６ ３ ４－０ ７
内部热交换型蒸馏塔的开发、设计及其仿真
内部热交换型蒸馏塔的开发、设计及其仿真王春云【期刊名称】《化肥设计》【年(卷),期】2003(041)003【摘要】内部热交换型蒸馏塔是将蒸馏塔分割成具有浓缩部与回收部的双功能化工单元设备。
浓缩部的操作压力高于回收部。
虽然配套的压缩机消耗部分能量 ,但仍能达到大幅度节能的目的。
日本木村化工机械公司和工业技术研究所环境友好技术中心合作 ,通过原理验证和实验确认 ,该类热交换型蒸馏塔比通用型蒸馏塔节能30 % ,堪称划时代的节能设备。
1 内部热交换型蒸馏塔的特征通用型蒸馏塔均由塔底加热 ,冷却塔顶产生蒸汽 ,其液流在塔内进行气液接触 ,塔顶制得浓缩的低沸点成分产品 ,塔底制得高沸点成分的产品。
相反 ,内部热交换型蒸馏塔却不同 (见图1 ) ,其压缩机与膨胀阀将浓缩部、回收部分开 ,并在其间进行热交换。
通用塔在正常工况下浓缩部比回收部温度等级低 ,而内部热交换型蒸馏塔由于浓缩部设定压力高于回收部 ,所以能有效地将浓缩部的热量传递至回收部。
这样的热交换作用 ,浓缩部每段热交换都是用于冷却 ,气液流量越接近下层塔板越大 ;回收部每段热交换都是用于加热 ,气液流量越接近上层塔板越大。
这样 ,内部热交换型蒸馏塔还流比随着各段热交换工况不同依次变化 ,且越接近塔中心越大。
图 1 内部热交换型蒸馏塔概念图2 部分试验装置的模型与仿真部分...【总页数】4页(P60-63)【作者】王春云【作者单位】黑龙江省浩良河化肥厂【正文语种】中文【中图分类】TQ053.5【相关文献】1.基于工作应力仿真分析的某型航空发动机燃-滑油热交换器安装改进思路 [J], 杨坤玉;蔡海鹏;罗成;潘存云2.某型核电站再生热交换器及下泄热交换器容量设计与论证 [J], 王岳3.可减少回流量的蒸馏塔内部填料设计 [J], 罗健儿4.某型核电站再生热交换器及下泄热交换器容量设计与论证 [J], 王岳5.大型润滑油型减压蒸馏塔内件集成技术的开发与应用 [J], 李鑫钢因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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作者:周宪田
学位授予单位:中国石油大学(华东)
1.高恒蛟提高热电材料β-FeSi2转化率的工艺研究[学位论文]2011
7.肖文德绿色化学技术和多功能反应器[会议论文]-2001
8.周传光.高健.赵文反应精馏过程图解设计法研究进展[期刊论文]-化学工程2002,30(4)
9.谈冲反应精馏工艺的计算及讨论[期刊论文]-石油化工设计2002,19(4)
10.金思毅.于宏.杨小刚.JIN Si-yi.YU Hong.YANG Xiao-gang反应/分离集成系统塔板组成线设计法研究[期刊应产品分布因素的研究[学位论文]2011
3.额尔敦巴特尔《成吉思汗箴言》的艺术性研究[学位论文]2011
4.庞玉锋混合C4烷烃脱氢制混合C4烯烃[学位论文]2011
5.聂子旸碳酸二甲酯反应精馏塔过程强化的综合设计与控制[学位论文]2011
6.金星善基于Eclipse RCP的应用系统研究与实现[学位论文]2011
本文链接:/Thesis_Y1876887.aspx