分離工程中的節(jié)能新技術(shù)研究進(jìn)展

1、化工分離工程中的節(jié)能新技術(shù)研究進(jìn)展11化工4班 劉京 1003024021摘要：進(jìn)入21世紀(jì)，化工分離技術(shù)飛速發(fā)展，在氯堿化工、農(nóng)藥化工、醫(yī)藥化工方面得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，在國家大力提倡節(jié)能減排的大形勢下，大力發(fā)展化工分離技術(shù)對于化工行業(yè)、乃至各行各業(yè)的節(jié)能減排工作均具有重要而深遠(yuǎn)的意義。文章介紹了6種化工分離節(jié)能技術(shù)，并對其發(fā)展進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：化工分離、節(jié)能、新技術(shù)、研究進(jìn)展引言：能源是社會發(fā)展和進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。我國的能源儲量以及一次能源的開發(fā)和消費(fèi)最居世界前列，而能源的總利用率則遠(yuǎn)低于歐美和日本。化學(xué)工業(yè)是個耗能大戶，能耗量約占全國能源總消費(fèi)的910，占工業(yè)用能的1315，因此，

2、化工節(jié)能對緩解我國能源的供需矛盾影響很大。在當(dāng)前世界性的能源危機(jī)面前，化學(xué)工業(yè)必須首先關(guān)注節(jié)能降耗和節(jié)能新技術(shù)的研究應(yīng)用。1膜分離技術(shù)節(jié)能膜分離技術(shù)是利用特定膜的滲透作用，在外界能量或化學(xué)位差的推動下。對氣相或液相混合物進(jìn)行分離、分級、提純和富集，膜分離過程大多尤相變，常溫操作，高效、節(jié)能、工藝簡便、污染小。20世紀(jì)80年代以來我國膜技術(shù)跨入應(yīng)用階段，同時(shí)也是新膜過程的開發(fā)階段。在這一時(shí)期，膜技術(shù)在食品加工、海水淡化、純水、超純水制備、醫(yī)藥、生物、環(huán)保等領(lǐng)域得到了較大規(guī)模的開發(fā)和應(yīng)用。111離子膜技術(shù)離子膜燒堿不但能生產(chǎn)出高純度燒堿和氫氣，而且節(jié)能效果顯著，比隔膜法節(jié)約能耗約30。因此，離子膜

3、法將逐步取代隔膜法生產(chǎn)燒堿。離子膜也開始應(yīng)用于醫(yī)療、食品工業(yè)除去電解質(zhì)，分離氨基酸及海水淡化等。12氣體分離膜技術(shù)膜分離氫氣技術(shù)已成功地用在合成氨廠從馳放氣中回收氫氣，甲酸裝置從合成氣、水煤氣脫氫氣得到90的一氧化碳，煉廠從催化重整過剩氣中分離出95含量的氫氣作為加氧裂解原料等。從空氣中富集濃縮氧和氮，比深冷分離法要節(jié)能得多。13膜萃取技術(shù) 膜萃取是膜過程與液一液萃取過程相結(jié)合的分離過程，特點(diǎn)是：(1)萃取劑選擇范圍寬；(2)料液夾帶損失??；(3)過程不受“返混”的影響和“液泛”條件的限制；(4)可實(shí)現(xiàn)同級萃取和反萃取過程；(5)可提高傳質(zhì)效率。膜萃取技術(shù)在分離生物化工產(chǎn)品和實(shí)現(xiàn)發(fā)酵耦合過程方

