基于热力学原理的复杂体系工艺过程强化机理及流程优化研究

不断提高过程工业物料和能量利用效率是社会可持续发展和企业节能减排增效的迫切需要。本课题研究复杂体系在工艺过程强化中的热力学特性，从热力学角度揭示工艺过程强化机理，进而优化流程安排和操作参数，降低工艺总用能，从源头实现节能降耗，为复杂化工过程系统集成和优化提供理论基础和技术支持。.课题研究反应和分离等核心工艺过程强化突破化学反应平衡和分离过程热力学限制的理论基础，基于热力学原理分析在不同压力条件下复杂体系中组分对化学平衡、非均相共沸物沸点和组成的影响，指出影响过程复杂性的关键组分；借助相平衡理论研究非均相共沸物组成对分离过程的影响，指出影响非均相共沸物分离的关键物质。通过改进操作参数和物料回收流程安排，耦合优化体系关键组分浓度和共沸物关键物质浓度，强化分离过程，实现热力学互补性的反应-分离-循环工艺过程强化及流程优化，解决当前工艺过程强化流程中高纯度产品分离过程复杂和能耗高的问题。

能源和环境是当前社会与经济可持续发展的两个重要方面，提高高耗能工业和过程的物质和能量利用效率是可持续发展和企业节能减排增效的迫切需要。本课题以高耗能化工过程及过程工业作为研究对象，通过三年的持续努力，在工艺过程强化及系统集成方面取得了以下两个主要研究成果。.第一，酯化体系反应分离工艺过程强化。酯化反应生产乙酸乙酯涉及的多元体系属于非理想体系，从能量工艺利用的本质分析乙酸酯生产工艺高物耗、高能耗的因素，指出反应蒸馏塔顶回流除实现分离的功能以外，还有部分回流是扮演夹带剂的作用，目的是移除塔中过剩的水分，这部分回流不随塔板数增加而减少。采用相平衡实验和计算相结合的方法，建立了一套NRTL-HOC模型参数，能够准确预测酯化体系的热力学性质。在此基础上，针对酯化过程用能瓶颈，提出带有中段抽出的夹带剂带水（酯）强化酯化生产工艺流程，借助流程模拟软件Aspen Plus，建立全流程模拟计算模型，并构建了以全年总费用（Total Annual Cost, TAC）为目标函数的优化模型，对精馏段塔板数、反应段塔板数、侧线抽出位置、侧线抽出流量、侧线水相回流流量，塔顶有机相回流量等关键工艺参数进行优化，实现工艺过程总节能效果32.38%。.第二，过程(装置)间集成。在工艺过程优化的基础上，如何实现过程(装置)间能量集成，充分利用系统内热源热阱，脱除系统用能瓶颈，提高能量利用效率就显得尤为重要。课题从系统宏观层面研究过程(装置)间的热集成，利用过程(装置)间的物料流连接关系，对系统进行热集成，提出在T~Q图上构建涉及热进出料物流的温焓线和工艺装置的总组合曲线，并通过反转和平移热进出料物流的温焓线确定最高的热出料温度，从而达到系统的冷热公用工程最小化的目的。在优化过程(装置)间热进出料温度的基础上，集成考虑过程系统的蒸汽平衡，针对不同压力等级的蒸汽，研发了协调过程(装置)间热进出料温度和生产蒸汽的准则，并在T~Q图上构建涉及热进出料物流的温焓线、工艺装置的总组合曲线和生产蒸汽的温焓线，通过热进出料物流温焓线的变换确定各工艺过程(装置)在热进出料的条件下合理的蒸汽产量和等级，开发了集成热进出料、蒸汽平衡和公用工程需求的数学规划模型，指导工艺过程(装置)设计。