一种换热温差驱动的精馏塔分裂热耦合方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及了一种精馏塔内部热耦合方法，尤其是涉及了一种换热温差驱动的精 馏塔分裂热耦合方法。
【背景技术】
[0002] 精馏塔是大型空分装备、乙烯装备等复杂装备中进行物质分离的关键部机，其结 构对装备的节能优化起着决定性的作用。传统大型空分装备中的精馏塔分为下塔和上塔， 高压原料空气从下塔进入精馏塔，下塔内工作压力较高，因此下塔也称为高压塔，产品氧气 从上塔产出，上塔内工作压力较低，因此上塔也称为低压塔。精馏塔的高压塔和低压塔之间 通过耦合换热实现精馏塔内部的氧氮分离工艺过程。为了提高精馏过程的能源利用率，降 低系统能耗，人们提出了多种不同的精馏塔内部热耦合结构。例如，L.V.Van der Ham等于 2011 年在《Indus trial&Engineer ing Chemistry Re search》（50 :9324-9338)的论文 "Improving the Heat Integration of Distillation Columns in a Cryogenic Air Separation Unit"中提出了精馏塔高压塔和低压塔之间的塔底親合方式，避开了高压塔最 低温度塔板与低压塔最高温度塔板的耦合，采用了高压塔塔顶与低压塔塔底进行部分热耦 合的结构，具有一定的节能潜力。Liang Chang等于2012年在《Indus trial&Engineer ing Chemistry Research》（51:14517-14524)的论文"ModelingCharacteristic Analysis, and Optimization of Ideal Internal Thermally Coupled Air Separation Columns" 中提出了精馏塔高压塔和低压塔之间的全耦合方式，使热耦合量较为均匀的分散在了各个 塔板上，可以在没有冷凝器和再沸器的情况下实现工艺流程。Liang Chang等于2015年在 ((Chemical Engineering Technology〉〉（38(1) : 164-172)的论文 "Modeling, Characteristic Analysis,and Optimization of an Improved Heat-Integrated Air Separation Column"中结合传统空分塔的塔板温度分布和全親合的热親合结构，提出了一 种节能潜力更高的内部热耦合空分塔，通过高压塔塔顶和低压塔塔顶之间的耦合换热以及 合理的热集成设计，保证产品纯度。这些方法虽然通过不同的精馏塔内部热耦合设计，挖掘 出了精馏塔的部分节能潜力，但其热耦合设计方法没有一定的规律可循，因而无法实现精 馏塔节能的最大化。
【发明内容】
[0003] 为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种换热温差驱动的 精馏塔分裂热耦合方法。
[0004] 本发明方法通过将精馏塔的高压塔分裂为两个子塔，且两个子塔分别与低压塔塔 顶进行耦合换热，既满足了精馏塔内不同塔之间的换热要求，又实现了复杂装备的低能耗 化设计。首先，根据传统精馏塔单塔板耦合方式下的各级塔板温度数据，确定高压塔和低压 塔之间的最小热耦合温差；其次，绘制精馏塔的塔板温度曲线，降低高压塔的塔板温度曲 线，使高压塔塔顶与低压塔塔顶实现耦合换热;然后，逐级校核高压塔和低压塔的各对耦合 塔板间温差是否满足最小热耦合温差，依据分裂塔板选取方式确定高压塔分裂塔板，将高 压塔分裂为高温塔和低温塔;最后，降低塔板温度较高的高温塔温度曲线，使高温塔与低压 塔塔顶也进行耦合换热，高温塔和低温塔之间的温度-压力匹配通过节流阀和压缩机实现。
[0005] 本发明采用的技术方案是包括以下步骤，如图1所示：
[0006] 1)采集精馏塔单板耦合方式下的塔板温度数据，单板耦合方式下低压塔塔底与高 压塔塔顶通过单对耦合塔板进行热交换，如图2所示，获得精馏塔的高压塔和低压塔各耦合 塔板之间的温差A T，计算公式为：
[0007] AT = Ti-Tj其中，0〈i《m0〈j <n
[0008] 式中，是高压塔第i级塔板的塔板温度，m是高压塔的塔板数，L是低压塔第j级塔 板的塔板温度，η是低压塔的塔板数，高压塔的第i级塔板和低压塔的第j级塔板进行耦合换 执. ，
[0009] 精馏塔单板耦合方式下的塔板温度数据根据现有流程通过传感器的实际运行采 集数据得到。
