一種換熱溫差驅動的精餾塔分裂熱耦合方法
【技術領域】
[0001] 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】
[0002] 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《Indus trial&Engineer ing Chemistry Re search》（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親合方式，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《Indus trial&Engineer ing Chemistry Research》（51:14517-14524)的論文"ModelingCharacteristic 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親合的熱親合結構，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】

[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 本發明采用的技術方案是包括以下步驟，如圖1所示：
[0006] 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A T，計算公式為：
[0007] AT = Ti-Tj其中，0〈i《m0〈j <n
[0008] 式中，是高壓塔第i級塔板的塔板溫度，m是高壓塔的塔板數，L是低壓塔第j級塔 板的塔板溫度，η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 執. ，
[0009] 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。
[0010] 2)根據高壓塔和低壓塔各耦合塔板之間的溫差△ T，獲得精餾塔的最小熱耦合溫 差ATmin，計算公式為：
[0011] Δ Tmin=min{ Δ T}
[0012] 式中，△ 1~_是精餾塔的最小熱耦合溫差，△ T是高壓塔和低壓塔親合塔板之間的 溫差，min{ ΔΤ}表示求ΔΤ中的最小值；
[0013] 3)根據精餾塔單板耦合方式下的各級塔板溫度數據，由單板耦合方式改為塔頂耦 合方式，將高壓塔置于低壓塔側方使得兩者塔頂流通進行熱耦合，從高壓塔塔頂開始，根據 高壓塔分裂塔板選取方式逐級校核高壓塔和低壓塔中的各對耦合塔板是否滿足最小熱耦 合溫差Δ Tmin，獲得高壓塔的分裂塔板；
[0014] 所述的耦合塔板指的是高壓塔和低壓塔進行耦合換熱的各對塔板。
[0015] 4)在高壓塔的分裂塔板處，將高壓塔分裂為高溫塔和低溫塔，分裂塔板及其以上 的塔板歸為低溫塔，其余歸為高溫塔，高溫塔和低溫塔分別置于低壓塔的兩側采用塔頂耦 合方式與低壓塔進行耦合換熱；
[0016] 5)在高溫塔和低溫塔之間的傳質回路上添加節流閥和壓縮機，改為圖3所示結構， 實現其溫度-壓力匹配，保證精餾塔精餾工藝的順利進行。
[0017] 所述的高溫塔塔頂和低溫塔塔底之間設置兩條回路，兩條回路上分別安裝有節流 閥和壓縮機，通過壓縮機將高溫塔的低溫污氮加壓升溫后傳送到低溫塔，通過節流閥控制 流量將低溫塔的高溫污氮節流降溫后傳送回高溫塔。
[0018] 所述步驟3)中的高壓塔分裂塔板選取方式為：
[0019]逐級采用以下公式將高壓塔和低壓塔的各級耦合塔板的換熱溫差與最小熱耦合 溫差ATmin進行比較：
[0020] Ti7 -Tj7 > Δ Tmin
[0021] 式中，IV是下降后的高壓塔第i級塔板的塔板溫度，T/是與下降后的高壓塔第i級 塔板進行耦合換熱的低壓塔第j級塔板的塔板溫度;這兩塊塔板之間進行耦合換熱，需要滿 足最小熱耦合溫差的約束，因此采用以上方式進行校核。
[0022] 若滿足上述公式，則繼續校核下一級耦合塔板;若不滿足上述公式，則選取當前高 壓塔的塔板作為分裂塔板。
[0023]所述的高壓塔第i級塔板的塔板溫度1\采用以下方式處理下降：
[0024]先計算能夠與精餾塔低壓塔塔頂進行熱耦合的高壓塔最低塔板溫度，計算公式 為：
[0025]
[0026] 式中，Tgn是能夠與精餾塔低壓塔塔頂進行熱耦合的高壓塔最低塔板溫度， 7^p是精餾塔低壓塔的塔頂溫度，A Tmin是精餾塔的最小熱耦合溫差；
[0027] 再計算高壓塔各級塔板能夠達到的最低溫度作為下降后的高壓塔第i級塔板的塔 板溫度IV，計算公式為：
[0028]
[0029] 式中，IV是下降后的高壓塔第i級塔板的塔板溫度，是原高壓塔第i級塔板的塔 板溫度，Τ￡ρ是原高壓塔的塔頂溫度。
[0030] 由此，本發明根據精餾塔高壓塔和低壓塔的塔板溫度分布，定義了分裂塔板的選 取準則，將高壓塔分裂為高溫塔和低溫塔，分裂后的高溫塔和低溫塔分別與低壓塔塔頂進 行耦合換熱，在保證精餾過程順利實現的前提下，能夠使高壓塔的塔底溫度降至最低，從 而使高壓塔塔底的工作壓力降至最低，降低了精餾塔對原料空氣的壓力要求，進而降低了 機組對壓縮機的功率要求，最終實現整個機組能耗的降低。
[0031] 本發明具有的有益效果是：
[0032] 本發明提出的分裂熱耦合設計方法，通過將高壓塔分裂為高溫塔和低溫塔分別與 低壓塔塔頂進行耦合換熱，能夠在保證精餾過程順利實現的前提下，達到最好的節能效果。
[0033] 本發明提出的方法根據精餾塔高壓塔和低壓塔的塔板溫度分布，定義了分裂塔板 的選取準則，易于理解和實現。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發明方法流程圖。
[0035]圖2是傳統精餾塔單板耦合方式下的結構圖
[0036] 圖3是精餾塔分裂熱耦合方式下的結構圖。
[0037] 圖4是傳統精餾塔單板耦合方式下的塔板溫度曲線圖。
[0038] 圖5是高壓塔塔板溫度下降后的精餾塔塔板溫度曲線圖。
[0039]圖6是精餾塔分裂熱耦合方式下的塔板溫度曲線圖。
[0040]圖7是40 %富氧空氣氣液混合狀態溫度-壓力關系圖。
【具體實施方式】
[0041]下面結合實施例對本發明作進一步說明。
[0042]本發明的實施例及其過程如下：
[0043]采用一大型空分裝備精餾塔作為實施對象，高壓塔含35級塔板，低壓塔含70級塔 板。
[0044] (1)根據精餾塔單板耦合方式下的塔板溫度數據，計算得到精餾塔高壓塔和低壓 塔之間的最小熱耦合溫差Δ T為1.8K。
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