恒沸精馏塔序的热集成

恒沸精馏塔序的热集成

刘桂莲?季冠军吴博冯霄

（西安交通大学化学工程系，西安， 710049）

摘要：在恒沸精馏塔序中，改变压力可使热集成成为可能，但也会影响恒沸点的组成，甚至会使新的恒沸点出现，从而影响精馏塔序的分离效果。这篇文章对一个分离丙酮-氯仿-苯-甲苯四组分恒沸混合物的塔序提出了热集成的方案。在该集成方案中，有两处热集成，一处不需要改变塔的操作压力，另一处则需要提高塔的操作压力。此外，这篇文章还用ASPEN PLUS对集成前和集成后的塔序进行了模拟分析。结果表明，集成后，精馏塔序的加热公用工程和冷却公用工程的消耗量分别减少31.6%和25.3%。

关键词：恒沸精馏；塔序；热集成

The Heat Integration of Azeotropic Distillation Sequences

LIU Guilian, JI Guanjun, WU Bo, FENG Xiao

(Department of Chemical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China) Abstract:In the heat integration of azeotropic distillation sequences, the effect of the pressure change to the separation should be considered. The reason is that the pressure change will affect the azeotropic composition, even cause the new azeotrope appear. For a four column distillation sequence, which is used for separating a quaternary azeotropic mixture (acetone-chloroform-benzene-toluene), the integrated flowsheet with two integration arrangements is proposed. One arrangement need to change the pressure, while the other does not. Furthermore, the sequence before and after the integration are both simulated using Aspen Plus. The result shows that, after the integration, the consumption of the heating utility and the cooling utility will reduce 31.6% and 25.3%, respectively.

Keywords: azeotropic distillation; distillation sequence; heat integration

能源危机和能源价格的不断上涨，使能量利用的有效性成为评定工艺先进性的一个重要指标。精馏是石油化工等过程工业应用最广的分离操作。分离过程的能耗约占整个化学工业用能的40%，而其中95%是蒸馏过程消耗的。因此，精馏过程的节能具有重要意义。热集成是精馏塔序节能的一种有效方法。在精馏塔序中，使一个塔的塔顶物流和另一个塔的塔底物流换热，可以实现塔与塔之间的热集成，节约能量[1, 2]。热集成的实现通常需要改变一个或几个塔的操作压力。

根据被分离混合物的性质，精馏分为恒沸精馏和非恒沸精馏。目前，对非恒沸精馏塔序的热集成研究较多，但关恒沸精馏系统热集成的研究较少。恒沸精馏塔序热集成的

国家自然科学基金项目（20546005 和20436040）

Fig. 1 The Heat Integration of distillation sequence

研究难点在于，恒沸点的组成会随压力的变化而变化。因而在恒沸精馏塔序的热集成中，改变压力可能会对影响分离的效果。

本文将对恒沸精馏塔序的热集成进行研究，分析压力变化对恒沸系统的影响和热集成的可行性，并通过Aspen Plus 模拟分析四组分恒沸精馏塔序。

1 基本原理

1.1 恒沸系统的特点

在恒沸混合物中，恒沸点组分的相对挥发度以及组分的挥发度顺序随着混合物组成的变化而变化。在恒沸点，平衡的汽液相组成相同，恒沸点组分的相对挥发度相等。恒沸混

合物的特性常用剩余曲线图来描述

[3- 5]。一个剩余曲线图是由一组剩余曲线组成的，每一条剩余曲线代表填料塔在全回流时的液相组成变化[5, 6]。在剩余曲线图中，所有的纯组分和共沸点都定义为奇异点[3]。本文根据传统用数字代表奇异点；代表奇异点的数字越大，表示奇异点的沸点越高[3-7]。 1.2 塔系的热集成

精馏塔系的热集成可以明显降低运行费用。改变塔的压力是一种有效热集成方法。塔压提高后，将产生以下效果[1, 2]：(1) 相对挥发度将降低，使分离变得更困难，因此需要更多的塔板或较大的回流比；(2) 蒸发潜热将降低，再沸器和冷凝器负荷降低；(3) 蒸汽密度增加，塔径可以减小；(4) 再沸器温度提高；(5)冷凝器温度升高。若降低塔压，则要避免：(1) 真空运行；(2) 冷凝器中使用冷剂。

对图1（a ）所示系统，

由于B 塔再沸器温度

高于A 塔冷凝器温度，而B 塔冷凝器温度又低于C 塔再沸器温度，不能直接进行热集成。图1（b ）为采用改变塔压进行

热集成，提高A 塔压

力，降低C 塔压力，

使得A 塔的冷凝过程

为B 塔提供一部分再沸热，同时B 塔的冷凝过程为C 塔提供再沸热，实现了三个塔的热

集成。

改变塔压并不是塔系热集成的唯一方法。采用中间再沸器、中间冷凝器或几种方法结合也可以实现塔系的热集成[1, 2]。在塔系之间实现热集成，尽量用一些塔的冷凝热作为另一些塔的再沸热源，可大大减少公用工程消耗。

