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1、创新实践论文创新实践论文精馏塔设备的设计与节能研究进展 research progress of design and energy-saving distillation column学院：化学化工学院专业：化学工程与工艺班级：2012级2班学号：20121431姓名：洪钰坤 指导教师：梁茂 2015 年 6 月 15 日创新实践课程评分表项目分值得分积极参加教师科研活动具有较强动手能力20文献资料查阅能力15结构、逻辑性15文笔流畅25内容全面性15符合写作规范10总分100一、 综述类二、 研究类项目分值得分积极参加科研活动10文献资料查阅能力20具有较强动手能力及科研能力25报告书写结
2、构、逻辑性15文笔流畅20符合写作规范10总分100精馏塔设备的设计与节能研究进展摘要精馏过程是化工过程中最耗能的过程之一。本文总结了常规精馏塔，反应精馏塔以及分隔壁精馏塔这几种类型精馏塔的研究进展。常规精馏塔的研究仍在进行，并主要体现在算法的改进与新算法的提出，以及常规精馏塔在化工高等教学的重要作用上，指出了反应精馏塔和分隔壁精馏塔是近几年精馏塔设计方面的研究热点，如反应精馏塔的模型、求解方法等，分隔壁精馏塔是一种全新的概念因而并未系统化，但却能够明显节省设备投资，并具有良好的节能前景，尤其是在与反应精馏结合后效果特别明显。文章最后对精馏塔的未来研究方向进行了展望。关键词：蒸馏；设计；反应精
3、馏；节能；分隔壁精馏塔research progress of design and energy-saving distillation columnABSTRACTDistillation process is one of the most energy consumption process in chemical process. This article summarizes the conventional distillation, reaction rectification tower rectification tower next to the several type
4、s and the research progress of rectification column. Conventional distillation research is still on, and is mainly manifested in the algorithm is improved and new algorithm is put forward, and the important role of high conventional rectification column in chemical teaching, points out the reaction
5、rectification tower and points the next rectification tower is rectifying column design research hotspot in recent years, such as reaction model and solving method of rectification tower, points the next column is a kind of brand-new concept and therefore is not systematic, but it can obviously save
6、 equipment investment, and have a good prospect of energy saving, especially after combined with reaction rectification effect is particularly evident. Finally the future research direction of the rectifying column is discussed.Key Words:Distillation; Design; Reaction distillation; Energy saving; Po
7、ints the next column目录一 常规精馏塔设计7常用算法的改进与新算法的提出7使用计算机对精馏过程进行辅助计算7二 反应精馏塔设计8反应精馏的发展历程与简介8反应精馏的稳态模拟数学模型8反应精馏的设计算法9三 精馏塔操作能耗高体现103.1蒸汽耗量大103.2产品回收率低，单耗高103.3操作总费用高10四 精馏塔的节能优化114.1最佳回流比的选取114.1.2 回流比与设备费用的关系114.2 塔内件的选择114.2.1 填料114.2.2 液体分布器124.3 进料温度和进料位置的确定124.3.1 最佳的进料位置124.3.2 进料温度13一 常规精馏塔设计精馏塔设计是
