用于分离共沸物的节能隔壁塔的设计与控制研究

【摘要】：作为化工过程强化的重要研究方向之一，隔壁塔在分离三元物系时，通常比传统两塔序列节省相当大的能量消耗和设备投资（约30%）。依据隔壁在塔壳内轴向位置不同，隔壁塔可分为三种类型：隔壁在中间、隔壁在顶部和隔壁在底部。过去的研究主要集中在隔壁位于中间类型，而对隔壁在顶部和底部类型隔壁塔的研究较少。同时，以前的研究侧重于隔壁塔分离非共沸物系的设计与控制的方面，对隔壁塔分离共沸物的研究较少。 本研究在总结归纳过去研究基础上，采用稳态模拟和动态仿真方法，旨在研究用于分离共沸物的节能隔壁塔（隔壁在顶部和底部）的设计与控制。本文创新点在于系统地研究了具有节能效果的萃取精馏隔壁塔和共沸精馏隔壁塔的设计步骤、优化序列与控制策略，得到了具有一定适用性的结论。 首先，概述了精馏过程强化与节能的原理方法和典型技术，综述了隔壁塔在国内外研究现状与存在问题，简述了本文的研究方法和研究重点。二是，研究了萃取精馏隔壁塔的设计与浓度控制。以甲缩醛/甲醇共沸物分离（N, N-二甲基甲酰胺为重夹带剂）为案例，通过稳态模拟得到萃取精馏隔壁塔的优化设计，其比传统两塔序列节能约8.3%；提出了萃取精馏隔壁塔的有效浓度控制结构CCS1和CCS2；将结构CCS2应用于异丙醇脱水系统（二甲基亚砜为重夹带剂），动态仿真得到了很好地控制效果，确证该结构具有一定的适用意义。三是，提出了萃取精馏隔壁塔的两种单纯温度控制和一种温差控制结构。用动态仿真法测试了所提出的控制结构的有效性；比较了几组动态控制性能以确证所提出的控制结构的有效性和优越性；将提出的温度控制结构应用于两种体系（异丙醇/水/二甲基亚砜和丙醇/甲醇/二甲基亚砜），动态仿真表明对两种体系均能得到很有效的控制，确证该结构具有一定的适用意义。四是，研究了共沸精馏隔壁塔的设计方法和控制策略。以乙醇脱水为案例（环己烷为轻夹带剂），对三种精馏序列（共沸塔-回收塔A1、共沸塔-汽提塔A2和共沸隔壁塔A3）经济比较，结果表明序列A3可比序列A1和A2分别节能约21.4%和10.9%；动态比较表明序列A3具有和A1相当的可控性，且有比序列A2更优越的可控性。最后，总结了本文的主要研究成果，并对隔壁塔设计与控制的持续工作作出展望。