塔中换热器的模拟研究

原平方

(新乡学院化学化工学院，河南 新乡 453003)

在现代化工生产过程中，分离是一个非常重要的过程单元，它直接决定最终产品的质量和收率。精馏是一种利用组分间相对挥发度不同实现的分离方法，是工业上应用最广的液体混合物分离操作，广泛应用于化工行业各个部门。据估计，化工过程中40%～70%的能耗用于分离，而精馏能耗又占其中的95%[1]。随着全球能源危机的不断加剧，越来越多的研究人员开展了对精馏过程的节能研究[2-7]。在全塔温度梯度较大的精馏塔中，设置中间换热器是降低精馏过程能耗的一种措施[8]。在塔中设置中间冷凝器，可用温度较高的冷却介质，使塔内上升蒸汽部分冷凝，这样可以减少塔顶低温高价冷却介质的用量。同理，在塔内设置中间再沸器，可利用温度较低的加热介质，使塔内下降液体部分汽化，从而可以减少塔底再沸器中高温加热介质的用量。本文利用ASPEN模拟软件，从能耗总量的角度研究了增加中间换热器对精馏过程的影响以及换热器的操作条件。

1 模拟流程

以苯-甲苯-二甲苯的分离为例子，研究塔中换热器对精馏过程的影响。原料组分及产品要求见表1。为了保证模拟的一致性，塔顶出料均为300kg/h，苯的质量分数为99%。

精馏塔采用RadFrace模块进行模拟，塔板数为40块理论板，塔顶为第1块板，塔釜为第40块板，进料位置为第20块塔板，进料状态为150kPa压力下的饱和液相，塔顶压力为150kPa，塔顶冷凝器温度为40℃。模拟中热力学模型选择ASPEN使用手册推荐的NRTL模型。模拟过程对比了传统精馏塔与有中间换热器的精馏塔之间的能耗，流程图如图1所示。

(a)传统精馏；(b)中间换热器精馏

图1 模拟流程图

Fig.2 Flow diagram of simulation

2 模拟结果及讨论

2.1 抽出位置

本节通过设置不同位置的塔中冷凝器和再沸器考察抽出位置对精馏操作能耗的影响。选择抽出塔板位置分别为5,10,15,20,25,30,35块塔板，返回位置为抽出位置下一块塔板。为了方便比较，塔中冷凝器和再沸器的抽出量均为300kg/h，冷凝器回流为全液相，温度为泡点温度，再沸器回流为全气相，温度为露点温度。

图2所示为塔中冷凝器不同的气相抽出位置对精馏过程能耗的影响。由图中可以看出，在抽出量为300kg/h时，当塔中冷凝器的抽出位置设置在提馏段即进料位置以下时，全塔能耗较传统精馏约高33%。当抽出位置位于精馏段时，能耗明显减小，能耗随着抽出位置的下移逐渐增加。同时可以看出，当抽出量一定时，塔中冷凝器的能耗在不同位置处变化不大。

图2 塔中冷凝器抽出位置与能耗关系Fig.2 The relationship of tower condenser withdraw position and energy consumption

图3 塔中再沸器抽出位置与能耗关系Fig.3 The relationship of tower reboiler withdraw position and energy consumption

图3所示为塔中再沸器不同的液相抽出位置对精馏过程能耗的影响。由图中可以看出，在抽出量为300kg/h时，当塔中再沸器的抽出位置设置在精馏段即进料位置以上时，全塔能耗较传统精馏约高30%。当抽出位置位于提馏段时，能耗明显减小，能耗随着抽出位置的下移逐渐降低。同时可以看出，当抽出量一定时，塔中再沸器的能耗在不同位置处变化不大。

由图2，图3可以看出，塔中冷凝器应设置在精馏塔的精馏段，塔中再沸器应设置在提馏段。塔中冷凝器越接近塔顶，其能耗越小，塔中再沸器越接近塔底，其能耗越小。在实际操作中，这种条件将导致塔中换热器与塔顶或塔底温差过小，不易使用低品位的公用工程，故应综合考虑其抽出位置。