4、面正成為研究工作的熱點(diǎn)。14膜蒸餾技術(shù)膜蒸餾技術(shù)是膜技術(shù)與蒸發(fā)過程相結(jié)合的分離技術(shù)。過程是在常壓和低于溶液沸點(diǎn)下進(jìn)行，熱側(cè)溶液可以在較低的溫度下操作，因而可利用廢熱或低溫?zé)嵩?，達(dá)到節(jié)能效果。該技術(shù)弱點(diǎn)是單程效率較低，阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。15微濾膜技術(shù)微濾膜主要用于超純水制取和除菌，微濾膜可制取電子工業(yè)用水，微濾膜除菌的水可以直接飲用。2.結(jié)晶分離的節(jié)能技術(shù)結(jié)晶分離是分離混合物常用的方法之一。傳統(tǒng)的結(jié)晶分離，如濃縮結(jié)晶，冷卻(冷凍)結(jié)晶，耗能很大。目前國際上新型結(jié)晶技術(shù)已取得了突破性進(jìn)展，并得到實(shí)際應(yīng)用。21萃取結(jié)晶技術(shù)萃取結(jié)晶技術(shù)是萃取技術(shù)與結(jié)品技術(shù)的藕合技術(shù)?？珊芎玫赜糜诜悬c(diǎn)等物性相近的混合

5、物。例如，在對二甲苯一間二甲苯混合物中，加入四氯化碳，可以將對二甲苯從混合液中分離出來，對二甲苯收率高達(dá)90。萃取結(jié)晶技術(shù)也應(yīng)用于無機(jī)混合物的分離。例如，用1，4二氧雜環(huán)乙烷從KIO3，和KI的水溶液中分離KIO3；用有機(jī)胺絡(luò)合萃取劑，以氯化鉀和磷酸為原料，生產(chǎn)磷酸二氫鉀等。又如，在碳酸鈉水溶液中加入正丁醇，結(jié)晶出碳酸鈉，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了滿意的結(jié)果。萃取結(jié)晶技術(shù)也可用于有機(jī)物-水-無機(jī)鹽體系中使有機(jī)物與無機(jī)鹽分離。例如在制造有機(jī)羥醛的試驗(yàn)中，在羥醛水硫酸鈉體系中，常溫下加入甲醇，成功地將硫酸鈉分離出來，使其分離后的混合溶液中，硫酸鈉含量小于5。萃取結(jié)晶技術(shù)關(guān)鍵是尋找到合適的萃取絡(luò)合劑。22熔

6、融結(jié)晶技術(shù)由于近90的有機(jī)化合物為低共熔型，70的化合物熔點(diǎn)在0200，只有10左右低于0，因此，用熔融結(jié)品法更易分離。大多有機(jī)化合物的結(jié)晶，不需深冷分離，而且可利用廢熱、余熱。新型熔融結(jié)晶技術(shù)特點(diǎn)：(1)低能耗，結(jié)晶相變潛能儀是精餾的1317；(2)低操作溫度；(3)高選擇性，可制取高純或超純(I999色譜純)產(chǎn)品；(4)環(huán)境污染較小。國際上熔融結(jié)晶裝置目前有復(fù)合式懸浮結(jié)晶型和逐步凍凝型。天津大學(xué)已成功地開發(fā)了液膜結(jié)晶設(shè)備，并已成功地應(yīng)用于4200t·a-1一鄰位與對位二氯笨的分離。23高壓結(jié)晶技術(shù)高壓結(jié)晶是利用加壓下物系的液一固相變化的分離技術(shù)。其原理為：物系中包含的雜質(zhì)使其熔點(diǎn)

7、下降，對應(yīng)相變壓力上升，隨著結(jié)晶過程的進(jìn)行，固相份數(shù)增加，液相雜質(zhì)濃度提高，相變壓力不斷上升，在共晶壓力下，物系中就只有高純目的物品體和母液共存，排除母液經(jīng)減壓發(fā)汗，可分離得到更純的目的物品體。高壓結(jié)晶尤其適應(yīng)于有機(jī)物的提純精制。3精餾過程的節(jié)能降耗精餾是化工、石化等行業(yè)中的重要組成部分，對整個流程的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗與原料消耗、環(huán)境保護(hù)都有重大影響。石油和化學(xué)工業(yè)的能耗占下業(yè)總能耗的很大部分，其中約60就用于精餾過程。精餾過程的節(jié)能主要有以下幾種基本方式：提高塔的分離效率，降低能耗和提高產(chǎn)品回收率；采用多效精餾技術(shù)；采用熱泵技術(shù)等。31板式塔311 高效導(dǎo)向篩板高效導(dǎo)向篩板具有生產(chǎn)

