張迪，劉桂蓮（西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049）

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基于換熱網(wǎng)絡(luò)集成的二甲苯分離精餾塔參數(shù)優(yōu)化

張迪，劉桂蓮
（西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049）

摘要：精餾是化工過程中重要的耗能設(shè)備，其產(chǎn)品溫度的改變將影響換熱網(wǎng)絡(luò)的集成。針對二甲苯分離吸附的實(shí)際生產(chǎn)過程，利用復(fù)合曲線系統(tǒng)分析精餾塔DA604塔壓增大至170kPa及230kPa后塔頂和塔底產(chǎn)品流股溫度改變對換熱網(wǎng)絡(luò)的集成和公用工程消耗量的影響，可實(shí)現(xiàn)精餾塔操作與換熱網(wǎng)絡(luò)的同步集成，相較與之前只考慮流股溫位對換熱網(wǎng)絡(luò)的影響更加全面。結(jié)果表明，該精餾塔的塔壓由110kPa增至170kPa時，系統(tǒng)的冷卻公用工程用量增大1765.0kW，加熱公用工程量減少1948.5kW，無需消耗加熱公用工程；壓力由110kPa增加至230kPa時，系統(tǒng)冷卻公用工程用量增大4964.1kW，加熱公用工程用量節(jié)省共計(jì)8172.4kW，此時加熱公用工程用量減小為0且可在高溫段向外界供給6223.9kW熱量。該分析結(jié)果與夾點(diǎn)法的計(jì)算結(jié)果相同，由該結(jié)果可得普適性結(jié)論，當(dāng)精餾塔塔頂塔底出口物流均為源時，增大塔壓，系統(tǒng)加熱公用工程減小，冷卻公用工程增加，整體上有利于系統(tǒng)的節(jié)能。

關(guān)鍵詞：精餾；換熱網(wǎng)絡(luò)；集成；夾點(diǎn)

第一作者：張迪（1990—），女，碩士研究生。聯(lián)系人：劉桂蓮，教授，從事系統(tǒng)工程的研究。E-mail guilianliui@ mail.xjtu.edu.cn。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，社會對能源的需求越來越大，節(jié)能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用已不容忽視。自20世紀(jì)70年代能源危機(jī)以來，各個國家及大部分企業(yè)越來越重視節(jié)能工作。節(jié)能工作從開始對單個余熱流的研究，進(jìn)而發(fā)展為對單個設(shè)備的研究，但都只強(qiáng)調(diào)個體而忽視了整體影響。過程系統(tǒng)工程學(xué)科的發(fā)展使人們逐步認(rèn)識到，只有將整個系統(tǒng)集成起來作為一個有機(jī)整體來考慮過程系統(tǒng)節(jié)能，而非針對單個設(shè)備或物流，才能使化工系統(tǒng)達(dá)到整體最優(yōu)。

在化工生產(chǎn)過程中，能量的回收及再利用對節(jié)能有著極其重要的意義。換熱網(wǎng)絡(luò)集成就是在滿足把每個物流由初始溫度加熱或冷卻至目標(biāo)溫度的前提下，設(shè)計(jì)具有最佳熱回收效果和設(shè)備投資費(fèi)用的換熱器網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)前系統(tǒng)過程工業(yè)中節(jié)能的重要途徑。隨著研究的不斷深入，集成方法也在不斷完善，其中以夾點(diǎn)技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃法的應(yīng)用最為廣泛[1]。前者是基于熱力學(xué)原則的圖像法，物理意義明確、簡單實(shí)用。而后者則是通過編程建立與求解數(shù)學(xué)模型優(yōu)化整個系統(tǒng)，可處理復(fù)雜的換熱網(wǎng)絡(luò)，但無法保證獲得全局最優(yōu)解[2]。

精餾是化工生產(chǎn)中一種重要的單元操作。據(jù)估計(jì)，90％～95％的產(chǎn)品回收和提純是由精餾來實(shí)現(xiàn)的[3-6]。其能量消耗對整個過程工業(yè)有重要的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)分離過程的能耗大約占整個化學(xué)工業(yè)用能的40％，而其中95％是蒸餾過程消耗的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國40000多個精餾塔所消耗的能量相當(dāng)于每天1.9億升石油，幾乎占全國能耗的23％[7-9]。因此，精餾過程的節(jié)能具有非常重要的意義。

