蒸餾塔分離中料位置優(yōu)化的探討

蒸餾塔分離中料位置優(yōu)化的探討

蒸餾塔的供應(yīng)位置對蒸餾機(jī)的節(jié)能有重要影響。在過去的工程項(xiàng)目中，原來的設(shè)計(jì)通常使用現(xiàn)有裝置的供應(yīng)位置，而稀疏地優(yōu)化詳細(xì)而嚴(yán)格的供應(yīng)位置。這是造成分離效果差、能耗居高不下,能量浪費(fèi)的重要原因之一。對于任何蒸餾過程均應(yīng)當(dāng)進(jìn)行進(jìn)料位置的優(yōu)化,以保證分離能耗降至最小,同時(shí)達(dá)到最佳的分離效果。1塔封分離純度蒸餾塔的最佳進(jìn)料板位置可以從以下3個(gè)方面進(jìn)行定義:①相同分離要求及板數(shù)下,回流比最小或冷凝器、再沸器熱負(fù)荷最小;②相同板數(shù)及回流比下,塔頂和塔釜產(chǎn)品的分離純度最高;③相同分離要求和回流比下,所需塔板數(shù)最少。前2種定義可以使得一定板數(shù)的蒸餾塔達(dá)到最大的分離能力和最小的能量消耗;而后一種定義可以使達(dá)到一定分離要求時(shí)塔板數(shù)最少。無論采用哪種定義,其本質(zhì)都是相同的。而在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí),必須根據(jù)不同的定義,觀察不同的參數(shù)變化,從而求得正確的最佳進(jìn)料板位置。2最佳進(jìn)料板位置從二元蒸餾可知,在采用McCabe-Thiele圖解方法求理論板數(shù)時(shí),最佳進(jìn)料板位置應(yīng)當(dāng)在跨過2條操作線交點(diǎn)的位置。如圖1所示,進(jìn)料板可以在a和b之間的任何位置,但是如果進(jìn)料板不是在最佳位置,則完成相同的分離任務(wù),需要更多的板數(shù)。圖中虛線表示在第7塊板進(jìn)料時(shí),所需的理論板數(shù)是9塊。而實(shí)線表示在第5塊最佳位置進(jìn)料,所需理論板數(shù)僅8塊即可。除了圖解法求取最佳進(jìn)料位置之外,也有應(yīng)用蒸餾塔簡化計(jì)算法求解計(jì)算的。塔的簡化計(jì)算法大多采用Fenske方程求最小理論板數(shù),Underwood法計(jì)算最小回流比,再從Gilliland圖中查出實(shí)際所需理論板數(shù)。其中最佳進(jìn)料位置計(jì)算較多采用以下2種方法。對泡點(diǎn)進(jìn)料,可采用Kirkbride經(jīng)驗(yàn)式:lognm=0.206log[qbqdxf,hxf,L(xb,Lxd,h)2](1)lognm=0.206log[qbqdxf,hxf,L(xb,Lxd,h)2](1)或直接采用Fenske方程:nm=log(xd,Lxd,hxf,hxf,L)/log(xf,Lxf,hxb,hxb,L)(2)nm=log(xd,Lxd,hxf,hxf,L)/log(xf,Lxf,hxb,hxb,L)(2)式中:n為精餾段理論板數(shù);m為提餾段理論板數(shù);x為摩爾分?jǐn)?shù);qd為塔頂采出量,kmol/h;qb為塔釜采出量,kmol/h;下標(biāo):f為進(jìn)料,d為塔頂,b為塔釜,L為輕關(guān)鍵組分,h為重關(guān)鍵組分。隨著計(jì)算機(jī)模擬的發(fā)展,手工二元蒸餾作圖法已顯得較為繁瑣,需要花費(fèi)大量的時(shí)間在作圖上,且更重要的是實(shí)際過程大多是多元混合物的分離,已無法再采用二元作圖法,故作圖法已基本上不再使用;再者無論二元作圖法還是簡化計(jì)算法都是基于2個(gè)基本假設(shè),即全塔處于恒分子流和恒定相對揮發(fā)度的理想狀況。其計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況存在一定差別,而對某些蒸餾過程,該差別還相當(dāng)大,已完全無法適應(yīng)目前對準(zhǔn)確定位最佳進(jìn)料板位置的要求。