内部热耦合塔的优化设计与动态控制

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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塔的优化设计与动态控制论文作者：杜季颖学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：化学工程指导教师：李春利职称：教授资助基金项目：河北省应用基础研究计划重点基础研究项目(16964502D)DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofChemicalEngineeringTHEOPTLMALDESIGNANDDYNAMICCONTROLOFHEAT-INTEGRATEDDISTILLATION

2、COLUMNByDuJiyingSupervisor:Prof.LiChunliJune2017ThisworksupportedbytheKeyBasicResearchProgramsoftheAppliedBasicResearchofHebei(16964502D).摘要精馏在化学工业中应用广泛，精馏过程的能耗大约占化工生产总能耗的30%，其热力学效率仅为5%-20%，是一种高能耗，低能量利用率的单元操作过程。内部热耦合精馏（HIDiC）降低了过程的不可逆性，增加过程的热力学效率。以乙醇-水二元物系为研究对象，对同轴式内部热耦合塔(HIDiC)

3、进行实验研究，在连续操作条件下，得到塔内的温度分布图。通过计算传热系数和温差，得到精馏段和提馏段塔间的传热量。相比于普通精馏塔，压缩比为2.2时，同轴式HIDiC节约能量62.6%，操作费用减少23.46%。研究压缩比和进料热状态对热泵精馏、差压精馏和内部热耦合精馏三种构型的影响。对苯-甲苯二元物系进行研究，结果表明对于热泵精馏，当压缩比为2.4，汽相分率为0.2时，热泵精馏的操作费用最低。对于差压精馏，当压缩比为2.4，汽相分率为0时，操作费用最低。对于内部热耦合精馏压缩比为2.1时，汽相分率为0.2时，操作费用最低。在此基础上对三种构型的精馏过程进

4、行年度总费用（TAC）的计算，结果发现：相比于常规单塔流程，热泵、差压和内部热耦合精馏流程节能效果都明显，且内部热耦合精馏塔的TAC最低。由于进料热状态对HIDiC的节能有很大的影响，对于分开进料的HIDiC，汽相从提馏段进入，液相从精馏段进入。对近沸程正丁醇-异丁醇二元物系进行研究，结果表明分开进料的操作费用均低于常规HIDiC，且当汽相分率为0.2时节能效果较好，优化气液相进料位置得到，当NF=2时，分开进料的操作费用最低。对分开进料的HIDiC采用以组成控制为基础的控制方案,但波动峰值大，恢复周期较长。据此提出了温度组成串级控制方案，塔顶和塔釜产

5、品纯度波动峰值明显降低，且达到稳定状态所需的时间大幅缩短；最后提出了控制塔釜杂质（异丁醇）浓度的改进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。关键词：内部热耦合塔；进料热状态；分开进料；优化设计；动态控制IIIABATRACTDistillationiswidelyusedinthechemicalindustry.Itsenergyconsumptionaccountsforabout30%inthechemicalproductionprocess,anditsthermodynamicef

6、ficiencyisonly5%-20%.Distillationisaunitoperationprocessoflowenergyutilizationandhighenergyconsumption.Theinternallyheat-integrateddistillationcolumn(HIDiC)canreducetheirreversibilityoftheprocessandimprovethethermodynamicefficiency.Theexperimentalwascarriedoutwithethanol-wateras

7、theseparationsystemininternallyheat-integrateddistillationcolumn.Underthecontinuousoperationcondition,thetemperaturedistributioninthecolumnwasobtained.Bycalculatingtheheattransfercoefficientandthetemperaturedifference,theheattransferratebetweentherectifyingsectionandthestripping

8、sectionwasobtained.Comparedwiththecommondistill