精餾過程的節(jié)能可從兩個方面進(jìn)行：①開發(fā)精餾節(jié)能技術(shù)，如中間再沸器和冷凝器技術(shù)[10]、側(cè)線精餾技術(shù)[11]、熱泵技術(shù)[12]、多效精餾[13]、熱耦精餾技術(shù)[14]等；②將精餾塔與換熱網(wǎng)絡(luò)集成以到達(dá)節(jié)能的目的。前者是從單個設(shè)備的角度降低能耗，而后者是從系統(tǒng)整體的角度優(yōu)化用能。

精餾塔操作參數(shù)的調(diào)整不僅影響其再沸器、冷凝器的溫位和負(fù)荷，也將影響其塔頂和塔底產(chǎn)品的溫度。若這兩股流是換熱網(wǎng)絡(luò)的熱源或熱阱，換熱網(wǎng)絡(luò)的溫度分布和集成將同時受到影響。所以，在集成時應(yīng)綜合考慮所調(diào)整塔的再沸器、冷凝器和產(chǎn)品流股的溫度和負(fù)荷變化，以確定最優(yōu)操作參數(shù)，達(dá)到最低能耗目標(biāo)。

目前，在精餾塔與換熱網(wǎng)絡(luò)的調(diào)壓集成中，僅考慮了再沸器和冷凝器[8]，而對精餾產(chǎn)品流股溫度變化對換熱網(wǎng)絡(luò)整體影響方面則無相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。

二甲苯吸附分離是分離C8芳烴中二甲苯的一種重要方法，它的同分異構(gòu)體鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯由于化學(xué)性質(zhì)相似而難以分離利用。該單元有多個精餾和換熱設(shè)備，其換熱網(wǎng)絡(luò)中，精餾塔與換熱網(wǎng)絡(luò)的集成對公用工程用量有重要影響。

本文將以夾點(diǎn)分析方法為基礎(chǔ)，從精餾塔產(chǎn)品流股溫度改變的角度出發(fā)，對二甲苯分離單元換熱網(wǎng)絡(luò)的集成進(jìn)行研究，系統(tǒng)分析精餾塔產(chǎn)品流股溫度改變對公用工程消耗的影響。

1　二甲苯吸附分離單元工藝流程

圖1為某二甲苯吸附分離單元精餾部分流程示意圖，來自二甲苯分餾塔塔頂?shù)幕旌螩8芳烴進(jìn)入進(jìn)料緩沖罐（FA601），加壓后分別送至吸附分離的兩個平行系列。C8芳烴在原料加熱器中加熱至177℃，過濾后進(jìn)入吸附塔。從抽余液塔底部和抽出液塔DA604底部排出的循環(huán)解吸劑，與各自的進(jìn)料換熱器換熱后，進(jìn)入解吸劑緩沖罐，經(jīng)加壓、換熱和過濾后分成四路：一路作為吸附系統(tǒng)的解吸劑進(jìn)入吸附塔，一路作為轉(zhuǎn)子板與定子板之間的密封液，最后二路解吸劑分別進(jìn)入塔DA610-1/2A的塔頂、塔底和DA610-1/2B的頂、底，進(jìn)行封頭沖洗。

離開兩系列的抽出液經(jīng)換熱器EA607與塔底物料換熱后進(jìn)入抽出液塔，塔頂汽相冷卻后送至成品塔，塔底物料經(jīng)EA607換熱后去FA609。從DA604塔頂排出的粗PX再次經(jīng)DA605塔精餾，塔頂氣相冷卻后進(jìn)入氣化及烷基轉(zhuǎn)移單元，塔底物料經(jīng)與進(jìn)料換熱后、冷卻后送到PX產(chǎn)品罐。

兩系列抽余液經(jīng)與塔底采出換熱后進(jìn)入塔DA603A內(nèi)精餾，塔頂氣相由空冷器EC605A冷卻后進(jìn)入緩沖罐，塔底物料經(jīng)換熱器EA604A/B與進(jìn)料換熱后排出。部分抽余液經(jīng)換熱器EA604C中與DA603A塔底采出換熱后進(jìn)入塔DA603A精餾，DA603A塔頂氣相由空冷器EC605B冷卻后進(jìn)入緩沖罐，塔底物料在換熱器EA604C中換熱后去FA609。

2　換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

基于現(xiàn)行的流程圖提取換熱網(wǎng)絡(luò)的物流，共有熱流9股，冷流6股；各流股的物流數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)各流股的組成、初始和目標(biāo)溫度，流量等數(shù)據(jù)，利用Aspen Plus模擬可確定各流股由初始溫度加熱或冷卻至目標(biāo)溫度的熱負(fù)荷，列于表1。

