[发明专利]一种换热温差驱动的精馏塔分裂热耦合方法

说明书

技术领域

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

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《Industrial&Engineering Chemistry Research》(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耦合方式，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《Industrial&Engineering Chemistry Research》(51:14517-14524)的论文“Modeling,Characteristic 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耦合的热耦合结构，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

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。

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。

本发明采用的技术方案是包括以下步骤，如图1所示：

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ΔT，计算公式为：

ΔT＝T_i-T_j其中，0<i≤m0<j≤n

式中，T_i是高压塔第i级塔板的塔板温度，m是高压塔的塔板数，T_j是低压塔第j级塔板的塔板温度，n是低压塔的塔板数，高压塔的第i级塔板和低压塔的第j级塔板进行耦合换热；

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。

2)根据高压塔和低压塔各耦合塔板之间的温差ΔT，获得精馏塔的最小热耦合温差ΔT_min，计算公式为：