8、能力大、塔板效率高、塔壓降低、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、維修方便的特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于化學(xué)丁業(yè)、石油化工、精細(xì)化工、輕工化工、醫(yī)藥工業(yè)、香料工業(yè)、原子能工業(yè)等。312板填復(fù)合塔板板填復(fù)合塔板允分利用板式塔中塔板間距的空隙，設(shè)置高效填料，以降低霧沫夾帶，提高氣體在塔內(nèi)的流速和塔的生產(chǎn)能力。同時(shí)氣液在高效填料表面再次傳質(zhì)，進(jìn)一步提高了塔板效率。由于負(fù)荷下限未變而上限大幅度提高，因此塔的操作彈性也大為提高。板填復(fù)合塔板已在石化、化工中的甲苯、氯乙烯等多種物系中得到成功應(yīng)用。313復(fù)雜精餾塔傳統(tǒng)的精餾塔及其精餾序列已不適應(yīng)當(dāng)前過程集成、設(shè)備集成的發(fā)展趨勢。武吳寧等進(jìn)行了復(fù)雜精餾塔的研究，與傳統(tǒng)精餾塔的一股

9、進(jìn)料二股產(chǎn)品的精餾塔比較，能夠產(chǎn)生相當(dāng)大的能量消耗及成本上的節(jié)約。復(fù)雜塔還適合更新設(shè)計(jì)，因?yàn)樗?jīng)常可以通過對現(xiàn)有塔進(jìn)行微小的改動來實(shí)行。在所有可能的多組分精餾過程新方案中，熱偶精餾在能量和投資費(fèi)用的節(jié)約上都非常有前途。他們采用Underwood方程和Vmin分析了多組分熱偶精餾的最小能耗；主要探討了用詳細(xì)的塔模型來進(jìn)行多組分熱偶精餾塔的設(shè)計(jì)，所建立的塔模型既能夠描述傳統(tǒng)塔又可以描述熱偶精餾塔，并允許不同的選擇結(jié)構(gòu)瓦相比較：提出了以能量消耗最小為目標(biāo)的，多組分混合物分離的熱偶精餾序列的整體優(yōu)化方法。他們以4組分烷烴混合物的分離為例，根據(jù)詳細(xì)的熱偶精餾塔數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了熱偶精餾的能耗、年總費(fèi)用，并

10、比較了各種熱偶方案的節(jié)能效果。以能董消耗最小為目標(biāo)，對兩種熱偶精餾序列進(jìn)行了整體優(yōu)化。32填料塔填料是填料塔最重要的傳質(zhì)內(nèi)件，其性能主要取決于填料表面的濕潤程度和氣液兩相流體分布的均勻程度。321新型高效規(guī)整填料新型高效規(guī)整填料主要包括金屬板波紋填料和金屬絲網(wǎng)波紋填料兩大類，在將其進(jìn)行物理的和化學(xué)的方法處理后，填料的分離效率大為提高。主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)理論塔板數(shù)高，通量大，壓力降低；(2)低負(fù)荷性能好，理論板數(shù)隨氣體負(fù)荷的降低而增加，沒有低負(fù)荷極限；(3)放大效應(yīng)不明顯；(4)適用于減壓精餾，能夠滿足精密、大型、高真空精餾裝置的要求，為難分離物系、熱敏性物系及高純度產(chǎn)品的精餾分離提供了有利的條