如果說作圖法和簡化法在20世紀(jì)60—70年代還有使用者的話,從80年代開始,隨著科技的進(jìn)步、計(jì)算機(jī)的發(fā)展和過程模擬的普及,最佳進(jìn)料位置的計(jì)算已經(jīng)逐步為更加準(zhǔn)確可靠的一些方法所替代,這些基于手算的方法已經(jīng)很少使用了。3進(jìn)料板位置的影響蒸餾過程中經(jīng)常使用的一個(gè)參數(shù)是塔板上液相中的輕、重關(guān)鍵組分比例,即輕關(guān)鍵組分和重關(guān)鍵組分摩爾分?jǐn)?shù)之比,塔內(nèi)該比例應(yīng)當(dāng)愈向塔頂愈大。在靠近進(jìn)料板上方出現(xiàn)輕、重關(guān)鍵組分比率減小或者在進(jìn)料板下方出現(xiàn)輕、重關(guān)鍵組分比率增大,即在進(jìn)料板上方出現(xiàn)關(guān)鍵組分比率最小值,而在進(jìn)料板下方出現(xiàn)關(guān)鍵組分最大值的現(xiàn)象稱為逆向蒸餾。如果以該比值和塔板數(shù)作圖,稱為分離因子圖,當(dāng)出現(xiàn)逆向蒸餾時(shí),該圖關(guān)鍵組分比率曲線在進(jìn)料板上方或下方會(huì)出現(xiàn)極小或極大值,如圖2所示。圖2(a)是進(jìn)料板位置正常時(shí)的圖形,可以看出在進(jìn)料板上、下方,曲線平滑過渡;圖2(b)是進(jìn)料板位置過低,引起進(jìn)料板上方出現(xiàn)逆向蒸餾,也即經(jīng)過提餾段的分離,輕組分已經(jīng)占了較大的比例,但是進(jìn)入精餾段后,輕組分的比例在一定區(qū)間內(nèi)非但不升,反而呈現(xiàn)下降趨勢,直至經(jīng)過該區(qū)間后,輕組分比例才又恢復(fù)上升。無疑,輕組分比例出現(xiàn)反復(fù)和波動(dòng),浪費(fèi)了一部分塔板,造成了分離效率的降低。圖2(c)是進(jìn)料板位置過高,引起進(jìn)料板下方出現(xiàn)逆向蒸餾。也即如果從塔頂向塔釜看組成的變化,重組分的比例應(yīng)當(dāng)逐漸上升,輕組分應(yīng)當(dāng)降低,然而經(jīng)過精餾段的分離,重組分已經(jīng)占了較大的比例,但是進(jìn)入提餾段后,輕組分的比例在一定區(qū)間內(nèi)反而上升,直至經(jīng)過該區(qū)間后,輕組分比例才又恢復(fù)下降。同樣,這一反復(fù)和波動(dòng),也引起了分離效率的降低。逆向蒸餾一方面造成分離效率的降低,另一方面引起能耗的增加,是必須避免的。4未達(dá)分離要求的條件下,塔封板、塔板數(shù)對分離純度的影響逆向蒸餾是多組分蒸餾的特殊現(xiàn)象,對于二元蒸餾不存在該現(xiàn)象。產(chǎn)生逆向蒸餾主要有以下3種原因:①回流比接近最小回流比;②進(jìn)料中關(guān)鍵組分濃度較小;③進(jìn)料位置不是最佳進(jìn)料板。實(shí)際過程中,前2個(gè)因素發(fā)生的幾率較小,而最后1個(gè)原因往往是最常見和最重要的。進(jìn)料位置過高,會(huì)引起進(jìn)料板下方有明顯的逆向蒸餾;而進(jìn)料位置過低,會(huì)引起進(jìn)料板上方出現(xiàn)明顯的逆向蒸餾;因此在塔設(shè)計(jì)中一定要注意有無逆向蒸餾問題,也一定要檢驗(yàn)進(jìn)料板位置是否正確。以往在蒸餾塔的設(shè)計(jì)中往往存在一些錯(cuò)誤概念,如塔頂采出未達(dá)分離要求,則增加精餾段板數(shù);塔釜物料未達(dá)分離要求,則增加提餾段板數(shù)。實(shí)際上,上述措施并不一定奏效,有時(shí)還適得其反。