2 恒沸精馏塔序的热集成

恒沸精馏塔序也可以通过回收塔顶产品的热量来实现热集成。在一个精馏塔序中，如果精馏塔C1顶的产品（热流）温度大于精馏塔C2底需要被加热物流（冷流）的温度，且二者之间的温差足够大，该热流就可以作为热源直接加热精馏塔C2底冷物流，以实现

(a )原设计 （b ）改变塔压实现塔系热集成 图1 塔系的热集成

Fig. 2 The composition space of a four-component azeotropic

system at 1at m

Fig. 3 Distillation sequence

两个精馏塔的热集成[1]。

通常，精馏塔C1顶的产品（热流）温度低于或接近于精馏塔C2底需要被加热物流（冷流）的温度，不能直接进行精馏塔的热集成。但为了通过热集成达到节能的目的，常通过改变塔的操作压力来改变精馏塔顶冷凝器和塔底再沸器的温度。这种方法在非恒沸混合物的精馏中广泛应用。

对于分离恒沸混合物的精馏塔序来说，改变塔的操作压力除了会影响塔的操作温度外，还会影响恒沸点的组成，甚至会使恒沸点消失或新的恒沸点出现，并进而影响塔序的分离效果。因此进行恒沸精馏塔序的热集成，除了分析压力对精馏塔操作温度的影响外，还要分析压力对恒沸精馏系统的影响。

下面将以一个四组分恒沸精馏塔序为例，对该塔序的热集成情况进行分析。

3 分离丙酮-氯仿-苯-甲苯混合物的塔序热集成

在丙酮-氯仿-苯-甲苯四组分恒沸混合物中，丙酮和氯仿生成最大共沸点。这种混合物的组成空间如图2所示。

对摩尔组成为(丙酮：0.26，氯仿：0.32，苯 ：0.21，甲苯 ：0.21）的原料，可用图3所示的塔序分离[8, 9]。用Aspen Plus [10]模拟该塔序所得的结果见表1(模拟时，取各塔的操作压力均为1atm)。由该表可见，该塔序可以把混合物分离成接近于纯组分的产品。由表1中各再沸器和冷凝器的温度可知，塔C4的冷凝器温度高于塔C1和 C3的再沸器温度，因此有集成的可能。但是，因塔C4的冷凝器温度只比塔C1的再沸器温度高3℃，如果集成，传热温差太小。因此，这两个塔不能直接进行热集成。而塔C4的冷凝器温度比塔C3的再沸器温度高14.8℃，可以直接集成。这样可以节约加热公用工程和冷却公用工程7.13kW 。要节约更多的能量，需改变精馏塔C1或C2的操作压力。

5 4

2 1

3 苯 氯仿

丙酮

甲苯

恒沸点

?

图2 四组分系统在1atm 时的组成空间 图3 精馏塔序

Fig. 4 The integrated flowsheet of the sequence shown in Fig. 3

用Aspen Plus 模拟该混合物系在不同压力下恒沸点的组成情况，结果表明，随着压力的升高，各组分的沸点随之升高。1～3atm 时，每升高1atm ，各组分沸点大约升高20℃；3～6atm 时，每升高1atm ，各组分沸点大约升高10℃。同时，随着压力的升高，恒沸点组成中丙酮的含量逐渐减少，氯仿的含量逐渐增加。虽然恒沸点的组成有所变化，但整个恒沸系统并没有其它恒沸点的出现。

表1 图3所示塔序中各塔的操作参数以及产品组成

Table 1 The operating parameters and product compositions of each column shown in Fig. 3

C1 (1/3-4-5) C2 2-3/4-5) C3 (2/3) C4 (4/5) x F x D x B 0.26/0.32/0.21/0.21 0.93/0.04/0.03/0 0.09/0.39/0.26/0.26

0.09/0.39/0.26/0.26 0.16/0.83/0.01/0 0/0.02/0.48/0.50

0.16/0.83/0.01/0

0/1/0/0

0.31/0.67/0.02/0

0/0.02/0.48/0.50 0/0.02/0.98/0 0/0/0/1.0

温度，℃ 负荷，kW 温度，℃ 负荷，kW 温度，℃ 负荷，kW 温度，℃ 负荷，kW 冷凝器 58.87 12.94 64.59 13.02 63.02 10.62 79.93 7.13 再沸器