取夾點(diǎn)溫差為10℃，根據(jù)夾點(diǎn)理論和表1數(shù)據(jù)，可作出該換熱網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合曲線，如圖2所示。根據(jù)該圖，可確定夾點(diǎn)平均溫度為181.4℃，最小加熱公用工程用量為1948.9kW，最小冷卻公用工程用量為23796.2kW。

圖1　某二甲苯吸附分離單元精餾部分流程示意圖

對于新設(shè)計(jì)，塔壓要低于塔設(shè)備的最高承受壓力（一般為10MPa左右）和組分的臨界壓力。對于改造項(xiàng)目，塔壓應(yīng)低于相應(yīng)設(shè)備所能承受的最高壓力。DA604塔的現(xiàn)行操作壓力為110kPa，其塔頂產(chǎn)品為熱流H5，塔底產(chǎn)品為熱流H2。該塔最高操作壓力為230kPa。若將其操作壓力升高至170kPa，其塔頂塔底產(chǎn)品出口溫度將會相應(yīng)的升高。此外將該塔回流比由由4.40微調(diào)至4.53，產(chǎn)品組成不變，且其塔頂冷凝器與塔底再沸器負(fù)荷不變。壓力調(diào)整前后兩產(chǎn)品流股所流經(jīng)的換熱器數(shù)據(jù)如表2所示。

壓力改變后，換熱網(wǎng)絡(luò)中H2和H5的物流溫度及其負(fù)荷也將發(fā)生改變，將會改變復(fù)合曲線、加熱公用工程、冷卻公用工程用量，甚至是夾點(diǎn)位置。基于圖2，可對這兩股物流初始溫度變化時的公用工程變化進(jìn)行定性分析。

塔頂塔底產(chǎn)股物流皆被冷卻，二者皆為熱物流，且其初始溫度對應(yīng)源復(fù)合曲線上一折點(diǎn)。當(dāng)初始溫度發(fā)生改變時，折點(diǎn)位置與部分線段的斜率相應(yīng)改變。同理，由于改變前后冷物流均無變化，所以阱復(fù)合曲線不變。

在圖2中，熱流H5位于夾點(diǎn)之下。調(diào)整壓力后，其初始溫度由140.7℃增大至157.8℃，其負(fù)荷增大1765kW。為清楚分析該流股溫度變化的影響，可從圖2中提取夾點(diǎn)之下包含該流股的部分熱復(fù)合曲線-ABCDEFG進(jìn)行分析，如圖3所示。調(diào)整DA604壓力前，H5的初始溫度對應(yīng)復(fù)合曲線上的B點(diǎn)，該流股僅在B點(diǎn)下方的溫度區(qū)間存在。加壓升溫后，H5始溫對應(yīng)現(xiàn)行負(fù)荷曲線上的B′，因此該流股也將在B′DCB段對應(yīng)的溫度區(qū)間存在，B′、D和C點(diǎn)以及他們之間的點(diǎn)對應(yīng)的焓值都將增大。增大的量—DH，可根據(jù)式(1)計(jì)算。

式中，CpH5為H5的熱容流率，T為所求點(diǎn)的溫度，TA為A點(diǎn)的溫度。因此，BC段、CD段和DB′的斜率都將變小。若取B點(diǎn)位置不變，B′DCB 在H5的始溫改變后將變?yōu)锽′D′C′B。將B′D′C′BA及其下方的源復(fù)合曲線AK向左平移，使得B′與B′重合，此時的復(fù)合曲線B′D′C′A′K′即為H5初始溫度升高后的復(fù)合曲線（注：A′K′未在圖3畫出）。AA′對應(yīng)冷卻公用工程的增大量，為1765kW。

表1　換熱網(wǎng)絡(luò)的物流數(shù)據(jù)

