1 课题研究背景及意义

改革开放以来，我国的经济一直以高速态势发展，特别是自2003年起，我国GDP增长已经连续4年保持在两位数，中国经济总量的世界排名已经跃居第4位。但纵观整个单位GDP能耗发展趋势，不降反增，致使资源、环境遭受极大破坏。正是在这种背景下，2016年政府工作报告中规定：我国5年内单位GDP能耗降低20％。

随着我国工业的快速发展，电力、石油化工以及煤化工等行业大量兴起。塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一，它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。化工操作单元设备中塔的基本形式有精馏塔、吸收塔和解吸塔、反应塔、萃取塔、再生塔、干燥塔。

在石油化工领域中，精馏塔是一种使用频繁使用的工艺设备，它的稳定运行直接关系到整个石油化工装置的产品质量及综合能耗。此外，精馏技术是石化领域使用最广泛，技术最成熟的单元操作之一，其耗能占过程总能耗的50％以上，因此石化行业节能降耗首当其冲的是提高精馏塔效率，降低精馏塔能耗。

精馏塔与塔顶冷凝器联用是比较常见的工艺装置组合。塔顶冷凝器主要作用是将精馏塔顶部的大量气相介质通过冷却剂冷却至液相，然后通过自然回流或强制回流两种形式将冷凝的液相介质回流至塔器顶部^{[1, 2]}。

塔顶冷凝器作为与精馏塔联合使用的重要耗能设备，通过对其合理设计能有效地使精馏塔稳定运行、能耗降低、投资节省^[3]。

此外，在化工行业中，换热设备占总装置费用的近30%，占总运行费用的近90%。由此可见换热器的能耗在化工行业中占有巨大的比重，所以换热器的优化显得尤为重要。

我国的能源利用率低，能源消耗与其他发达国家相比又偏高。虽然我国能量储量较多，但人均能源分配与世界其他国家相比也是处于一个较低的水平，形式不容乐观。因此，在化工工业中比重占有40%左右的换热器，只需将其效率提升一点，对于国家的整个能源来说也是具有重大战略意义的，所以换热器的设计优化迫在眉睫。

2 精馏原理及换热器的类型

2.1 精馏原理