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中间换热器及热泵对复杂塔处理能力的影响点击：1698 日期：[ 2014-04-26 21:35:18 ] |
| 中间换热器及热泵对复杂塔处理能力的影响 高坤洁，刘智勇 (河北工业大学化工学院，天津300130) 摘要:为了研究复杂精馏塔扩容改造，文中运用流程模拟软件及Liu与Jobson提出的面积利用率曲线(FUA曲线)研究了安装中间冷凝器、中间再沸器及热泵对复杂精馏塔处理能力的影响。由模拟及计算结果可得基础工况的FUA曲线，根据该曲线形状可以确定:当复杂精馏塔处理量增加时，哪些塔板将成为其处理能力提高时的“瓶颈”;中间换热器及热泵的合理安装位置。同时，由FUA曲线的形状可知能否通过安装中间换热器及热泵增加复杂精馏塔的处理能力。对文献中报道的实例进行研究，结果表明:FUA曲线法是复杂塔扩容改造分析的有利工具之一。 关键词:复杂精馏塔;中间换热器;热泵;面积利用率;处理量;瓶颈 中图分类号:TQ 021．8文献标识码:A文章编号:1005-9954(2011)07-0027-04 精馏是化工生产中最常用的分离方法，在化学工业、石油化工、精细化工等过程工业中都有广泛的应用。随着技术进步各种形式的复杂塔的应用越来越广泛［1］。目前，国内外化工行业实施精馏过程扩能改造的主要措施是在保持塔体不动的前提下，以新型高效、大通量、高效率的塔内构件等替代原塔塔盘［2-6］，以便提高该塔的生产能力。采用中间换热器及热泵精馏能有效提高精馏热效率的节能技术，已广泛应用于国内外各种化工生产过程［7-9］。本文将研究采用中间换热器及热泵对复杂精馏塔处理能力的影响。 最近，Liu和Jobson［10-11］提出了面积利用率曲线法(FUA曲线法)，并采用该方法研究了简单塔扩容改造，改造方案包括调整进料热状况、安装中间冷凝器/中间再沸器、安装热泵、增加理论塔板数目等。本文利用流程模拟软件并结合FUA曲线法，分析了安装中间换热器及热泵对复杂塔处理能力的影响。 1· FUA曲线方法简介 1．1 FUA曲线法的定义 水力学性能指标为面积利用率。该方法是由Liu和Jobson［10-11］提出的。以弓形降液管的塔横截面积为例(如图1所示)，可知塔横截面积分为:气体流通面积(面积SA和SB)和非气体流通面积(面积SC，如降液管等所占面积)。气体流通面积可分为二部分:①面积SA为气相速率是液泛速率x%时，气体流通必需面积;②面积SB为气相速率是液泛速率x%时，气体流通非必需面积。面积利用率定义式［11］如下: 每块塔板上气体流通必需面积可根据模拟结果所得的物性数据、气液相流率及塔板特性计算。气体流通的最大横截面积可采用如下方法确定:①对现有塔改造，气体流通最大截面积由该塔实际情况得出。②对新塔设计，以某些关键塔板(如进料附近塔板)的气体流通所需最大截面积为准。 1．2 FUA曲线特性 FUA曲线有以下特征［11］:①由定义可知正比于气体流通的必需面积;②FUA曲线与汽液相负荷、系统性能和塔的几何形状相关;③当生产能力提高时，max对应的塔板将成为提高生产能力的瓶颈;④max与生产能力成反比。例如，如果将max由1减少至0．5时，精馏塔的生产能力将提高1倍。因此，为了提高生产能力应减小max值。 2 ·FUA曲线法分析步骤 本文中如果不特别说明，所指塔板为理论塔板。采用FUA曲线法对精馏塔分析的步骤为: (1)对精馏塔进行模拟。 (2)根据塔内件及塔板内部结构选取适当的计算式，然后由各塔板物性参数得出全塔FUA曲线。 (3)由基础工况的FUA曲线形状判断是否可通过安装中间换热器及热泵增大塔的生产能力。具体情况将在实例中详细讨论。 通常可以通过增大进料塔板的间距来容纳液体分布器、管道等。因此，进料塔板可能与其他板不完全一致［11］。在本文中，如果进料塔板上出现最大值，则不予考虑。当处理量增大时，max相应的塔板首先发生液泛。值较小的塔板的有效面积没有得到充分利用。如果减少值较高塔板的汽液相负荷，则会增加值较小塔板的汽液相负荷，这样可减小max的值，从而提高精馏塔的生产能力。