一種換熱溫差驅(qū)動(dòng)的精餾塔分裂熱耦合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及了一種精餾塔內(nèi)部熱耦合方法，尤其是涉及了一種換熱溫差驅(qū)動(dòng)的精 餾塔分裂熱耦合方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 精餾塔是大型空分裝備、乙烯裝備等復(fù)雜裝備中進(jìn)行物質(zhì)分離的關(guān)鍵部機(jī)，其結(jié) 構(gòu)對(duì)裝備的節(jié)能優(yōu)化起著決定性的作用。傳統(tǒng)大型空分裝備中的精餾塔分為下塔和上塔， 高壓原料空氣從下塔進(jìn)入精餾塔，下塔內(nèi)工作壓力較高，因此下塔也稱為高壓塔，產(chǎn)品氧氣 從上塔產(chǎn)出，上塔內(nèi)工作壓力較低，因此上塔也稱為低壓塔。精餾塔的高壓塔和低壓塔之間 通過耦合換熱實(shí)現(xiàn)精餾塔內(nèi)部的氧氮分離工藝過程。為了提高精餾過程的能源利用率，降 低系統(tǒng)能耗，人們提出了多種不同的精餾塔內(nèi)部熱耦合結(jié)構(gòu)。例如，L.V.Van der Ham等于 2011 年在《Indus trial&Engineer ing Chemistry Re search》（50 :9324-9338)的論文 "Improving the Heat Integration of Distillation Columns in a Cryogenic Air Separation Unit"中提出了精餾塔高壓塔和低壓塔之間的塔底親合方式，避開了高壓塔最 低溫度塔板與低壓塔最高溫度塔板的耦合，采用了高壓塔塔頂與低壓塔塔底進(jìn)行部分熱耦 合的結(jié)構(gòu)，具有一定的節(jié)能潛力。Liang Chang等于2012年在《Indus trial&Engineer ing Chemistry Research》（51:14517-14524)的論文"ModelingCharacteristic Analysis, and Optimization of Ideal Internal Thermally Coupled Air Separation Columns" 中提出了精餾塔高壓塔和低壓塔之間的全耦合方式，使熱耦合量較為均勻的分散在了各個(gè) 塔板上，可以在沒有冷凝器和再沸器的情況下實(shí)現(xiàn)工藝流程。Liang Chang等于2015年在 ((Chemical Engineering Technology〉〉（38(1) : 164-172)的論文 "Modeling, Characteristic Analysis,and Optimization of an Improved Heat-Integrated Air Separation Column"中結(jié)合傳統(tǒng)空分塔的塔板溫度分布和全親合的熱親合結(jié)構(gòu)，提出了一 種節(jié)能潛力更高的內(nèi)部熱耦合空分塔，通過高壓塔塔頂和低壓塔塔頂之間的耦合換熱以及 合理的熱集成設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品純度。這些方法雖然通過不同的精餾塔內(nèi)部熱耦合設(shè)計(jì)，挖掘 出了精餾塔的部分節(jié)能潛力，但其熱耦合設(shè)計(jì)方法沒有一定的規(guī)律可循，因而無法實(shí)現(xiàn)精 餾塔節(jié)能的最大化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供了一種換熱溫差驅(qū)動(dòng)的 精餾塔分裂熱耦合方法。
