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1、. . .乙醇精馏塔的优化设计毕业论文摘要：本文在查阅大量文献资料的基础上，针对乙醇精馏塔的优化设计问题，通过分析它的发展历史、现状及其前人的研究成果等提出自己的研究方案，从而为保证年总费用的耗费最低提供方向。关键词：乙醇，精馏塔，优化设计1 前言精馏是分离液体混合物(含可液化的气体混合物) 最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用1。精馏是消耗能源最多、要求最严又最难控制的单元操作，它关系到产品的质量，能源消耗，环境保护等问题。而精馏塔是精馏工段的关键设备，对生产的质量和产量的稳定性起着决定的作用，精馏塔可以将乙醇组分与水和重组分分离，得到精乙醇产品；还可以将水分离出
2、来，并尽量降低其他有机杂质的含量，排出系统之外，因此精馏塔操作的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益2。近年来，最优化技术是一门发展很快的新兴的应用性很强的技术，它是研究在一定条件下如何用最小的代价获得最佳的效果。随着计算机技术的迅猛发展，最优化技术在实际生产中的应用越来越广泛，越来越多的工程设计问题通过适当的数学方法处理，经由计算机的计算得到最优设计的效果，所以精馏塔的优化设计对降低能耗，节省投资具有重要的意义。2 本课题相关领域的历史、现状和前沿发展情况2.1 精馏塔设备的发展史精馏塔的发展可以归纳为以下几个阶段3：(1) 20世纪20至50年代，塔设计处于简单的平衡量、塔板效率、传质系数
3、、液泛等概念和简单设计的水平，此时尽管乱堆填料也在小型塔设备中应用，但泡罩塔板是工业应用无可比拟的塔件，在当时被认为是不可替代的。(2) 50年代至70年代，由于塔设备巨大的工业应用市场和开发潜力，在50年代，在发达国家，精馏塔件的研究发展到一个全新、大规模、集团化的研究阶段。1951年Koch公司的Nutter率先发明了浮阀塔板的概念，浮阀塔板以比泡罩塔板更低的压降、更高的操作效率、更大的处理能力、更大的操作弹性、极低的液面落差和低造价适用于脏、粘体系等强大的生命力成为塔体主流，很快替代了泡罩塔板，标志着一个新时代的开始，直到今天它仍是工业应用主流。60年代，板式塔另一个标志性的技术进步是大
4、孔筛板的研究与应用。大孔筛板的广泛应用也标志着塔设备操作控制技术，可靠精馏工艺模拟和塔设备设计技术的发展尤其是计算机在线控制技术为生产控制带来了革命性地变化。(3) 自70年代以来，在精馏过程中，填料塔作为一种传质和传热设备，至今己发展成为典型的、十分重要的单元设备。尤其是进入80年代以后，以“规整填料和塔构件”为主要技术代表的新型填料塔在精馏过程中的分离技术在国受到普遍重视，因此对填料塔的开发应用进入了一个新的历史时期。(4) 80、90年代后期，填料继续广泛应用于精馏减压塔，并出现了某些常压塔和加压塔塔生产的增效、增能中获得一定的效果报导的实例。新型、高效、大处理能力板式塔的不断开发和研究
5、，并在工业应用中获得成功。2.2 精馏塔的发展现状2.2.1 精馏技术的发展现状精馏是在气液两相逐级流动和接触时进行穿越界面的质量和热量传递, 并实现混合物分离纯化的化工单元操作过程4-5。作为当代工业应用最广的分离技术, 目前已具有相当成熟的工程设计经验与一定的基础理论研究, 并发展出了以精馏为基础的许多新型复合传质分离技术。随着石油化工、化学工业、环境化工等领域的不断发展和兴起, 使得精馏分离过程的大处理量、连续化操作优势得以充分发挥, 但是作为高能耗的分离过程, 在大型工业化生产过程中无法避免地遇到产品的高纯度与高能耗的矛盾。所以在产品达到高纯分离的同时又能减低能耗就成为精馏学科和工程研
6、究开发的主要目标。精馏分离技术较早已经成功应用于实际工业生产, 精馏学科的发展也具有相当的基础。精馏传质分离过程具有极高的复杂性, 它涉及塔板(或填料表面) 上气液两相流动的相互影响、气泡表面流型结构的转化、穿越气液界面的质量和热量传递之间的相互耦合6-7、气泡的聚并和分裂与塔板流动、气泡表面流型的变化以及界面传质和传热等的密切关联等, 但是, 至今关于气液两相界面相变传质和传热及气泡群传质动力学规律仍处于宏观的和热力学平平上的研究,尚未发展出能够比较准确表示过程传递的理论预测方法。所以从总体上看精馏目前仍然处于半经验阶段8。2.2.2 精馏塔设计的发展现状精馏塔设计通常根据生产任务来确定塔型
7、、产品纯度或回收率以及回流比。能否实现精馏系统的优化设计，最关键问题即为回流比参数的选择。传统方法根据经验在适宜围选取回流比参数(操作回流比为最小回流比的1.12倍) 9。近些年来，由于考虑回流比R与能耗的关系10，回流比R的取值趋向小一些即回流比R= (1 .1 -1. 15) Rmin。 现阶段已开发出了最优化设计的软件，它是以建立以年总费用(J，适用于连续精馏)或年总利润(G，适用于间歇精馏)为目标函数的优化设计模型。采用不同的优化方法来确定精馏系统最优的回流比、理论塔板数、加热蒸汽温度和冷却水出口温度等参数11。 目前比较先进的精馏塔优化设计做法是：在建立费用的连续精馏系统优化设计的模