11、件。32，2新型離效散堆填料(1)金屬鮑爾環(huán)填料，它采用金屬薄板沖軋制成，由予在環(huán)壁上開了許多鍵孔，使得填料層內(nèi)的氣、液分布情況及傳胰性能比拇兩環(huán)有較大的改善。(2)金屬階梯環(huán)填料，這種填料降低了環(huán)的高度，并在環(huán)的2個側(cè)端增加了錐形翻邊，使其性能較鮑爾環(huán)填料有了較大的進(jìn)步。在同樣液體噴淋密度下，其泛點(diǎn)氣速較鮑爾環(huán)提高了1020；在同樣氣速下，壓力降較鮑爾環(huán)低3040。(3)金屬環(huán)矩鞍填料，國內(nèi)籬稱為英特洛克斯填料。這種填料巧妙地把環(huán)形秘鞍形兩類填料的特點(diǎn)綜合成為一體，使它既有環(huán)形填料通量大的特點(diǎn)，又有鞍形填料液體分布性能好的特點(diǎn)，從而成為當(dāng)前散堆填料中的佼佼者。233提高熱的利用率首先，增強(qiáng)再

12、沸器和冷凝器巾的傳熱面積可使傳熱溫差下降。增強(qiáng)傳熱表面有兩大類型：(1)多孔相變化傳熱面：包括微孔沸騰表面及特殊處理的冷疑表面，均可使沸騰或冷凝繪熱系數(shù)較之光管提離lO30倍；(2)擴(kuò)展的傳熱面：包括翅片管或開槽游擴(kuò)大傳熱面，可以使傳熱系數(shù)提高不少。其次，采用空氣冷卻器或蒸發(fā)冷卻器代替水冷凝器可以避免積垢，水電綜合能耗也較低，而且節(jié)省用水。再次，如果塔釜滾是無美重臻的廢液，則可以把它的顯熱變成潛熱加以利用。另外，采用低品位熱能也是節(jié)能的有效方法。34新蒸餾過程的探索與開發(fā)為提高分離效率，降低能耗，需要尋求一些特殊的蒸餾方法以分離一些特殊的物料，諸如熱敏物料共沸熱料等。一般有下列幾個方囂：(1)

13、添加物蒸餾。在蒸餾過程中加入某些添加物以利用溶液的非理想性，增大某一組分的揮發(fā)性，使組分容易分離，達(dá)到高效、節(jié)能目的。(2)耦合蒸餾。蒸穩(wěn)避程與其它過程同時(shí)進(jìn)行，以達(dá)到強(qiáng)化作用和簡化過程的目的。(3)動態(tài)蒸餾。包括可控的不穩(wěn)定蒸餾與分批蒸餾，能提高傳質(zhì)效率和縮短操作時(shí)間，達(dá)到增產(chǎn)和節(jié)能的目的。(4)場效應(yīng)蒸餾。包括帶電、磁、激光、重力、功能微粒等場效應(yīng)的蒸餾，對傳質(zhì)過程有不同程度的促進(jìn)。34機(jī)械分離方法的節(jié)能問題41新型枕械分離裝置的開發(fā)以沉降式離心分離機(jī)為例，這種機(jī)器多數(shù)為皮帶驅(qū)動方式，但因?yàn)榛剞D(zhuǎn)體大，所以選擇通當(dāng)?shù)鸟R達(dá)能產(chǎn)生相當(dāng)大的節(jié)能效果，對于標(biāo)準(zhǔn)處理量7 m3·h-1的裝置，

14、當(dāng)使用直接起動方式驅(qū)動時(shí)需要22KW的馬達(dá)，而使用液力變速器和離心離合器起動方式時(shí)，由于減少了起動負(fù)荷，所以只用15 KW的馬達(dá)就足夠了。42機(jī)械分離裝置的小型化在間歇操作中，由于能在很大程度上靈活地確定操作壓力和分離時(shí)閥間，使之與被分離的物料相適應(yīng)，因而對分離速度幾乎不產(chǎn)生影響，故多數(shù)情況下能夠?qū)崿F(xiàn)小型化。在連續(xù)操作的情況下，被分離物質(zhì)在小型裝置中停留時(shí)聞減少，分離時(shí)間變短，為了加以彌補(bǔ)，就必須改變操作條件：通過增加壓力、改善物料預(yù)處理方法等提高分離速度；或者通過降低運(yùn)轉(zhuǎn)速度，使處理量做出某種程度的犧牲等。關(guān)于連續(xù)式離心過濾機(jī)的小型化問題，最近已有報(bào)道。43設(shè)備操作管理的優(yōu)化進(jìn)行機(jī)械分離時(shí)，