8、化工过程中的核心单元操作之一，是最重要的分离单元过程。近年来对于简单精馏塔设计算法的研究，主要集中于两个方面：是对精馏塔常用计算方法的改进与精馏过程新算法的提出，研究如何用计算机对精馏过程进行辅助计算。常用算法的改进与新算法的提出精馏塔的设计，就是在给定进料状况与组成，以及一定的操作条件的情况下，通过一系列的计算，最后给出分离所需的理论板数。常用的精馏塔设计方法包括图解法，逐板计算法，简捷法等。此外塔板组成线法等新算法的提出，也为精馏塔设计的算法研究打开了新的思路。数值算法是指在数学分析问题中，对使用数学近似算法的研究。由于精馏塔设计所需的变量多，假设通常也比较多，往往不能获得一个完整的结果，
9、所以使用数值算法来优化传统精馏塔设计方法，提高设计的精确度，无疑是一个良好的研究方向。近几年来，已有多篇报道围绕利用数值算法对传统精馏计算进行优化改进。吴晓艺等研究了拉格朗日插值法在图解法设计精馏塔中的应用。在这个研究中，研究者通过已知的平衡数据，使用编程模拟生成气液平衡曲线并通过图解法计算，获得了理论板数和进料位置。该方法准确性高，只要有气液平衡数据即可采用，与大型模拟软件相比，使用编程计算运行时间短，计算效率高，具有很强的适用性。使用计算机对精馏过程进行辅助计算 在现代化工设计过程与优化过程中，计算机的计算早已取代了传统耗时耗力的手工计算。一些化工应用软件以其强大的数值、符号运算功能、生动
10、的图像处理力，代替了过去传统方式下的笔纸进行的设计操作。这些软件的广泛应用，极大地提高了设计的效率和设计质量。在化工类高等教育中，计算机辅助教学也是教学内容改革的重要组成部分。刘玉兰等给出了一种使用Excel快速计算双组分理想物系平衡组成，泡露点以及漏液点孔速的方法，虽然该方法现实工厂实践中并没有太大的意义，但是对于高校中化工高等教育的教学中，其操作方便快捷，易于掌握，计算结果相对可靠，因此有利于提高学生的学习兴趣，节省计算时间，仍然具有一定的实用价值。田文德等探究了在使用对精馏过程的辅助计算。这项研究的出发点也是辅助化工原理课程的教学， 由于是一种直观性较强，相对容易的计算机语言，并且数学运
11、算能力强大，因此这项研究对精馏这类的工程计算有很大的实用价值。综上所述，使用计算机对简单精馏的辅助计算，研究方向多集中在高校化学工程的教学当中。这种辅助计算，可以很好地加深对计算过程的理解，同时熟悉使用计算机语言编程这一工程计算的手段，对化工过程数值模拟的学习也有一定的帮助。二 反应精馏塔设计反应精馏的发展历程与简介 反应精馏（，以下简称）是将化学反应过程和精馏分离过程耦合在一个单元操作中的过程。它的概念是在年由所提出。反应精馏过程与常规精馏相比，有着转化率和选择性高；温度控制较容易；反应时间短；操作费用低；设备投资少等常规的精馏塔与反应器分离的过程所不具备的优点。近几年来，由于能源日趋紧张，
12、对生产成本的控制要求逐渐增大，对于反应精馏的研究的重点逐步由面向理论架构的纵向研究，转移到面向实际生产工艺（如乙酸甲酯，乙酸乙酯，碳酸二甲酯等）的横向研究上。此外，近三年来反应精馏的研究有相当一部分是与隔壁塔相结合的反应精馏隔壁塔。反应精馏的稳态模拟数学模型 目前在反应精馏稳态模拟的数学模型中，最为简捷，便于计算的是平衡级模型。该模型基于个主要假设：假设离开一个理论级的气液相混合物处于相平衡状态。假设每一级上的混合物完全混合均匀。反应仅发生在液相当中。基于这个模型，计算时在精馏塔严格计算的平衡级模型的方程组的基础上，增加了一个反应动力学方程（方程）。关于平衡级模型的介绍较多，此处不再赘述。然而
13、，在使用平衡级模型对反应精馏塔进行计算时，平衡级模型并未考虑到反应精馏过程中的板效率，这使得平衡级模型在实际用于工业计算时准确度不高。由于平衡级模型的这些局限性，等于年提出了以双膜传递理论为基础的非平衡级速率模型。由于引入了反应速率这一变量，该模型比平衡级模型要实际一些，但仍存在着诸如板上气液相全混、板上物料组成和温度均匀等理想化假设，并且方程组的非线性程度增加，导致计算的难度加大。上述的两个模型中，分别存在着“平衡级”和“全混级”这些不合理的假设，由于这些假设的不合理性，传统精馏模拟中的非平衡级混合池模型就也被引入到反应精馏模拟当中。该模型能够较为准确地模拟出实际的反应精馏过程，是对平衡级模
14、型的提高与进一步的完善。除上述种主要反应精馏稳态数学模型之外，还有统计模型、微分模型等诸多数学模型，多种数学模型的研究标志着对于均相反应的反应精馏的稳态过程模拟研究已经比较成熟。反应精馏的设计算法 反应精馏塔的设计方面的研究目前仍未形成系统的理论体系。这是因为该过程是一个反应与精馏的耦合过程，反应过程与精馏过程在同一个容器中，二者相互影响，使原来进料位置、副产物浓度、传热、速率、停留时间、板数、催化剂以及反应物进料配比等参数的很小变化，都可能对反应精馏过程产生较大影响，所以对该集成过程的研究比二者单独研究要困难得多。基于上述原因，反应精馏的设计研究在世纪年代下半叶才逐渐增多，到目前为止，主要的反应精馏塔设计方法主要有直观推断法、图示目标法、图解设计法、数学模拟法、混合整数非线性规划法等。和提出单一反应的简单精馏转换组成变量，并研究了其剩余曲线。之后在此基础上，和又研究了在含有惰性组分的反应精馏系统中的转换组成变量和剩余曲线图。等在转换组成变量的基础上，提出了反应空间和反应精馏线的概念，并结合反应精馏线和精馏线，研究了反应精馏过程的序列。基于转换变量的概念，等将塔板组成线法应用