8、型时，根据系统分解、协调理论，用二等级分解法将系统主要分解成单变量的子系统(即年总费用为回流比R的函数)，因此可以采用单变量的优化方法(如黄金分割法、菲波那契法、抛物线法、立方近似法等)进行求解 12。此精馏过程涉及到最小回流比的计算、相平衡关系的表示以及塔板数的计算，再结合最优化方法进行最优参数的求解13。其算法程序框图如下：图1 算法程序框图2.3 精馏技术前沿发展方向根据精馏的特点和研究现状, 深化精馏研究必须突破传统研究方法, 在研究思维、分析问题方式上开辟新思路, 吸收其他学科的最新研究成果。因此进行精馏过程研究的关键包括：(1) 研究深度由宏观平均向微观、由整体平均向局部瞬时发展。
9、由于多相流的复杂结构，对整体平均量的研究并不能从根本上揭示过程机理和描述过程动态变化规律，因此局部和瞬时结构参数及其变化规律的研究逐步引起了人们的重视。 (2) 研究目标由现象描述向过程机理转移。表观现象的描述不足以分析过程的本质特征, 因此精馏过程的研究目标已经逐渐由现象描述转向对过程机理的认识, 由此通过认识过程机理实现有预见的新设备开发, 并应用于新的工程领域。(3) 研究手段逐步高技术化。计算技术、光纤技术、激光、超声波、电子等新技术的发展, 为精馏研究提供了先进的测试手段和分析方法, 使深入了解蒸馏过程中的传递动态属性和界面的非平衡特征成为可能。(4) 研究方法由传统理论向多学科交叉
10、方面开拓。近年来, 统计理论、分形理论、耗散结构理论、表面物理化学等均在各自的领域中取得了重大的成就, 同时学科之间的交叉更加频繁, 交叉力度愈加提高14。所以如果我们对精馏过程的传质动力学实质进行深入了解。3 前人的研究结果及分析(1) 最佳回流比的选择在精馏塔的设计中，通常根据生产任务来确定塔型、产品纯度或回收率以及回流比。传统方法是根据经验在适宜围选取回流比参数(操作回流比为最小回流比的1.1-2倍)。由于回流比对精馏系统的设备投资费及操作费有显著的影响，若选择不当，可能使投资费用、操作费用增加。我们知道用经验法选取参数时会存在一定的误差，且这种经验设计法难免会造成设备投资和能量的无谓浪
11、费。为了避免选取时的微小误差造成结果的重大偏差，我们应该寻求一种新的方法来解决这一问题。因此，现阶段的精馏塔课程设计中权衡了设备投资费和蒸汽、冷却水等操作费用，使其年总费用最小，达到了优化设计的目的15。由于优化设计无法采用手工计算，需提供一个有效的设计手段，即本次设计使用的用计算机编程进行精馏塔的优化设计。(2) 全塔理论板数的计算全塔理论板数的计算，前人主要使用的是简捷法和作图法，但这两种方法计算乙醇水系统的理论板层数误差都很大，现在普遍使用的逐板计算法虽然比前两种方法都精确，但由于所算理论板数较多，在手算中一般用两点直线插值反复计算，而且有效数字位数较少会引起积累误差的增大，耗时费力，过
12、程繁杂。随着科学技术的发展，设计中广泛采用的计算机编程优化设计，对理论板进行逐板计算，很好地解决了这一问题16。在设计中，除了计算出分离所需的若干理论板数和一定回流比后，设计者必须决定塔径、塔板或填料的细部结构，以便达到要求的分离效果和生产能力，最重要的是塔件的选择。因为由于件的选择不同，塔加上部结构的成本可相差大约3倍17。由于板式塔具有结构简单，制造和维修方便，生产能力大，塔板压降小，板效率较高等优点，所以在本设计中选择板式塔作为反应设备；板式塔又有泡罩塔、筛板塔、淋降筛板塔、浮阀塔等18。通过查各方面的资料，对板式塔中的几种塔进行比较，可以分析得到分离乙醇-水时，主要采用浮阀塔。4 结束
13、语本课题设计根据乙醇-水蒸馏体系的特点，对乙醇精馏塔的优化设计做理论探讨。设计主要通过建立精馏过程优化设计的数学模型，以回流比、回收率为决策变量，总费用最小为目标函数，编制计算机程序进行优化计算19。求出最佳回流比，塔径，理论塔板数，最小费用等一系列值。然后进行精馏塔结构设计、强度及稳定性计算及分凝器强度的计算，并画出主要的塔设备结构相关的图。本课题的创新之处在于：(1) 本课题研究大胆采用最新的乙醇精馏优化设计理论知识做基础，打破了传统的操作控制技术。(2) 工艺设计和塔板结构设计方面都采用的是当前前沿的方法，即建立数学模型，应用计算机编程优化设计和负荷性能图法。(3) 精馏塔的优化设计中采用柔性设计的思想，在整个设计过程中除了考虑经济因素，工艺要求外，还考虑到了变工况的情况，使设计出的精馏塔能适应各种变化工况, 同时保持优化的能耗和物耗状态, 即具有相当的柔性。参考文献 1 津洋，董其伍，桑芝富过程设备设计M北京：化学工业，20012 刁玉玮，王立业化工设备机械基础M第四版：理工大学，20003 全国压力容器标准化技术委员会中华人民国行业标准JB471092钢制塔式容器S北京：气象，1992-1-14 5 6 7 8 9 10 11 12 培元日本低温储罐设计综述J油气储运，1986，5(2)：1-313 14 15 16 17 18 19 .参考资料.
