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精馏是液相分离过程首选的单元操作之一,同时也是能耗较大的单元操作之一,其能耗约占整个化工工业用能的40%左右,但其过程的热力学效率却很低,只有5~20%。内部热耦合精馏塔(HIDiC)和传统精馏塔(CDiC)相比具有高热力学效率和低能耗的优势,因而在能源日趋紧张的国际环境下受到国内外学者的广泛关注。本文做了以下几方面研究,旨在为热耦合精馏过程提供基础数据,为HIDiC的结构设计指明方向,并且通过研究寻找最适宜的操作范围。本文以乙醇和水为分离物系,采用自制同轴式内部热耦合塔中试装置,在全回流和连续进料操作条件下,对该塔的性能及节能效果进行了系统的实验研究,获取了不同压缩比下的全塔温度分布,对实验数据初步分析得到了压缩比对传热量、能耗和总传热系数的影响趋势,结果表明,随着压缩比的增大,HIDiC精馏段和提馏段之间的温差不断增大,传热量呈先增大后平稳的趋势,总传热系数则随压缩比的增大而减小,因此在影响总传热量的各个因素中,温差的影响大于总传热系数的影响。建立了HIDiC传热模型,并进行一系列绝热模拟研究,发现模拟得到的温度分布与实验中的温度分布吻合良好,因此在热量分布方面,本文建立了跟符合实际的传热模型,将传热系数经验公式应用于计算总传热系数。对比了总传热量的预测值和实验值,表明了计算方法的可靠性;对比不同压缩比下的操作线发现,对于乙醇-水物系,内部热耦合使精馏段的传质推动力升高,使提馏段传质推动力降低。以热力学第二定律为基础,对内部热耦合精馏过程进行热力学推导,运用熵分析法明确了HIDiC的熵增小于传统精馏过程,能够降低精馏过程的不可逆性,提高精馏过程的热力学效率,降低能耗。以热力学第一定律为基础,比较不同压缩比下两塔段之间的换热量,HIDiC比常规精馏塔平均节约热量25.36%,平均节约冷量62.25%。根据热力学推导计算了HIDiC的热力学效率及其提高的百分比和熵增及其降低的百分比,结果表明HIDiC比常规精馏塔热力学效率平均提高了35.47%,熵增平均降低了24.53%。并且得到了最佳操作压缩比的范围为2.2~2.5,在此范围内,各项节能参数平均值均优于全部操作压缩比范围的对应数据。