化工行业是国民经济的支柱产业之一,也是工业部门中的能耗大户。精馏是目前化工生产领域应用最为广泛的分离工艺,同时也是能耗较大的单元操作,其能耗约占整个化工工业用能的40%左右。因此提高精馏过程的能源利用效率对于推进化工行业进一步节能减排,实现社会经济的可持续发展具有重要的意义。随着进料混合物组分数的增多,要得到混合物中各组分的高纯度产品,精馏序列种类数几乎呈爆炸式增长,所以采用快速、准确地选择节能精馏序列(无热耦合精馏序列和流体直接热耦合精馏序列)的方法可为工业设计节省时间并为后续的工艺严格设计与优化提供理论指导。因此将精馏序列作为课题研究的形态,本文提出了一种分离多组分物系精馏序列的形态分析法,用逻辑结构对分离多组分物系节能精馏序列进行了系统筛选,并最终得到热力学效率最高的精馏塔序列和精馏节能耦合结构。具体研究内容如下:1.本文提出的精馏序列形态分析法包括分支和收敛两大过程,其中又将分支过程分为因素分析、合成形态搜索空间、形态分析等五步,通过分析搜索空间内所有精馏序列各塔段动力学特征及进出料情况,将复杂精馏塔序列等效为简单塔模型,并列举了用于判断简单塔模型中热耦合流股流动方向的简捷计算及优化流程。2.针对精馏序列形态分析的收敛过程,本文还提出了一种节能精馏序列的评定指标,基于等效简单塔模型对精馏序列热负荷进行了虚拟分割,并结合熵分析对流体直接热耦合精馏序列进行了热衡算,最终得到不同流体直接热耦合精馏序列对应的精馏序列效率计算公式,而无热耦合精馏序列通过简单塔模型等效即可计算精馏序列效率。该节能评定指标是精馏序列用能数量和用能水平的综合体现指数。3.本文严格模拟了不同分离指数三组分物系的精馏序列以及多种分离四组分物系的精馏序列,通过比较用本文方法计算各精馏序列节能百分比与用模拟结果计算各精馏序列节能百分比的差值,得到形态分析法的绝对误差最高为6%左右,而该误差不影响节能精馏序列的排序,证明了本文提出的精馏序列形态分析法的可靠性,且该法可用于分离四组分以上物系节能精馏序列的快速评定。另外,根据精馏序列效率计算的节能百分比得到,对于ESI≤1的等摩尔三组分物系,流体直接热耦合精馏序列较对应的无热耦合精馏序列节能范围在14-31%之间,而对于ESI>1的等摩尔三组分物系,流体直接热耦合精馏序列节能优势不大,节能百分比不超过10%。同时通过对分离三组分物系的隔板塔的实验研究,得到隔板塔相对于无热耦合精馏序列节能率在30%左右,结合模拟结果证明了形态分析法可用于指导工业节能精馏序列的选取,文中还通过工业案例分析得到精馏序列形态分析法不适用于非理想物系节能精馏序列的评定。4.应用精馏序列形态分析法,本文对分离四组分物系节能的精馏序列进行了评定。通过建立VB-Aspen动态链接生成了评定分离任意理想四组分物系节能精馏序列的运行程序,该程序只需要输入进料条件及物性参数即可得到搜索空间内节能的精馏序列,文中应用该程序快速得到了分离正丁烷-苯-正庚烷-正壬烷物系的前三种无热耦合节能精馏序列以及搜索空间内前三种节能精馏序列,通过比较各精馏序列效率值得到最节能的流体直接热耦合精馏序列比最节能无热耦合精馏序列节能15%左右,且最节能无热耦合精馏序列对应的流体直接耦合精馏序列不一定是搜索空间内最节能的精馏序列。5.应用形态分析法得到分离四组分物系共有188种精馏序列,其中包括18种无热耦合精馏序列、170种流体直接热耦合精馏序列。本文对所有分离四组分物系的170种流体直接热耦合精馏序列进行了集成耦合,并结合耦合装置对案例运行得到的节能精馏序列进行了工业应用分析,同时列举了某些耦合装置存在可优化性,为工业设计及应用提供初步参考。