圖2　改變塔DA604壓力前的換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)合曲線

表2　改變壓力至170kPa前后換熱器數(shù)據(jù)對比

圖3　夾點(diǎn)下源復(fù)合曲線變化

圖4　夾點(diǎn)上源復(fù)合曲線變化

在圖2中，熱流H2位于夾點(diǎn)之上。調(diào)整壓力后，其初始溫度將由211.3℃增大至224℃，其負(fù)荷增大1948.5kW。按照與圖3同樣的方法，可分析其溫度升高后熱復(fù)合曲線的變化，如圖4所示。為清楚分析該流股溫度變化的影響，可從圖2中提取夾點(diǎn)之上包含該流股的部分熱復(fù)合曲線——HIJ進(jìn)行分析。調(diào)整DA604壓力前，H2初始溫度對應(yīng)負(fù)荷曲線上的I點(diǎn)，H2僅在I點(diǎn)下方的溫度區(qū)間存在。加壓升溫后，H2始溫對應(yīng)I′，因此該流股也將在IJI′段對應(yīng)的溫度區(qū)間存在，I′和J點(diǎn)、I點(diǎn)之間的點(diǎn)對應(yīng)的焓值都將增大，增大的量?DH可根據(jù)式（1）計(jì)算。因此IJ段和JI′段的斜率都將率變小。取I點(diǎn)位置不變，IJI′在H2的始溫改變后將變?yōu)镮J′I′。由該圖可見，夾點(diǎn)之上的熱流的負(fù)荷將增大I′I′，相應(yīng)的加熱公用工程量也將減少I′I′，減小量為1948.5kW。

將圖3和圖4與圖2耦合，可得塔DA604壓力改變后的負(fù)荷曲線圖，如圖5所示。由圖5可見，提高塔DA604的操作壓力后，冷卻公用工程用量增加為25561.2kW，而加熱公用工程用量則減小至零，夾點(diǎn)溫度不變。圖6對比了 DA604塔壓增大前后的復(fù)合曲線。由該圖和上述分析可見，增加精餾塔塔壓，雖然增大冷卻公用工程用量，但卻可以節(jié)省加熱公用工程。從整體來說，提高DA604的塔壓有利于系統(tǒng)的節(jié)能。

圖5　改變壓力后換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)合曲線

圖6　壓力改變至170kPa前后復(fù)合曲線對比圖

此外，根據(jù)H2和H5改變后的數(shù)據(jù)和夾點(diǎn)原理所作出的復(fù)合曲線圖6與圖5相同。這說明，上述的分析方法可行。因此在選擇精餾塔的操作參數(shù)時，可用上述方法定性分析其影響，從而確定較好的操作參數(shù)、降低系統(tǒng)的能耗。

若將壓力繼續(xù)增大至230kPa，H2流股入口溫度由211.3℃增大至234.7℃，H5流股初始溫度由140.7℃增大至170.7℃，壓力調(diào)整后兩流股所流經(jīng)的換熱器數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　改變壓力至230kPa前后換熱器數(shù)據(jù)對比

圖7　壓力改變至230kPa前后復(fù)合曲線對比圖

如圖7所示，此時，換熱網(wǎng)絡(luò)加熱公用工程用量減小到0，且可在高溫段向外提供6223.9kW熱量，冷卻公用工程用量較壓力改變前增加4964.1kW，較壓力為170kPa時增加3199.1kW，夾點(diǎn)位置不變。

以上兩種情況的分析皆在精餾塔塔頂冷凝器與塔底再沸器負(fù)荷不變的情況下。若塔頂冷凝器和塔底再沸器的復(fù)合改變，則需先根據(jù)上述方法確定夾點(diǎn)，再根據(jù)總復(fù)合曲線確定進(jìn)一步考慮再沸器和冷凝器負(fù)荷和溫位的變化，確定最終的公用工程消耗量。一般情況下，潛熱隨壓力的變化不大，換熱網(wǎng)絡(luò)能量的下降能補(bǔ)償精餾所需有效能的增加，即提高塔壓可以節(jié)能。

3　結(jié)論

本文基于夾點(diǎn)原理、綜合考慮精餾塔的產(chǎn)品變化的影響，對二甲苯分離吸附系統(tǒng)DA604塔壓的變化對系統(tǒng)能耗的影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果如下。

（1）當(dāng)DA604的操作壓力由110kPa增大至170kPa時，該系統(tǒng)的冷卻公用工程增大1765kW，加熱公用工程量減少1948.5kW。從整體來說，提高DA604的塔壓有利于系統(tǒng)的節(jié)能。

（2）壓力由110kPa增大至230kPa，系統(tǒng)冷卻公用工程用量增大4964.1kW；系統(tǒng)加熱公用工程用量減小至0，且可在高溫段向外提供6223.9kW熱量，加熱公用工程用量較壓力170kPa節(jié)省共計(jì)8172.4kW。

（3）由以上兩種情況可得出普遍適用結(jié)論：當(dāng)精餾塔塔頂塔底物流均為源時，塔壓升高，加熱公用工程用量減小，冷卻公用工程用量增加，有利于系統(tǒng)節(jié)能。

（4）可基于復(fù)合曲線和精餾產(chǎn)品流股的溫度變化，分析精餾塔操作參數(shù)的影響，從系統(tǒng)整體優(yōu)化的精餾塔的操作參數(shù)。

本文所分析的案例中，未考慮塔頂冷凝器與塔底再沸器負(fù)荷的變化，在未來的研究中，可以將這二者負(fù)荷變化納入考慮，以得到更加全面的優(yōu)化方法。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李萍，華賁. 過程系統(tǒng)綜合集成優(yōu)化法的研究進(jìn)展[J]. 廣東化工，2005，32（1）：80-83.

