内部热耦合和外部热耦合精馏塔的设计优化研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文内部热耦合和外部热耦合精馏塔的设计优化研究论文作者：张林学生类别：全日制学科门类：学术硕士学科专业：化学工程指导教师：李春利职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofChemicalEngineeringTHEOPTLMALDESIGNRESEARCHOFINTERNALLYANDEXTERNALLYHEAT-INTEGARTEDDISTILLATIONCOLUMNByZhangLinSupervisor:Prof.LiChunl

2、iMay2015摘要以乙醇和水为分离物系，采用自制同轴式内部热耦合塔中试装置，在连续进料操作条件下，通过构建传热模型和划分区域的方法，研究了不同压缩比下的传热量和传热系数；实验结果分析表明，压缩比为2.2时，该实验装置的传热量最大；继而研究了实现外回流为零时所需要的换热面积，并利用热力学分析方法，以年度总费用(TAC)作为优化指标，对其进行了设计优化；结果表明，随着最小换热温差的增大，限制传热塔板数不断增加，即所需外部换热装置个数不断减少，年度总费用(TAC)呈现降低的趋势，同时发现在实现外回流为零时，存在着跨越夹点的传热，剔除跨越夹点的传热能够降低能耗，实现更好的经济效益；除此之外，对

3、实现冷凝器负荷为零时的装置进行了热力学效率分析，当耦合方式为“1”to“4”时，操作费用最低（热力学效率最高），表明在精馏段与提馏段两端进行耦合时，换热器两端的温差并不是越大越好，温差越大，会使热力学效率降低，且由于冷凝器负荷低于再沸器负荷，可以推断冷凝器为主导作用，耦合位置越接近主冷凝器端，操作费用越低；优化得到的热耦合装置与热泵精馏、常规精馏作了对比，选出更适合此状态下乙醇、水物系分离的外部热耦合精馏塔。以苯、甲苯物系为研究对象，优化出压缩比为2.3时年度总费用(TAC)最低，通过运用热力学分析方法，得到换热器个数为6时年度总费用最低；并通过运用热力学效率分析方法对苯、甲苯物系进行设

4、计优化，同样得到与乙醇、水物系相似的理论—耦合两端的换热温差并不是越大越好，温差越大，会使热力学效率降低，且由于冷凝器负荷与再沸器负荷相近，两端均起主导作用；对热耦合塔优化后的装置与热泵精馏、普通精馏进行了对比，选出更适合此状态下苯、甲苯物系分离的外部热耦合精馏塔。关键词：内部热耦合塔；传热模型；传热系数；优化；外部热耦合精馏塔IABSTRACTTheseparationofethanol-watermixturewithaself-madepilot-plantconcentricstructuredinternallyheat-integrateddistillationcolumn

5、(HIDIC)isinvestigatedexperimentally.Intheconditionofcontinuousfeedoperation,theheattransferrateandheattransfercoefficientatdifferentcompressionratiosisstudiedbythemethodofbuildingheattransfermodelanddividingregion.Thecompressionratiowhichgivesminimumreboilerdutyandcondenserdutycanbeeasilyfoundtob

6、e2.2.Inthecompressionratioof2.2withthemaximumheattransferrate,thezeroexternalrefluxorzeroreboilerdutydonotberealized.Takingthecolumnphysicalconstraintintoconsideration,theheattransferareamaybethelimitingfactor.Thentheheattransferareaisstudiedinordertorealizethezeroexternalreflux.Theoptimaldesigni

7、scarriedoutbythecombinationmethodsofthermodynamicanalysisandtotalannualcost(TAC),andthelateroneisusedastheobjectivefunction.TheresultsshowthattheTACbeginstodropastheresultofdecreasingthenumbertheoftheheatexchanges.Them