[0004] 本發(fā)明方法通過將精餾塔的高壓塔分裂為兩個(gè)子塔，且兩個(gè)子塔分別與低壓塔塔 頂進(jìn)行耦合換熱，既滿足了精餾塔內(nèi)不同塔之間的換熱要求，又實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜裝備的低能耗 化設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)傳統(tǒng)精餾塔單塔板耦合方式下的各級(jí)塔板溫度數(shù)據(jù)，確定高壓塔和低壓 塔之間的最小熱耦合溫差；其次，繪制精餾塔的塔板溫度曲線，降低高壓塔的塔板溫度曲 線，使高壓塔塔頂與低壓塔塔頂實(shí)現(xiàn)耦合換熱;然后，逐級(jí)校核高壓塔和低壓塔的各對(duì)耦合 塔板間溫差是否滿足最小熱耦合溫差，依據(jù)分裂塔板選取方式確定高壓塔分裂塔板，將高 壓塔分裂為高溫塔和低溫塔;最后，降低塔板溫度較高的高溫塔溫度曲線，使高溫塔與低壓 塔塔頂也進(jìn)行耦合換熱，高溫塔和低溫塔之間的溫度-壓力匹配通過節(jié)流閥和壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括以下步驟，如圖1所示：
[0006] 1)采集精餾塔單板耦合方式下的塔板溫度數(shù)據(jù)，單板耦合方式下低壓塔塔底與高 壓塔塔頂通過單對(duì)耦合塔板進(jìn)行熱交換，如圖2所示，獲得精餾塔的高壓塔和低壓塔各耦合 塔板之間的溫差A(yù) T，計(jì)算公式為：
[0007] AT = Ti-Tj其中，0〈i《m0〈j <n
[0008] 式中，是高壓塔第i級(jí)塔板的塔板溫度，m是高壓塔的塔板數(shù)，L是低壓塔第j級(jí)塔 板的塔板溫度，η是低壓塔的塔板數(shù)，高壓塔的第i級(jí)塔板和低壓塔的第j級(jí)塔板進(jìn)行耦合換 執(zhí). ，
[0009] 精餾塔單板耦合方式下的塔板溫度數(shù)據(jù)根據(jù)現(xiàn)有流程通過傳感器的實(shí)際運(yùn)行采 集數(shù)據(jù)得到。
[0010] 2)根據(jù)高壓塔和低壓塔各耦合塔板之間的溫差△ T，獲得精餾塔的最小熱耦合溫 差A(yù)Tmin，計(jì)算公式為：
[0011] Δ Tmin=min{ Δ T}
[0012] 式中，△ 1~_是精餾塔的最小熱耦合溫差，△ T是高壓塔和低壓塔親合塔板之間的 溫差，min{ ΔΤ}表示求ΔΤ中的最小值；
[0013] 3)根據(jù)精餾塔單板耦合方式下的各級(jí)塔板溫度數(shù)據(jù)，由單板耦合方式改為塔頂耦 合方式，將高壓塔置于低壓塔側(cè)方使得兩者塔頂流通進(jìn)行熱耦合，從高壓塔塔頂開始，根據(jù) 高壓塔分裂塔板選取方式逐級(jí)校核高壓塔和低壓塔中的各對(duì)耦合塔板是否滿足最小熱耦 合溫差Δ Tmin，獲得高壓塔的分裂塔板；
[0014] 所述的耦合塔板指的是高壓塔和低壓塔進(jìn)行耦合換熱的各對(duì)塔板。
[0015] 4)在高壓塔的分裂塔板處，將高壓塔分裂為高溫塔和低溫塔，分裂塔板及其以上 的塔板歸為低溫塔，其余歸為高溫塔，高溫塔和低溫塔分別置于低壓塔的兩側(cè)采用塔頂耦 合方式與低壓塔進(jìn)行耦合換熱；
[0016] 5)在高溫塔和低溫塔之間的傳質(zhì)回路上添加節(jié)流閥和壓縮機(jī)，改為圖3所示結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)其溫度-壓力匹配，保證精餾塔精餾工藝的順利進(jìn)行。
[0017] 所述的高溫塔塔頂和低溫塔塔底之間設(shè)置兩條回路，兩條回路上分別安裝有節(jié)流 閥和壓縮機(jī)，通過壓縮機(jī)將高溫塔的低溫污氮加壓升溫后傳送到低溫塔，通過節(jié)流閥控制 流量將低溫塔的高溫污氮節(jié)流降溫后傳送回高溫塔。
[0018] 所述步驟3)中的高壓塔分裂塔板選取方式為：