[2]王彧斐，馮霄. 換熱網(wǎng)絡(luò)集成與優(yōu)化研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2014（3）：271-280.

[3]GAO X X，MA Z F，YANGL M，et al. Simulation and optimization of distillation process for separating the methanol-chlorobenzene mixture with separate heat-pump distillation[J]. Ind. Eng. Chem. Res.，2013，52（33）：11695-11701.

[4]GAO X X，CHEN J，MA Z F，et al. Application of three-vapor recompression heat-pump concepts to dimethylformamide-water distillation column for energy saving[J]. Energy Tech.，2014，2（3）：250-256.

[5]HILDE K E，SIGURD S. Selecting appropriate control variables for a heat integrated distillation system with prefractionator[J]. Comput. Chem. Eng.，2004，28：683-691.

[6]GAO X X，CHEN J，MA Z F，et al. Simulation and optimization of distillation processes for separating a close-boiling mixture of n-butanol/isobutanol[J]. Ind. Eng. Chem. Res.，2014，53（37）：14440-14445.

[7]JANA A K. Heat integration operation[J]. Appl. Energy，2010，87 （5）：1477-1494.

[8]ENGELIEN H K，Skogestad S. Selecting appropriate control variables for aheat-integrated distillation system with prefractionator [J]. Comp. Chem. Eng.，2004，28（5）：683-691.

[9]LEMME S J，GIVEN W R. Flow through catalytic converters——an analytical and experimental treatment[J]. SAE Paper，1974，2 （1）：216-230.

[10]ENGELIEN H K，SKOGESTAD S. Selecting appropriate control variables for a heat-integrated distillation system with prefractionator[J]. Comp. Chem. Eng.，2004，28（5）：683-691.

[11]KANSHA Y，TSURU N，SATO K，et al. A. self-heat recuperation technology for energy saving in chemical processes[J]. Ind. Eng. Chem. Res.，2009，48：7682-7686.

[12]ALASFOUR F N，ABDULRAHIM H K. The effects of stage temperature drop on MVC thermal performance[J]. Desalination，2011，265：213-221.

[13]FONYO Z，MIZSEY P. Economic application of heat pumps in integrated distillation systems[J]. Heat Recovery Systems and CHP，1994，14（3）：249-263.

[14]CHEN K，WANG S J，WONG D S H. Steady-state design of thermally coupled reactive distillation process for the synthesis of diphenyl carbonate[J]. Comput. Chem. Eng.，2013，52：262-271.

[15]SCHEFFLER T B，LEAO A J. Fabrication of polymer film heat transfer elements for energy efficient multi-effect distillation[J]. Desalination，2009，222（1-3）：696-710.

Distillation parameters optimization based on heat exchanger network integration of xylene separation process

ZHANG Di，LIU Guilian
（School of Chemical Engineering and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）

Abstract：Distillation is an important energy-consuming device of chemical process. Temperature variation of its products affects integration of heat exchange network. For the xylene separation process，the effect of distillation column’s operating pressure was studied in this work. When the pressure of column DA604 increased to 170kPa and 230kPa，respectively，the composite curve was constructed and used to analyze variation of the pinch and minimum utility consumption. When the pressure increased from 110kPa to 170kPa，the pinch kept unchanged; heating utility decreased by 1948.5kW，while cooling utility increased by 1765.0kW. When the pressure increased from 110kPa to 230kPa，coolinging utility increased by 4964.1kW，while heating utility decreased by 8172.4kW. Namely，the heat demands can be saved and recovered heat by 6223.9kW. The results were the same with those calculated by the pinch analysis method. So when increasing the pressure of a distillation column whose top and bottom products are both sources，heating utility will decrease while cooling utility will increase. It is beneficial for energy saving of the system.

Key words：distillation；heat exchange network；integration；pinch

中圖分類號：TQ 021.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–1062–06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.015

收稿日期：2015-09-01；修改稿日期：2015-09-21。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21476180）。