[0010] 2)根据高压塔和低压塔各耦合塔板之间的温差△ T，获得精馏塔的最小热耦合温 差ATmin，计算公式为：
[0011] Δ Tmin=min{ Δ T}
[0012] 式中，△ 1~_是精馏塔的最小热耦合温差，△ T是高压塔和低压塔親合塔板之间的 温差，min{ ΔΤ}表示求ΔΤ中的最小值；
[0013] 3)根据精馏塔单板耦合方式下的各级塔板温度数据，由单板耦合方式改为塔顶耦 合方式，将高压塔置于低压塔侧方使得两者塔顶流通进行热耦合，从高压塔塔顶开始，根据 高压塔分裂塔板选取方式逐级校核高压塔和低压塔中的各对耦合塔板是否满足最小热耦 合温差Δ Tmin，获得高压塔的分裂塔板；
[0014] 所述的耦合塔板指的是高压塔和低压塔进行耦合换热的各对塔板。
[0015] 4)在高压塔的分裂塔板处，将高压塔分裂为高温塔和低温塔，分裂塔板及其以上 的塔板归为低温塔，其余归为高温塔，高温塔和低温塔分别置于低压塔的两侧采用塔顶耦 合方式与低压塔进行耦合换热；
[0016] 5)在高温塔和低温塔之间的传质回路上添加节流阀和压缩机，改为图3所示结构， 实现其温度-压力匹配，保证精馏塔精馏工艺的顺利进行。
[0017] 所述的高温塔塔顶和低温塔塔底之间设置两条回路，两条回路上分别安装有节流 阀和压缩机，通过压缩机将高温塔的低温污氮加压升温后传送到低温塔，通过节流阀控制 流量将低温塔的高温污氮节流降温后传送回高温塔。
[0018] 所述步骤3)中的高压塔分裂塔板选取方式为：
[0019]逐级采用以下公式将高压塔和低压塔的各级耦合塔板的换热温差与最小热耦合 温差ATmin进行比较：
[0020] Ti7 -Tj7 > Δ Tmin
[0021] 式中，IV是下降后的高压塔第i级塔板的塔板温度，T/是与下降后的高压塔第i级 塔板进行耦合换热的低压塔第j级塔板的塔板温度;这两块塔板之间进行耦合换热，需要满 足最小热耦合温差的约束，因此采用以上方式进行校核。
[0022] 若满足上述公式，则继续校核下一级耦合塔板;若不满足上述公式，则选取当前高 压塔的塔板作为分裂塔板。
[0023]所述的高压塔第i级塔板的塔板温度1\采用以下方式处理下降：
[0024]先计算能够与精馏塔低压塔塔顶进行热耦合的高压塔最低塔板温度，计算公式 为：
[0025]
[0026] 式中，Tgn是能够与精馏塔低压塔塔顶进行热耦合的高压塔最低塔板温度， 7^p是精馏塔低压塔的塔顶温度，A Tmin是精馏塔的最小热耦合温差；
[0027] 再计算高压塔各级塔板能够达到的最低温度作为下降后的高压塔第i级塔板的塔 板温度IV，计算公式为：
[0028]
[0029] 式中，IV是下降后的高压塔第i级塔板的塔板温度，是原高压塔第i级塔板的塔 板温度，Τ￡ρ是原高压塔的塔顶温度。
[0030] 由此，本发明根据精馏塔高压塔和低压塔的塔板温度分布，定义了分裂塔板的选 取准则，将高压塔分裂为高温塔和低温塔，分裂后的高温塔和低温塔分别与低压塔塔顶进 行耦合换热，在保证精馏过程顺利实现的前提下，能够使高压塔的塔底温度降至最低，从 而使高压塔塔底的工作压力降至最低，降低了精馏塔对原料空气的压力要求，进而降低了 机组对压缩机的功率要求，最终实现整个机组能耗的降低。
[0031] 本发明具有的有益效果是：
[0032] 本发明提出的分裂热耦合设计方法，通过将高压塔分裂为高温塔和低温塔分别与 低压塔塔顶进行耦合换热，能够在保证精馏过程顺利实现的前提下，达到最好的节能效果。
[0033] 本发明提出的方法根据精馏塔高压塔和低压塔的塔板温度分布，定义了分裂塔板 的选取准则，易于理解和实现。
【附图说明】
[0034]图1是本发明方法流程图。
[0035]图2是传统精馏塔单板耦合方式下的结构图
[0036] 图3是精馏塔分裂热耦合方式下的结构图。
[0037] 图4是传统精馏塔单板耦合方式下的塔板温度曲线图。
[0038] 图5是高压塔塔板温度下降后的精馏塔塔板温度曲线图。
[0039]图6是精馏塔分裂热耦合方式下的塔板温度曲线图。
[0040]图7是40 %富氧空气气液混合状态温度-压力关系图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0042]本发明的实施例及其过程如下：
[0043]采用一大型空分装备精馏塔作为实施对象，高压塔含35级塔板，低压塔含70级塔 板。
[0044] (1)根据精馏塔单板耦合方式下的塔板温度数据，计算得到精馏塔高压塔和低压 塔之间的最小热耦合温差Δ T为1.8K。
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