蒸汽再压缩隔离壁精馏塔最优拓扑结构的综合设计
与传统分离序列相比，隔离壁精馏塔(DWDC)能有效降低设备投资、设备空间和能源消耗。DWDC在工艺开发中的巨大优势不仅加快了其在化工和石化行业的应用，并且还能利用过程强化技术进一步扩大其显著优势。而蒸汽再压缩热泵(VRHP)辅助隔离壁精馏塔(VRHP-DWDC)作为一项拥有巨大发展潜力的过程强化技术，可以提高系统的热力学效率。但由于DWDC与VRHP的结合方式与给定的工艺设计及操作条件密切相关的特点会造成多种拓扑设计，因此在VRHP-DWDC的开发过程中会产生相当复杂、繁琐和耗时的工作。为了解决这个问题，本文基于不同原理提出了两种VRHP-DWDC综合设计方法。 本文一方面针对DWDC分离重组分占优的三元宽沸点混合物的系统,提出了一种VRHP-DWDC最优拓扑结构的综合设计策略。在此系统中，从中间组分中分离重组分时不可避免地产生多余热量，多余的热量不仅应该被回收以利于分离操作的进行，而且应该作为宝贵的热源用于启动VRHP进行过程强化。VRHP-DWDC最优拓扑结构同时压缩轻组分塔顶蒸汽和重组分从中间组分中分离产生的多余热量并将其潜热在预分馏塔提馏段或公共提馏段释放。以苯(BEN)/甲苯(TOL)/邻二甲苯(OXY)和正戊烷(PEN)/正己烷(HEX)/正庚烷(HEP)为例对重组分占优的三元混合物分离系统进行仿真模拟，以最小化年总成本(TAC)作为工艺合成和设计的目标函数，采用网格搜索法优化相关结构参数，并将两个单级VRHP-DWDC、双级VRHP-DWDC与DWDC进行经济成本比较。实验结果表明，无论隔离壁置于顶部、中部还是底部，所提出最优拓扑结构均具有最显著的经济优势。此策略能够预先确定DWDC分离重组分占优的三元宽沸点混合物系统的最优拓扑结构，可以大幅降低工艺开发的复杂性。 本文另一方面针对隔离壁置于中部的隔离壁精馏塔(DWDCM)分离一般性等比例三元宽沸点混合物的系统，提出一种按照可用热源温度递减顺序进行VRHP-DWDCM开发的有效流程。第一步通过高温中间组分产品蒸汽来探索使用VRHP进行过程强化的经济可行性，第二步通过从塔顶提取轻组分蒸汽进行过程强化。同样以BEN/TOL/OXY和PEN/HEX/HEP为例对一般性等比例进料的三元分离系统进行研究，结果表明该开发流程不仅简单高效，而且能最大限度地提高VRHP-DWDCM的稳态性能，降低工艺开发的繁琐性。由于此开发流程可以很好地考虑不同系统的热力学特征，所以不受所处理混合物中所含组分的数量限制，同样适用于分离四元及四元以上混合物的复杂VRHP-DWDCM的综合开发。 本文通过深入分析两种不同进料状态DWDC的热力学特征，分别提出了不同的VRHP-DWDC综合设计方法。虽然原理不同，但都通过两个实例证明其设计方法的可行性，说明使用VRHP对DWDC进行过程强化是非常有利的选择。
隔离壁精馏塔;蒸汽再压缩;优拓扑结构;综合设计
北京化工大学
硕士
控制科学与工程
黄克谨
2023
中文
TQ051.81;TQ050.2
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）