用于分离共/近沸点混合物的复杂隔离壁蒸馏塔的综合与设计

摘要

隔离壁蒸馏塔(DWC)能显著提高热力学效率，减少能耗和空间，是热耦合技术的主要代表之一，与萃取蒸馏、反应蒸馏等技术结合可以用于传统蒸馏技术不能或很难实现的共/近沸点混合物的分离。目前用于共沸点混合物分离的萃取隔离壁蒸馏塔(EDWC)，与传统的萃取蒸馏技术(CEDC)相比，有很大的节能潜力，但也存在固有的缺陷。为了克服其固有的缺陷，本文提出了一种通过中间换热提高EDWC稳态性能的策略，这是论文的第一个创新点。除此，本文还提出了一种用于分离近沸点混合物的新型反应隔离壁蒸馏塔(RDWC)，这是论文的第二个创新点。
　　本文提出了一种通过中间换热提高萃取隔离壁蒸馏塔(EDWC)稳态性能的策略。EDWC只有一个塔底再沸器，沸点较高的萃取剂在塔底产出，通常需要高压热源为其提供能量，使得EDWC在经济性能上处于劣势（与CEDC相比）。本文利用萃取剂与待分离共沸物的沸点之间相差极大的固有特性，提出了一种通过中间换热提高EDWC稳态性能的策略。当萃取分离操作占主导地位时，可以通过进料预热器实现中间换热;当萃取剂回收操作占主导地位或者二者作用相当时，中间换热应加在隔离板底端以下的部分（即提馏段，中间再沸器是一个有利的选择）。这两种情况下，从塔底萃取剂回收的热量都优先可用作系统的热源，因此可以大幅度提高其稳态经济性能。本文采用两个二元共沸混合物的分离对此策略进行评估，即碳酸二甲酯和甲醇以苯胺为萃取剂系统(DCM-MEOH-ANILINE)和丙酮和甲醇以二甲基亚矾为萃取剂系统(ACE-MEOH-DMSO)。研究结果表明:与CEDC相比，采用中间换热可以显著提高EDWC的稳态性能和经济效益。即使与中间换热传统萃取蒸馏塔相比，中间换热萃取隔离壁蒸馏塔也不逊色。因此，将中间换热技术引入到EDWC中是十分必要的，通过中间换热萃取隔离壁蒸馏塔技术分离二元共沸混合物是很好的选择。
　　本文提出了一种用于分离近沸点混合物的新型反应隔离壁蒸馏塔(RDWC)。对于近沸点混合物环己烷(ANE)和环己烯(ENE)的分离，传统的蒸馏塔技术很难实现，但是采用以水为反应萃取剂的传统反应蒸馏系统对其进行分离有着巨大的经济效益潜力。本文以年总投资(TAC)为目标函数，综合与设计了传统反应蒸馏塔（即，水合反应蒸馏塔和水解反应蒸馏塔）系统（FSTRDC），适当过量的水可以取得更好的经济效益。虽然过量的水有利于ENE水合生成环己醇(NOL)，但是它在水合塔中会产生严重的返混效应，将不利于NOL在水解塔中水解生成ENE和水。为了抑制这些固有的缺陷，水合塔被改造成由从水解塔再沸器抽出的气相直接为其供热，由此产生了一种新型的热耦合反应蒸馏系统(TCRDS)。水合塔与水解塔之间的物质和能量耦合消除了水合塔中存在的返混效应，大大降低了水用量，相比于FSTRDC，大大降低了设备费(CC)、操作费(OC)和年总投资(TAC)。基于TCRDS，RDWC进一步降低了CC和TAC。研究结果显著表明:两个反应蒸馏塔之间有效的物质和能量耦合对于其用于分离类似环己烷/环己烯的近沸点混合物十分有效。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究的目的和意义

1．3 论文结构

第二章 复杂隔离壁蒸馏塔相关技术研究综述

2．1 复杂隔离壁蒸馏塔的研究现状

2．2 复杂隔离壁蒸馏塔相关技术

2．2．1 常规隔离壁蒸馏塔

2．2．2 萃取隔离壁蒸馏塔

2．2．3 共沸隔离壁蒸馏塔

2．2．4 反应隔离壁蒸馏塔

2．2．5 热泵一中间换热器辅助的隔离壁蒸馏塔

2．3 本章小结

第三章 通过中间换热提高萃取隔离壁蒸馏塔稳态性能策略的提出

3．1 萃取隔离壁蒸馏塔操作特性分析

3．2 中间换热提高萃取隔离壁蒸馏塔稳态性能策略

3．3 策略评价的系统方法

3．3．1 性能评价指标

3．3．2 综合与设计程序

3．4 本章小结

第四章 实例Ⅰ：以苯胺为萃取剂分离二元共沸物碳酸二甲酯和甲醇

4．1 问题描述

4．2 传统萃取蒸馏系统

4．3 萃取隔离壁蒸馏系统和进料预热器萃取隔离壁蒸馏系统

4．3．1 萃取隔离壁蒸馏系统

4．3．2 进料预热器萃取隔离壁蒸馏系统

4．4 萃取隔离壁蒸馏塔及进料预热器萃取隔离壁蒸馏塔与传统萃取蒸馏塔的比较

4．5 本章小结

第五章 实例Ⅱ：以二甲基亚砜为萃取剂分离二元共沸物丙酮和甲醇

5．1 问题描述

5．2 传统萃取蒸馏系统

5．3 萃取隔离壁蒸馏系统和中间再沸器萃取隔离壁蒸馏系统

5．3．1 萃取隔离壁蒸馏系统

5．3．2 中间再沸器萃取隔离壁蒸馏系统

5．4 萃取隔离壁蒸馏塔及中间再沸器萃取隔离壁蒸馏塔与传统萃取蒸馏塔的比较

5．5 本章小结

第六章 实例Ⅰ和实例Ⅱ的结果分析与讨论

6．1 中间换热萃取隔离壁蒸馏系统与中间换热传统萃取蒸馏系统的比较

6．2 蒸汽价格不同对中间换热策略有效性的影响

6．3 中间换热策略的适用范围

6．4 本章小结

第七章 一种用于分离近沸点混合物的新型反应隔离壁蒸馏塔—以分离环己烯／环己烷为例

7．1 综合与设计方法

7．1．1 问题描述

7．1．2 经济性能指标

7．1．3 综合与设计程序

7．2 传统反应蒸馏系统

7．2．1 传统反应蒸馏塔的综合与设计

7．2．2 传统反应蒸馏塔的稳态分析

7．3 热耦合反应蒸馏系统

7．3．1 热耦合反应蒸馏系统的提出

7．3．2 热耦合反应蒸馏系统的综合与设计

7．3．3 热耦合反应蒸馏系统的稳态分析

7．3．4 热耦合反应蒸馏系统与传统反应蒸馏系统的比较

7．4 新型反应隔离壁蒸馏塔

7．5 结果分析与讨论

7．6 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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