隔壁塔优化跨壁传热过程的节能机理和动态行为研究

Distillation with dividing wall column (DWC) is a potential technology to solve the distillation problems of high energy consumption and low thermodynamic efficiency in chemical industry. So far the theoretical researches and process designs of DWC are based on the fully thermally coupled distillation column, in other words, the cross-wall heat transfer of DWC is neglected. This leads to the deviation between the simulation and the actual process of DWC, and brings the difficulties to designing, optimization, operation and controlling. More importantly, after extensive study by project team, the effect of energy saving is satisfactory under optimizing cross-wall heat transfer conditions in DWC. This project focuses on the cross-wall heat transfer of DWC to minimum energy consumption, the area of cross-wall heat transfer will be optimized, cross-wall heat transfer model, strict steady-state model and dynamic model will be established. These will reveal the effect of the cross-wall heat transfer on mass transfer and energy consumption in DWC. A dividing wall column of optimal heat transfer will be designed and established, all the models in this project will be revised and control scheme will be obtained by experiments. Through the studies in this project, it can be provided a new direction to optimization design and the theoretical basis for energy saving of DWC.

隔壁塔（DWC）技术是解决化工领域中精馏过程能耗高，热力学效率低等问题的极具潜力的技术手段，目前隔壁塔理论研究和过程设计是建立在完全热耦合精馏塔基础上的，即忽略隔壁塔的跨壁传热，这使隔壁塔的稳态模型和动态模型与实际过程存在一定的偏差，给设计优化和操作调控带来了困难。更重要的是，经过项目组的前期研究发现，如能将隔壁塔跨壁传热过程进行优化，将有效地提高隔壁塔的节能效果。本项目以隔壁塔跨壁传热过程为研究重点，以隔壁塔精馏节能效果最大化为目标，建立隔壁塔跨壁传热模型、优化隔壁传热面积，并在此基础上建立过程严格稳态计算模型和动态模型，揭示跨壁传热对隔壁塔传质和能耗的影响；通过建立优化跨壁传热的不锈钢实验隔壁塔，研究跨壁传热对操作参数的影响，修正模型并获得操控方案，为隔壁塔过程优化设计提供新的方向，为隔壁塔节能效果的提高提供理论基础。

隔壁塔（DWC）技术是解决化工领域中精馏过程能耗高，热力学效率低等问题的极具潜力的技术手段，研究表明相比于常规精馏序列，隔壁塔可节约能耗10%-60%，节省设备投资10%-50%。目前隔壁塔的理论研究和过程设计多建立在完全热耦合精馏塔的基础上，即忽略隔壁塔的隔板两侧传热过程，这使得隔壁塔的模型与实际过程存在一定偏差，给设计优化和操作调控带来困难。.本项目将具有不同隔板两侧传热过程的隔壁塔模型作为研究对象，利用模拟和实验手段建立、验证并修正模型，分析隔板两侧传热过程的热耦合效应、传热优化过程的算法与节能机理，进一步挖掘隔壁塔的节能潜力。.首先研究了隔壁塔简捷计算模型以及以此为基础进行的隔壁塔严格模拟设计。然后利用化工过程模拟和实验数据建立、验证并修正跨壁绝热隔壁塔模型和跨壁完全传热隔壁塔模型，分别考察多因素交互作用对模型的影响，研究发现：隔板两侧传热过程对隔壁塔分离效果及能耗存在影响；以最佳操作区域作为限制约束条件，分析并筛选适合于搜索最佳工艺参数的模型-优化算法组合，研究发现：采用响应面模型-偏导寻优法组合（RSM-PD）和克里金模型-多岛遗传算法组合（Kriging-MIGA）搜索所得的最佳工艺条件作为模拟输入条件得到的测温点温度和能耗的模拟值与其作为实验条件测得的实验值均具有良好的吻合度，RSM-PD和Kriging-MIGA对跨壁绝热隔壁塔模型和跨壁完全传热隔壁塔模型的寻优均具有适应性。同时在跨壁绝热和跨壁完全传热隔壁塔模型的基础上，研究了隔板两侧的热耦合效应、最佳传热位置的分析方法、传热量算法以及传热优化过程的节能机理，分析隔板两侧不同传热过程对有效能损失、能耗和最佳操作区域的影响，研究发现：隔板两侧传热优化过程可使隔壁塔的有效能损失和能耗下降、最佳操作区域扩大，气、液分配比在一定范围内的波动对实现隔壁塔最低能耗的影响程度降低，隔板两侧传热优化过程的节能机理为隔壁塔再节能提供一种改造隔板材料以及量化扩大有益传热区域面积的设计方向。