正確的作法是,若未達(dá)分離要求,首先須分析進(jìn)料位置是否為最佳進(jìn)料板數(shù),若非最佳進(jìn)料位置,則需要調(diào)整進(jìn)料板,使之達(dá)到最佳進(jìn)料位置;若已達(dá)最佳進(jìn)料位置,則需綜合考慮以下因素:①回流比和板數(shù)的關(guān)系;②分析塔頂、塔釜采出量是否合適;③考慮塔的操作壓力有無調(diào)整的余地。回流比的增加可使物料分離得更好,但操作費(fèi)用也相應(yīng)增加;板數(shù)的增加,也會(huì)使分離純度提高,但須增加設(shè)備費(fèi)用。兩者必須認(rèn)真加以權(quán)衡。隨著能源價(jià)格的日益上升,增加塔板數(shù)、減小回流比是目前蒸餾過程工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。以丙烯精餾塔為例,由于要制取99.6%純度的高純度丙烯,且丙烯和丙烷之間的分離十分困難。板數(shù)多、能耗大成為其主要特點(diǎn)。其實(shí)際塔板數(shù)就經(jīng)歷了從早期的100塊左右增加到目前的256塊左右;回流比從超過20降低到12左右的發(fā)展歷程。塔頂、塔釜的采出量需要根據(jù)分離要求得到,同時(shí)又受到冷凝器和再沸器能力的制約。對于新設(shè)計(jì),可以根據(jù)工藝要求,設(shè)計(jì)出相匹配的冷凝器和再沸器。而對于已有的裝置,經(jīng)常會(huì)遇到分離要求和冷凝器和/或再沸器能力不匹配的情況。此時(shí)為保證產(chǎn)品質(zhì)量往往不得不犧牲塔頂或塔釜的分離要求,也即犧牲某些組分的回收率來滿足產(chǎn)品質(zhì)量。塔操作壓力對分離有著重要的影響,一般來說,降低壓力對蒸餾操作有利,故應(yīng)在盡可能低的壓力下操作。對于吸收過程壓力影響則正好相反,壓力升高有利于吸收的進(jìn)行。當(dāng)上述3點(diǎn)均無調(diào)整的可能性時(shí),再考慮增加塔板數(shù)。此時(shí)精餾段和提餾段板數(shù)一定要按照比例增加,而不是單純增加精餾段或提餾段的板數(shù),以保持進(jìn)料始終處于最佳進(jìn)料位置。5塔板夾點(diǎn)的分離蒸餾過程也會(huì)出現(xiàn)夾點(diǎn)現(xiàn)象。從二元蒸餾圖可知,當(dāng)操作線逼近平衡線時(shí),在二線之間的階梯將變得越來越小,當(dāng)操作線和平衡線相交時(shí),即為最小回流比狀況,需要無窮多理論板才能完成指定的分離要求,該交點(diǎn)即稱為蒸餾夾點(diǎn)。當(dāng)夾點(diǎn)蒸餾發(fā)生時(shí),這些板幾乎不起什么分離作用,此外當(dāng)所分離的組分為非理想體系時(shí),平衡關(guān)系曲線出現(xiàn)非常規(guī)的現(xiàn)象,如極性物質(zhì)的分離中,也易于出現(xiàn)蒸餾夾點(diǎn)。塔設(shè)計(jì)中,出現(xiàn)夾點(diǎn)不僅浪費(fèi)塔板數(shù),還會(huì)導(dǎo)致塔的設(shè)計(jì)板數(shù)過多。在夾點(diǎn)附近操作是十分危險(xiǎn)的,故塔設(shè)計(jì)工況必須遠(yuǎn)離夾點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中,發(fā)生夾點(diǎn)的一個(gè)征兆是連續(xù)很多塔板的溫差均變得很小或者相關(guān)塔板的溫度幾乎不變化,尤其是在進(jìn)料板附近的塔板上。這一征兆也往往預(yù)示著液泛、干板等情況極有可能出現(xiàn)。出現(xiàn)夾點(diǎn)蒸餾,可以通過增加回流比和再沸氣體量來予以補(bǔ)救,但會(huì)引起能耗的增加。若冷凝器和再沸器能力已達(dá)其處理量的極限,無法再進(jìn)一步提高時(shí),則只能通過降低塔的進(jìn)料量以避開夾點(diǎn)。6不一定準(zhǔn)確可靠前已述及,任何簡化方法所得到的最佳進(jìn)料板位置都不一定準(zhǔn)確可靠。