蒸餾塔分離中料位置優(yōu)化的探討

蒸餾塔的供應(yīng)位置對蒸餾機的節(jié)能有重要影響。在過去的工程項目中，原來的設(shè)計通常使用現(xiàn)有裝置的供應(yīng)位置，而稀疏地優(yōu)化詳細而嚴格的供應(yīng)位置。這是造成分離效果差、能耗居高不下,能量浪費的重要原因之一。對于任何蒸餾過程均應(yīng)當進行進料位置的優(yōu)化,以保證分離能耗降至最小,同時達到最佳的分離效果。1塔封分離純度蒸餾塔的最佳進料板位置可以從以下3個方面進行定義: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到一定分離要求時塔板數(shù)最少。無論采用哪種定義,其本質(zhì)都是相同的。而在進行模擬計算時,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料板位置。2最佳進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,最佳進料板位置應(yīng)當在跨過2條操作線交點的位置。如圖1所示,進料板可以在a和b之間的任何位置,但是如果進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塊板進料時,所需的理論板數(shù)是9塊。而實線表示在第5塊最佳位置進料,所需理論板數(shù)僅8塊即可。除了圖解法求取最佳進料位置之外,也有應(yīng)用蒸餾塔簡化計算法求解計算的。塔的簡化計算法大多采用Fenske方程求最小理論板數(shù),Underwood法計算最小回流比,再從Gilliland圖中查出實際所需理論板數(shù)。其中最佳進料位置計算較多采用以下2種方法。對泡點進料,可采用Kirkbride經(jīng)驗式: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為摩爾分數(shù);qd為塔頂采出量,kmol/h;qb為塔釜采出量,kmol/h;下標:f為進料,d為塔頂,b為塔釜,L為輕關(guān)鍵組分,h為重關(guān)鍵組分。隨著計算機模擬的發(fā)展,手工二元蒸餾作圖法已顯得較為繁瑣,需要花費大量的時間在作圖上,且更重要的是實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算法都是基于2個基本假設(shè),即全塔處于恒分子流和恒定相對揮發(fā)度的理想狀況。其計算結(jié)果和實際情況存在一定差別,而對某些蒸餾過程,該差別還相當大,已完全無法適應(yīng)目前對準確定位最佳進料板位置的要求。如果說作圖法和簡化法在20世紀60—70年代還有使用者的話,從80年代開始,隨著科技的進步、計算機的發(fā)展和過程模擬的普及,最佳進料位置的計算已經(jīng)逐步為更加準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進料板位置的影響蒸餾過程中經(jīng)常使用的一個參數(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)鍵組分摩爾分數(shù)之比,塔內(nèi)該比例應(yīng)當愈向塔頂愈大。在靠近進料板上方出現(xiàn)輕、重關(guān)鍵組分比率減小或者在進料板下方出現(xiàn)輕、重關(guān)鍵組分比率增大,即在進料板上方出現(xiàn)關(guān)鍵組分比率最小值,而在進料板下方出現(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,當出現(xiàn)逆向蒸餾時,該圖關(guān)鍵組分比率曲線在進料板上方或下方會出現(xiàn)極小或極大值,如圖2所示。圖2(a)是進料板位置正常時的圖形,可以看出在進料板上、下方,曲線平滑過渡;圖2(b)是進料板位置過低,引起進料板上方出現(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,浪費了一部分塔板,造成了分離效率的降低。圖2(c)是進料板位置過高,引起進料板下方出現(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)當逐漸上升,輕組分應(yīng)當降低,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,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進料中關(guān)鍵組分濃度較小;③進料位置不是最佳進料板。實際過程中,前2個因素發(fā)生的幾率較小,而最后1個原因往往是最常見和最重要的。進料位置過高,會引起進料板下方有明顯的逆向蒸餾;而進料位置過低,會引起進料板上方出現(xiàn)明顯的逆向蒸餾;因此在塔設(shè)計中一定要注意有無逆向蒸餾問題,也一定要檢驗進料板位置是否正確。以往在蒸餾塔的設(shè)計中往往存在一些錯誤概念,如塔頂采出未達分離要求,則增加精餾段板數(shù);塔釜物料未達分離要求,則增加提餾段板數(shù)。實際上,上述措施并不一定奏效,有時還適得其反。正確的作法是,若未達分離要求,首先須分析進料位置是否為最佳進料板數(shù),若非最佳進料位置,則需要調(diào)整進料板,使之達到最佳進料位置;若已達最佳進料位置,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?