换句话说，通过使FUA曲线“均匀化”可增加塔的处理能力。本文将采用FUA曲线法，考察安装中间换热器及热泵对复杂塔生产能力的影响。 3·安装中间换热器 安装中间再沸器可减少其以下塔板的汽液相负荷，增加其以上塔板的汽液相负荷。同理，安装中间冷凝器可减少其以上塔板的汽液相负荷，增加其以下塔板的汽液相负荷。如果上述操作可使max减小，则可达到增加塔的处理能力的目的。 3．1中间换热器对塔处理能力的影响 由基础工况的FUA曲线的形状可以判断是否可通过安装中间换热器提高精馏塔的生产能力。例如，图2中曲线A所示的FUA曲线，max，t(精馏段max值)靠近塔顶部分，可通过安装中间冷凝器(Scon)降低精馏塔的max，t的值。同理，曲线A中max，b(提馏段max值)靠近该塔的塔底部分，可通过安装中间再沸器(Sreb)降低精馏塔的max，b的值。图2中曲线B所示max，t靠近进料塔板，安装中冷凝器将不能降低max，t的值。图2中曲线C所示精馏段及提馏段FUA曲线较“均匀化”，通过安装中间换热器将不能提高精馏塔的生产能力。也就是说，由FUA曲线的形状，可以判断能否采用中间换热器提高精馏塔的处理能力。 3．2中间换热器热负荷与max的关系 模拟结果表明，具有中间换热器精馏塔的塔顶冷凝器与中间冷凝器热负荷之和约等于基础工况塔顶冷凝器热负荷;塔底再沸器与中间再沸器热负荷之和约等于基础工况塔底再沸器热负荷。中间换热器所产生的气相蒸发和冷凝的量与中间换热器的热负荷成正比。对于给定分离要求的具有多股进料的复杂塔，值的改变与复杂塔横截面上的气体流量近似成正比。中间冷凝器或中间再沸器热负荷占基础工况下冷凝器或再沸器热负荷的比例近似等于max值的改变比例［10］。因此，如果复杂塔扩容目标是提高x，中间换热器与冷凝器或再沸器的热负荷之比: 3．3实例研究 采用FUA曲线法对文献［12］中实例进行研究，数据如表1所示。 具体数据见表1，该塔基础工况FUA曲线如图3所示。由图3可知，37—79块塔板的值明显高于其他塔板相应值。如果在F2进料板以下安装中间再沸器，可减小F2进料塔板以下塔板的汽液相负荷，使FUA曲线“均匀化”达到提高塔处理能力的目的。 改变该塔中间再沸器的热负荷值，其FUA曲线如图4所示。当Qsreb=6．60×108J/h时，由式(2)得生产能力可提高11．95%。在此工况下，模拟得max=0．909，其生产能力可提高10．01%。可知式(2)预测值与模拟值较为接近。因此，由模拟计算结果可知，本文方法可以定量估算中间再沸器的热负荷与产量之间的关系，并可用于定性分析中间再沸器的安装位置。 4·安装热泵 如果安装中间冷凝器可减少塔顶汽液相负荷，安装中间再沸器可减少塔底汽液相负荷，可将之组合为热泵同样可使FUA曲线“均匀化”。从而减少max的值，提高复杂塔的生产能力。安装热泵塔板的位置和安装中间冷凝器、中间再沸器的原则相同。 如果在上述实例进料F1以上及F2以下安装热泵，可以增加F1进料板以上塔板的汽液相负荷，减小F2进料板以下塔板的汽液相负荷，使FUA曲线“均匀化”，提高塔的处理能力的目的。改变该塔热泵的热负荷值，其FUA曲线如图5所示。当热泵热负荷Qhp=6．50×108J/h时，由式(2)可得生产能力可提高11．95%。在此工况下，模拟得max=0．891，即生产能力可提高12．23%。 可知式(2)预测值与模拟值较为接近。因此，由模拟计算结果可知，FUA曲线法可以定量估算热泵热负荷与产量之间的关系，并可用于定性分析热泵的安装位置。 除以上实例外，采用本文提出的方法还计算了文献［13］中其他4个实例，所得结论与此例类似。 5·结论 FUA曲线法为复杂塔的处理量分析提供了有利的工具。由FUA曲线可知哪些塔板限制了复杂塔生产能力的提高;哪些块塔板的有效面积没有得到充分利用，有提高生产能力的可能。本文方法可以为安装中间换热器及热泵增加复杂塔生产能力的研究提供定性、定量指导。 参考文献:略 |
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