2.2 回流位置

图4所示为塔中冷凝器不同回流位置对精馏过程能耗的影响。在模拟过程中，塔中冷凝器的抽出位置选定为第10块塔板，抽出量为300kg/h气相，回流为泡点温度下的液相。由图中可以看出，当回流塔板位置处于抽出板位置以上时，塔的总能耗与传统精馏塔基本持平，与所在位置无关；当回流塔板位置位于抽出板以下时，塔的总能耗随回流板位置的下降而升高。

图4 塔中冷凝器回流位置与能耗关系Fig.4 The relationship of tower condenser backflow position and energy consumption

图5所示为塔中再沸器不同回流位置对精馏过程能耗的影响。塔中再沸器的抽出位置为第30块塔板，抽出量为300kg/h液相，回流为露点温度下的气相。结果表明当回流塔板位置处于抽出板位置以下时，塔的总能耗与传统精馏塔基本持平，与所在位置无关；当回流塔板位置位于抽出板以上时，塔的总能耗随回流板位置的上升而升高。

图5 塔中再沸器回流位置与能耗关系Fig.5 The relationship of tower reboiler backflow position and energy consumption

由图4，图5可以看出，对于塔中冷凝器而言，其回流位置应位于抽出板位置以上；对于塔中再沸器而言，其回流位置应位于抽出板位置以下。抽出板与回流板之间的间隔对于全塔能耗影响不大。

2.3 抽出量

图6所示为塔中冷凝器抽出量与全塔能耗之间的关系。在模拟过程中，抽出板为第10块板，回流板为第9块板，回流为泡点温度的液相。由图可以看出随着抽出量的增加，塔中冷凝器的耗能量线性增加，塔顶冷凝器的耗能量逐渐减小，总能耗与传统精馏塔相比略有增加，但增加幅度很小。

图6 塔中冷凝器抽出量与能耗关系Fig.6 The relationship of tower condenser out flow rate and energy consumption

图7所示为塔中再沸器抽出量与全塔能耗之间的关系。其中抽出板为第30块板，回流板为第31块板，回流为露点温度的气相。由图可以看出随着抽出量的增加，塔中再沸器的耗能量线性增加，塔底再沸器的耗能量逐渐减小，总能耗与传统精馏塔相比略有增加，但增加幅度很小。

图7 塔中再沸器抽出量与能耗关系Fig.7 The relationship of tower reboiler out flow rate and energy consumption

由图6，图7可以看出，增加塔中换热器的抽出量，全塔的能量消耗有所增加，但增加的幅度很小。在实际过程中，可以采用多抽出的方法，增加低品位公用工程的使用，降低成本。

2.4 冷凝率和气化率

在实际工程当中，冷凝器的冷凝率与再沸器的气化率在操作过程当中也是一个重要的参数，本节我们仅从能耗的角度研究塔中冷凝器和再沸器的冷凝率和气化率对全塔能耗的影响。

模拟过程中塔中冷凝器抽出位置为第10块板，回流位置为第9块板，选择不同的抽出量，但保证回流中气相质量为200kg/h；塔中再沸器抽出位置为第30块塔板，回流位置为第31块塔板，选择不同的抽出量，保证回流中液相质量为200kg/h。图8为塔中冷凝器冷凝率与能耗关系，图9为塔中再沸器气化率与能耗关系。如图所示，在不同的冷凝率和气化率下，全塔能耗略微有所增加，但增加幅度可以忽略不计。这说明，塔中换热器的冷凝率和气化率对全塔的能耗基本没有影响。在实际生产中可以较为自由的选择塔中换热器的冷凝率和气化率。

图8 塔中冷凝器冷凝率与能耗关系Fig.8 The relationship of tower condenser condensation rate and energy consumption

图9 塔中再沸器气化率与能耗关系Fig.9 The relationship of tower reboiler evaporation rate and energy consumption

3 结论

塔中冷凝器或再沸器的加入，将导致塔的能耗总量增加。塔中冷凝器应设置在塔的精馏段，塔中再沸器应设置在提馏段；塔中冷凝器回流位置应在抽出位置上方，塔中再沸器回流位置应在抽出位置下方；随着塔中再沸器和冷凝器抽出量的增加，全塔能耗随之增加；冷凝率和气化率对全塔能耗影响不大。

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