；亓鞅鹊脑黾涌墒刮锪戏蛛x得更好,但操作費用也相應(yīng)增加;板數(shù)的增加,也會使分離純度提高,但須增加設(shè)備費用。兩者必須認真加以權(quán)衡。隨著能源價格的日益上升,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。其實際塔板數(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,同時又受到冷凝器和再沸器能力的制約。對于新設(shè)計,可以根據(jù)工藝要求,設(shè)計出相匹配的冷凝器和再沸器。而對于已有的裝置,經(jīng)常會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行。當上述3點均無調(diào)整的可能性時,再考慮增加塔板數(shù)。此時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),以保持進料始終處于最佳進料位置。5塔板夾點的分離蒸餾過程也會出現(xiàn)夾點現(xiàn)象。從二元蒸餾圖可知,當操作線逼近平衡線時,在二線之間的階梯將變得越來越小,當操作線和平衡線相交時,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,該交點即稱為蒸餾夾點。當夾點蒸餾發(fā)生時,這些板幾乎不起什么分離作用,此外當所分離的組分為非理想體系時,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。塔設(shè)計中,出現(xiàn)夾點不僅浪費塔板數(shù),還會導(dǎo)致塔的設(shè)計板數(shù)過多。在夾點附近操作是十分危險的,故塔設(shè)計工況必須遠離夾點。在實際生產(chǎn)中,發(fā)生夾點的一個征兆是連續(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)夾點蒸餾,可以通過增加回流比和再沸氣體量來予以補救,但會引起能耗的增加。若冷凝器和再沸器能力已達其處理量的極限,無法再進一步提高時,則只能通過降低塔的進料量以避開夾點。6不一定準確可靠前已述及,任何簡化方法所得到的最佳進料板位置都不一定準確可靠。欲準確判斷最佳進料板位置必須在塔的嚴格逐板計算法的基礎(chǔ)上才能實現(xiàn)。本文結(jié)合計算機模擬計算,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)鍵組分摩爾分數(shù)之比對塔板數(shù)的關(guān)系曲線,通常采用半對數(shù)坐標作圖。該圖主要用于快速確定進料板位置是否正確。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)和是否最佳進料位置。當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,進行嚴格法塔模擬計算后,即自動產(chǎn)生該圖形。極大地方便了用戶對進料位置是否適當進行快速判斷。然而分離因子圖往往比較粗糙,對最佳進料板位置的判斷并非十分準確,視所分離體系的不同,會有幾塊板到十幾塊板的誤差,故若須準確判斷,還要采用其他方法。6.2最佳進料位置的確定采用靈敏度分析來判斷最佳進料板位置是最為準確可靠的方法。茲通過實際案例的分析來說明如何進行最佳進料位置的分析。設(shè)有一泡點物料,流量100kmol/h;壓力1.65MPa;摩爾分數(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)計該蒸餾塔,并求最佳進料位置。該案例塔板數(shù)、進料位置和回流比均未提供,可以通過簡化法來確定。采用PROⅡ軟件的簡化法進行模擬,當取實際回流比和最小回流比的比值為1.2時,可以得到理論塔板數(shù)為38塊,回流比1.3,最佳進料板位置為第13塊板。這些數(shù)據(jù)即可以作為嚴格計算法的一套初值。接下來就是作塔的逐板計算并在收斂的基礎(chǔ)上再進行靈敏度分析。靈敏度分析中,塔的設(shè)計規(guī)定為頂、底物料的分離要求,以進料位置為變量,從第10塊變化到27塊,分別求出回流比、冷凝器和再沸器負荷,用來進行比較。并將靈敏度分析得到的進料板數(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。可以看出,該曲線有一最低點,當進料為第21塊板時為最佳進料位置。而由簡化法算出的13塊板的回流比和能耗要比21塊板時大得多。若以13塊板的熱負荷為基準,則通過靈敏度分析求得的最佳進料板條件下,可以算出冷凝器熱負荷減少11.3%,再沸器熱負荷降低10.83%,顯然節(jié)能幅度是十分可觀的。簡化法和嚴格法計算的最佳進料位置竟相差達8塊多,按照嚴格法計算,在最佳進料位置時,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算中準確性不夠,必須以嚴格逐板計算為準。6.3優(yōu)化目標函數(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)化器進行進料位置的優(yōu)化。優(yōu)化器的優(yōu)化變量是進料板位置,優(yōu)化的目標函數(shù)則根據(jù)塔的工藝規(guī)定不同