欲準(zhǔn)確判斷最佳進(jìn)料板位置必須在塔的嚴(yán)格逐板計(jì)算法的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算,介紹3種使用較多的方法。6.1生成分離因子圖分離因子圖是塔內(nèi)液相輕、重關(guān)鍵組分摩爾分?jǐn)?shù)之比對塔板數(shù)的關(guān)系曲線,通常采用半對數(shù)坐標(biāo)作圖。該圖主要用于快速確定進(jìn)料板位置是否正確。圖2所示的3幅圖即為典型的分離因子圖。通過曲線形狀可以方便、快速地確定有無逆相蒸餾出現(xiàn)和是否最佳進(jìn)料位置。當(dāng)前的商品化化工過程模擬軟件,一般都有生成分離因子圖的功能。只要選中該功能并指定輕、重關(guān)鍵組分,進(jìn)行嚴(yán)格法塔模擬計(jì)算后,即自動(dòng)產(chǎn)生該圖形。極大地方便了用戶對進(jìn)料位置是否適當(dāng)進(jìn)行快速判斷。然而分離因子圖往往比較粗糙,對最佳進(jìn)料板位置的判斷并非十分準(zhǔn)確,視所分離體系的不同,會(huì)有幾塊板到十幾塊板的誤差,故若須準(zhǔn)確判斷,還要采用其他方法。6.2最佳進(jìn)料位置的確定采用靈敏度分析來判斷最佳進(jìn)料板位置是最為準(zhǔn)確可靠的方法。茲通過實(shí)際案例的分析來說明如何進(jìn)行最佳進(jìn)料位置的分析。設(shè)有一泡點(diǎn)物料,流量100kmol/h;壓力1.65MPa;摩爾分?jǐn)?shù)為乙烷0.01,丙烷0.79,丁烷0.12,戊烷0.08。分離要求:塔頂物料丁烷濃度、塔釜物料丙烷濃度均小于0.001;塔頂壓力1.57MPa。設(shè)計(jì)該蒸餾塔,并求最佳進(jìn)料位置。該案例塔板數(shù)、進(jìn)料位置和回流比均未提供,可以通過簡化法來確定。采用PROⅡ軟件的簡化法進(jìn)行模擬,當(dāng)取實(shí)際回流比和最小回流比的比值為1.2時(shí),可以得到理論塔板數(shù)為38塊,回流比1.3,最佳進(jìn)料板位置為第13塊板。這些數(shù)據(jù)即可以作為嚴(yán)格計(jì)算法的一套初值。接下來就是作塔的逐板計(jì)算并在收斂的基礎(chǔ)上再進(jìn)行靈敏度分析。靈敏度分析中,塔的設(shè)計(jì)規(guī)定為頂、底物料的分離要求,以進(jìn)料位置為變量,從第10塊變化到27塊,分別求出回流比、冷凝器和再沸器負(fù)荷,用來進(jìn)行比較。并將靈敏度分析得到的進(jìn)料板數(shù)與回流比的關(guān)系曲線給出在圖3并取其中4塊板的結(jié)果列于表1?？梢钥闯?該曲線有一最低點(diǎn),當(dāng)進(jìn)料為第21塊板時(shí)為最佳進(jìn)料位置。而由簡化法算出的13塊板的回流比和能耗要比21塊板時(shí)大得多。若以13塊板的熱負(fù)荷為基準(zhǔn),則通過靈敏度分析求得的最佳進(jìn)料板條件下,可以算出冷凝器熱負(fù)荷減少11.3%,再沸器熱負(fù)荷降低10.83%,顯然節(jié)能幅度是十分可觀的。簡化法和嚴(yán)格法計(jì)算的最佳進(jìn)料位置竟相差達(dá)8塊多,按照嚴(yán)格法計(jì)算,在最佳進(jìn)料位置時(shí),冷凝器和再沸器的能耗分別節(jié)省10%左右。如此巨大的差別說明簡化法在某些蒸餾塔的計(jì)算中準(zhǔn)確性不夠,必須以嚴(yán)格逐板計(jì)算為準(zhǔn)。6.3優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)大多商業(yè)化模擬軟件都配備了優(yōu)化器模塊,故可以采用優(yōu)化器進(jìn)行進(jìn)料位置的優(yōu)化。優(yōu)化器的優(yōu)化變量是進(jìn)料板位置,優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)則根據(jù)塔的工藝規(guī)定不同