反应--分离系统能量集成的研究
在多组分精馏系统中，能耗占很大的比重，尤其是低温精馏，通常能耗占整个分离成本的50％-70％。因此节能的方法除了设计合理的精馏操作温度和压力以外，还应该考虑到精馏塔的冷凝器、再沸器与换热网络的匹配问题。在实际的化工生产过程中，预先确定了生产工艺条件，一部分物流需要被加热到一定温度，而另一部分物流则需要被冷却到一定温度。因此，如何有效地合理地组织这些冷、热物流以及这些冷、热物流的交换问题，就成了提高整个工艺流程及设备的关键问题。
反应过程和分离过程是化工装置的核心，其结构的优劣直接影响了整个装置的合理性和先进性。因此探讨反应-分离系统能量集成问题的理论和方法具有重要意义。放热反应的反应-分离系统可通过工艺设计实现能量集成的效果。本文对反应-分离系统工艺参数之间的相互影响进行研究。根据反应-分离过程的耦合性和能量匹配规律，以T-H图为基础，提出了一种反应-分离系统逐步优化的能量集成策略。利用Aspen Plus软件，以连续反应合成乙二醇丁醚醋酸酯和乙二醇乙醚醋酸酯的工艺流程为例，考察了该策略的实用性。具体内容如下：
(1)利用Aspen Plus软件，对连续反应生产乙二醇丁醚醋酸酯以及乙二醇乙醚醋酸酯的的工艺流程进行设计，物性方法选择NRTL方程，建立了乙二醇丁醚醋酸酯和乙二醇乙醚醋酸酯的生产工艺流程。并且利用DSTWU模块计算反应的理论板数、最小回流比，确定各个精馏塔的实际塔板数和回流比。为后续的模拟操作参数的初步设定奠定了基础。
(2)以T-H图为基础，不断调整冷热物流参数及操作条件，优化换热网络，提出了反应-分离系统能量集成的逐步优化策略以实现精馏塔与换热网络的热集成的目的。该策略分为以下三个步骤：
ⅰ.构造系统冷、热物流组合曲线及系统总组合曲线。根据给定的条件，在Aspen Plus的模拟下初步设定体系的操作参数，计算后在T-H图上标绘各物流，构造冷、热物流的组合曲线及总组合曲线。
ⅱ.系统能量集成分析。调整组合曲线的位置，提高热物流曲线的高温段温度，或者降低冷物流曲线的低温段温度，使冷、热物流曲线具有更好的匹配性，以减少额外添加的冷、热公用工程能耗。
ⅲ.工艺条件优化。根据调整后的温度重新设计过程的操作压力。由反应-分离系统各个工艺参数之间的联系，不断调整工艺参数，以达到能量集成的目的。重复上述步骤直至系统的公用工程能耗不再减小，则该操作条件为系统最优的操作参数。
(3)分别以乙二醇丁醚醋酸酯和乙二醇乙醚醋酸酯的的反应-分离过程为例，考察了反应-分离系统逐步优化的能量集成策略的实用性。通过Aspen Plus的模拟计算确定了初步的操作参数，并考察了反应进料摩尔配比和反应转化率对系统总的热负荷的影响，确定了当反应进料的醇酸摩尔配比为1:1，转化率为90％时，系统总的热负荷能耗为最小。利用模拟出的数据，构建出系统的冷、热物流组合曲线及系统总组合曲线。利用逐步优化能量集成的三步策略，对系统的总组合曲线进行分析，以分离塔的操作压力为变量，考察了不同操作压力对系统的冷、热公用工程的影响。分别得出了使系统总的公用工程负荷最少的最优操作参数。通过工艺条件的调整，乙二醇丁醚醋酸酯生产工艺总的公用工程能耗由156.3kW降低至101.4kW,系统额外添加的公用工程能耗减少了三分之一以上，而乙二醇乙醚醋酸酯的生产工艺总的公用工程能耗也由102.7kW降低至94.5kW。验证了本文提出的逐步优化的能量集成策略是非常有效的。提高了全系统的能量利用效率，达到了系统精馏塔与换热网络能力集成的目的。证明了用本文所提出的反应-分离系统逐步优化的能量集成策略，来解决反应-分离系统能量集成问题，是非常有效的。对复杂反应-分离系统的能量集成提供了一种较为有效的研究策略。
中国海洋大学
硕士
化学工程
胡仰栋
2010
中文
TQ028.13;TQ083.4
2011-06-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）