[0019]逐級(jí)采用以下公式將高壓塔和低壓塔的各級(jí)耦合塔板的換熱溫差與最小熱耦合 溫差A(yù)Tmin進(jìn)行比較：
[0020] Ti7 -Tj7 > Δ Tmin
[0021] 式中，IV是下降后的高壓塔第i級(jí)塔板的塔板溫度，T/是與下降后的高壓塔第i級(jí) 塔板進(jìn)行耦合換熱的低壓塔第j級(jí)塔板的塔板溫度;這兩塊塔板之間進(jìn)行耦合換熱，需要滿 足最小熱耦合溫差的約束，因此采用以上方式進(jìn)行校核。
[0022] 若滿足上述公式，則繼續(xù)校核下一級(jí)耦合塔板;若不滿足上述公式，則選取當(dāng)前高 壓塔的塔板作為分裂塔板。
[0023]所述的高壓塔第i級(jí)塔板的塔板溫度1\采用以下方式處理下降：
[0024]先計(jì)算能夠與精餾塔低壓塔塔頂進(jìn)行熱耦合的高壓塔最低塔板溫度，計(jì)算公式 為：
[0025]
[0026] 式中，Tgn是能夠與精餾塔低壓塔塔頂進(jìn)行熱耦合的高壓塔最低塔板溫度， 7^p是精餾塔低壓塔的塔頂溫度，A Tmin是精餾塔的最小熱耦合溫差；
[0027] 再計(jì)算高壓塔各級(jí)塔板能夠達(dá)到的最低溫度作為下降后的高壓塔第i級(jí)塔板的塔 板溫度IV，計(jì)算公式為：
[0028]
[0029] 式中，IV是下降后的高壓塔第i級(jí)塔板的塔板溫度，是原高壓塔第i級(jí)塔板的塔 板溫度，Τ￡ρ是原高壓塔的塔頂溫度。
[0030] 由此，本發(fā)明根據(jù)精餾塔高壓塔和低壓塔的塔板溫度分布，定義了分裂塔板的選 取準(zhǔn)則，將高壓塔分裂為高溫塔和低溫塔，分裂后的高溫塔和低溫塔分別與低壓塔塔頂進(jìn) 行耦合換熱，在保證精餾過程順利實(shí)現(xiàn)的前提下，能夠使高壓塔的塔底溫度降至最低，從 而使高壓塔塔底的工作壓力降至最低，降低了精餾塔對(duì)原料空氣的壓力要求，進(jìn)而降低了 機(jī)組對(duì)壓縮機(jī)的功率要求，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)組能耗的降低。
[0031] 本發(fā)明具有的有益效果是：
[0032] 本發(fā)明提出的分裂熱耦合設(shè)計(jì)方法，通過將高壓塔分裂為高溫塔和低溫塔分別與 低壓塔塔頂進(jìn)行耦合換熱，能夠在保證精餾過程順利實(shí)現(xiàn)的前提下，達(dá)到最好的節(jié)能效果。
[0033] 本發(fā)明提出的方法根據(jù)精餾塔高壓塔和低壓塔的塔板溫度分布，定義了分裂塔板 的選取準(zhǔn)則，易于理解和實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明方法流程圖。
[0035]圖2是傳統(tǒng)精餾塔單板耦合方式下的結(jié)構(gòu)圖
[0036] 圖3是精餾塔分裂熱耦合方式下的結(jié)構(gòu)圖。
[0037] 圖4是傳統(tǒng)精餾塔單板耦合方式下的塔板溫度曲線圖。
[0038] 圖5是高壓塔塔板溫度下降后的精餾塔塔板溫度曲線圖。
[0039]圖6是精餾塔分裂熱耦合方式下的塔板溫度曲線圖。
[0040]圖7是40 %富氧空氣氣液混合狀態(tài)溫度-壓力關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0042]本發(fā)明的實(shí)施例及其過程如下：
[0043]采用一大型空分裝備精餾塔作為實(shí)施對(duì)象，高壓塔含35級(jí)塔板，低壓塔含70級(jí)塔 板。
[0044] (1)根據(jù)精餾塔單板耦合方式下的塔板溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算得到精餾塔高壓塔和低壓 塔之間的最小熱耦合溫差Δ T為1.8K。
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