[發明專利]一種換熱溫差驅動的精餾塔分裂熱耦合方法

有效

• 申請號: 201610029817.0
• 申請日: 2016-01-15
• 公開（公告）號: CN105512437B
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發明（設計）人: 劉振宇;郭云東;彭翔;譚建榮
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 林超

技術領域

本發明涉及了一種精餾塔內部熱耦合方法，尤其是涉及了一種換熱溫差驅動的精餾塔分裂熱耦合方法。

背景技術

精餾塔是大型空分裝備、乙烯裝備等復雜裝備中進行物質分離的關鍵部機，其結構對裝備的節能優化起著決定性的作用。傳統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入精餾塔，下塔內工作壓力較高，因此下塔也稱為高壓塔，產品氧氣從上塔產出，上塔內工作壓力較低，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現精餾塔內部的氧氮分離工藝過程。為了提高精餾過程的能源利用率，降低系統能耗，人們提出了多種不同的精餾塔內部熱耦合結構。例如，L.V.Van der Ham等于2011年在《Industrial&Engineering Chemistry Research》(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耦合方式，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行部分熱耦合的結構，具有一定的節能潛力。Liang Chang等于2012年在《Industrial&Engineering Chemistry Research》(51:14517-14524)的論文“Modeling,Characteristic 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塔板上，可以在沒有冷凝器和再沸器的情況下實現工藝流程。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”中結合傳統空分塔的塔板溫度分布和全耦合的熱耦合結構，提出了一種節能潛力更高的內部熱耦合空分塔，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計，保證產品純度。這些方法雖然通過不同的精餾塔內部熱耦合設計，挖掘出了精餾塔的部分節能潛力，但其熱耦合設計方法沒有一定的規律可循，因而無法實現精餾塔節能的最大化。

發明內容

為了解決背景技術中存在的問題，本發明的目的在于提供了一種換熱溫差驅動的精餾塔分裂熱耦合方法。

本發明方法通過將精餾塔的高壓塔分裂為兩個子塔，且兩個子塔分別與低壓塔塔頂進行耦合換熱，既滿足了精餾塔內不同塔之間的換熱要求，又實現了復雜裝備的低能耗化設計。首先，根據傳統精餾塔單塔板耦合方式下的各級塔板溫度數據，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現耦合換熱；然后，逐級校核高壓塔和低壓塔的各對耦合塔板間溫差是否滿足最小熱耦合溫差，依據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行耦合換熱，高溫塔和低溫塔之間的溫度-壓力匹配通過節流閥和壓縮機實現。

本發明采用的技術方案是包括以下步驟，如圖1所示：

1)采集精餾塔單板耦合方式下的塔板溫度數據，單板耦合方式下低壓塔塔底與高壓塔塔頂通過單對耦合塔板進行熱交換，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ΔT，計算公式為：

ΔT＝T_i-T_j其中，0<i≤m0<j≤n

式中，T_i是高壓塔第i級塔板的塔板溫度，m是高壓塔的塔板數，T_j是低壓塔第j級塔板的塔板溫度，n是低壓塔的塔板數，高壓塔的第i級塔板和低壓塔的第j級塔板進行耦合換熱；

精餾塔單板耦合方式下的塔板溫度數據根據現有流程通過傳感器的實際運行采集數據得到。

2)根據高壓塔和低壓塔各耦合塔板之間的溫差ΔT，獲得精餾塔的最小熱耦合溫差ΔT_min，計算公式為：