利用内部热耦合原理填补隔离壁蒸馏塔的设计与操作黑洞

隔离壁蒸馏塔(DWDC)是一种具有高度物质与能量耦合的分离装置，和常规蒸馏塔相比具有热力学效率高和设备投资小等优点。虽然已在实际过程中得到了应用，但却难以深入推广，其根本原因在于系统拓扑结构的缺陷限制了它的设计和操作范围，即存在所谓的设计与操作黑洞问题。为了解决这一问题，我们提出了一种全新的过程综合、设计与操作策略。首先，需要对DWDC的拓扑结构进行改进，通过在主分离蒸馏塔侧线出料的上下塔段实施热耦合，既能减少分离操作的非可逆性，又可改善系统的操作弹性、动态特性和可控性。其次，对内部热耦合DWDC进行有效的强化设计，以最大限度地挖掘内部物质与能量耦合的共谐效果。再次，研究与开发内部热耦合DWDC的隔离壁实现方式。最后，采用主分离蒸馏塔内部热耦合的强度来控制侧线产品的质量，这有利于可控性的进一步提高。本课题在于探讨DWDC的设计与操作问题，所得结果对于三元以上的DWDC也具有重要的指导意义。

在为期三年的时间里 (从2011年1月1日起至2013年12月31日止)，本课题组严格按照本课题任务书中所规定的研究计划进行工作，没有对执行步骤和研究内容做过较大的调整与变动，基本完成了本课题任务书中所规定的全部研究内容。所取得的主要研究成果如下：.第一、对分离三元与四元混合物的隔离壁蒸馏塔(DWDC)，系统地研究了它们在三点、四点与五点浓度控制方式下设计与操作黑洞问题的成因及其具体表现形式，指出了是由于预分离蒸馏塔与主分离蒸馏塔之间的物质耦合与能量耦合强化了二者之间的相互作用，从而导致了设计与操作黑洞这一复杂问题的出现。.第二、针对DWDC的综合与设计问题，开发了一种非常简洁且有效的方法。其特点是统一考虑连续的操作设计变量与不连续的结构设计变量，具有原理简单且鲁棒性强等优点。基于一个给定的经济型目标函数，这种方法能够从任给的一个初始结构出发演绎出最优的系统设计，这为研究解决DWDC的设计与操作黑洞问题奠定了坚实的工作基础。.第三、证明了在主分离蒸馏塔中间出料的上下塔段之间实施内部热耦合解决DWDC设计与操作黑洞问题的可行性与有效性。由于这种内部热耦合能够改变预分离蒸馏塔与主分离蒸馏塔之间连接物流的流量与浓度，因而可以起到协调二者相互关系的作用。为了充分挖掘内部热耦合的潜力，通过其它结构或操作设计变量解决DWDC设计与操作黑洞问题通常也是必要的。.第四、证明了通过塔板数目的有效调整、多进料与多中间出料策略以及进料与中间出料热状况的有效设置等措施也能够解决DWDC设计与操作黑洞问题，它们为内部热耦合DWDC的综合与设计奠定了良好的基础。.第五、证明了DWDC设计与操作黑洞问题的解决还有助于进一步提高系统的稳态特性与动态特性。DWDC设计与操作黑洞问题的解决协调了预分离蒸馏塔与主分离蒸馏塔之间的相互作用，这是系统稳态特性与动态特性得到改善的根本原因。这一结果也说明了在DWDC开发过程中解决其设计与操作黑洞问题的必要性与重要性。.第六、给出了三种新颖的温度推断控制系统，它们是简化温差控制系统，双温差控制系统以及简化双温差控制系统，能在相同数目温度检测点的情况下，给出较优越的闭环控制响应。其原因在于充分遵循了DWDC的工作原理， 也为内部热耦合DWDC的平稳操作奠定了基础。.第七、基于本课题的研究结果，设计并开发了DWDC的小型实验系统，初步研究了其设计与操作黑洞问题。