76.43

3.93

91.97

13.23

65.16

10.62

112.33

7.21

由表1可见，塔C2的冷凝器温度低于塔C1的再沸器温度，温差约为12℃。若提高

塔C2的压力至2atm ，根据上述的分析可知，C2塔顶的温度可升高约20℃，这样就可以与塔C1进行集成。但C1的再沸器热负荷相对较小，集成后节约的能量也相对较小。模拟表明当塔C2的操作压力由1atm 升高至2atm 时，恒沸点的组成变化很小：在1atm 时，其组成为（丙酮：0.34，氯仿：0.66），2atm 时，其组成为（丙酮：0.31，氯仿：0.69）。因此不会对产品组成造成很大的影响。且通过适量调节回流比，可以调节产品的组成。

表2 塔C2操作压力升为2atm 时的操作参数表

Table 2 The operating parameters when the operating pressure of C2 increased to 2atm

塔序 T D (℃) T B (℃) R 塔顶热负荷（KW ） 塔釜热负荷(KW) 58.87 76.43 6.3 12.94 3.93 86.88 117.67 3.1 12.46 12.71 62.91 65.10 7.26 10.62 10.62 C1 C2 C3 C4 79.95 112.32 2.96 7.13 7.21

当塔C2的操作压力提高至2atm 时，各塔的操作参数见表2。由该表可见，塔C1和C2可以实现热集成，集成后可使加热公用工程和冷却公用工程均节约3.93kW 。图4示出了塔C1和C2集成、塔C3和C4集成时的流程图，集成后共节约加热公用工程11.06kW ，占现行加热公用工程的31.6％，同时节约冷却公用工程11.06kW ，占现行冷却公用工程的25.3％。

操作压力均为1atm 时，塔C1的冷凝器温度低于塔C2的再沸器温度，温差约为33.1℃。若提高塔C1的压力至4atm ，根据上述的分析可知，C1塔顶的温度可升高约50℃，这样就可以与塔C2进行集成。这两个塔的集成可使加热公用工程和冷却公用工程的消耗量均节约约13kW ，但塔C1的操作压力

图4 图3所示塔序集成后的流程图

较高。本文未考虑这种情况。

4 结论

在恒沸精馏塔序的热集成中，改变压力会影响恒沸点的组成，甚至会使恒沸点出现或消失。因此，应对压力的影响进行分析。本文对一分离四组分恒沸混合物的塔序提出了热集成的改造方案：在组成该塔序的四个精馏塔中，有两处热集成，一处不需要改变塔的操作压力，另一处则需要提高塔的操作压力。此外，本文还用ASPEN PLUS对集成前后的塔序进行了模拟计算。结果表明，集成前塔序分别需要加热公用工程和冷却公用工程34.99kW和43.71kW，集成后，加热公用工程和冷却公用工程的量均减少11.06kW，占现行加热公用工程的31.6％，占现行冷却公用工程的25.3％。

参考文献

[1]冯霄，李勤凌. 化工节能原理与技术[M]. 北京：化学工业出版社，1998.

[2]Smith R. Chemical Process Design [M]. Beijing：McGraw-Hill book Co., 1995.

[3]Doherty M F, Perkins J D. On the dynamics of distillation process ? III. The topological structure of ternary residue curve maps [J]. Chem. Eng. Sci., 1979, 34: 1401-1414.

[4]Schreinemakers F A H, Dampfdrucke im system: wasser, aceton und phonel [J]. Z. Phys. Chem., 1901, 39: 440.

[5]Castillo F J L. Synthesis of homogeneous azeotropic distillation sequences. PhD Thesis, Manchester: UMIST, 1997,

[6]Van Dongen DB, Doherty M F. Design and synthesis of homogeneous azeotropic distillations. 1. Problem formulation for a single column [J]. Ind. Eng. Chem. Fundam.,1985, 24: 454-463.

[7]Doherty M F, Caldarola G A. Design and synthesis of homogeneous azeotropic distillations. 3. The sequencing of columns for azeotropic and extractive distillation [J], Ind. Eng. Chem. Fundam.,1985, 24: 474-485.

[8] L iu G. Synthesis of multicomponent azeotropic distillation sequences. PhD thesis, Manchester: UMIST, 2003.

[9]Thong D Y-C., Jobson M. Multicomponent homogeneous azeotropic distillation. 3. Column sequence synthesis [J]. Chem. Eng. Sci. 2001, 56: 4417-4432.

[10]Aspen Tech. Aspen Plus. Release 10.2.1. USA: Cambridge, MA, 2001.

作者简介：刘桂莲（1974年11月生），博士，讲师，毕业于英国曼彻斯特理工大学（UMIST），主要研究过程集成、恒沸精馏。TEL: 029-********, E-mail: guilianliui@https://www.wendangku.net/doc/a515429336.html,