15、透過預(yù)處理寒改善固液混合物的性質(zhì)和通過幾種機(jī)械分離方法的并用來提高工作效率，確定最佳的操作壓力、分離時(shí)間等工藝條件。如最佳過濾時(shí)間的確定。這些必須根據(jù)合理的設(shè)計(jì)方針程可靠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來把握，重要的是要充分運(yùn)用以達(dá)到節(jié)能的目的。5變壓吸附技術(shù)高壓吸附可用于分離氣體混合物并制取純氣體，它是利用特定的吸附劑對各種氣體吸附能力的差異進(jìn)行氣體分離的。適用氣源廣，產(chǎn)品純度高，工藝簡單，節(jié)能效采顯著，可在常溢積在較寬的懲力范圍內(nèi)操作。原化工部兩南化工研究院對此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了卓有成效地研究，已成功地應(yīng)用在從合成氨池放氣、焦?fàn)t煤氣中回收純氫氣；從含一氧化碳混會氣中制敢純一氧化碳；合成氨變換氣脫碳；天然氣凈化提純甲烷

16、；濃縮乙烯空氣分離制取富氧和純氮等工業(yè)生產(chǎn)過程中，取得了驕人的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。6熱處理分離技術(shù)的節(jié)能問題61蒸發(fā)操作的節(jié)能問題蒸發(fā)是從含有不揮發(fā)溶質(zhì)的稀溶渡中脫除大量溶劑的最有效的分離方法，但同時(shí)需要消耗大量的加熱蒸汽，能耗較高。日前，蒸發(fā)操作采用的主要節(jié)能措施如下：611采用多效蒸發(fā)多效蒸發(fā)的采用是蒸發(fā)操作節(jié)能的有效手段。采用多個蒸發(fā)器可以提高加熱蒸汽的利用率(加熱蒸汽與蒸發(fā)水分量之比D/W)。多效蒸發(fā)中，前一效的二次蒸汽(低壓蒸汽)作為后一效的加熱蒸汽使用，故提高了加熱蒸汽的利用率，亦即提高了熱能的經(jīng)濟(jì)性，降低了能耗。612 引出額外蒸汽在多效蒸發(fā)流程中。有時(shí)將某一效的二次蒸汽引出一部

17、分作為其他加熱設(shè)備的熱源，只要二次蒸汽的溫位能滿足于其他加熱設(shè)備的需要，引出額外蒸汽總是有利的，而且，引出額外蒸汽的效數(shù)越往后移，生蒸汽的利用率越高，越有利于節(jié)能。613利用冷凝水的熱量蒸發(fā)裝置消耗大量的加熱蒸汽，必產(chǎn)生大量的冷凝水。較高溫位的冷凝水可用于預(yù)熱原料液，或者采用熱泵式冷凝水回收裝置、汽壓罐式冷凝水回收裝置和密閉式高溫冷凝水回收裝置來回收熱能。614再壓縮二次蒸汽可利用機(jī)械壓縮和蒸汽動力壓縮的方法對二次蒸汽進(jìn)行冉壓縮，使二次蒸汽溫度升高后重新作為加熱蒸汽使用，只需補(bǔ)充一定的能量，便可利用其大量潛熱，十分有利于節(jié)能。62干燥操作的節(jié)能問題干燥過程是各種工業(yè)過程廣泛采用的單元操作，其能

18、量消耗相當(dāng)大，因此干燥過程的節(jié)能問題尤為重要。干燥過程的主要節(jié)能措施如下：621 選用合適的干燥流程及設(shè)備干燥操作流程和設(shè)備有各種形式，適應(yīng)于各種場合。如何選用合適的十燥流程與設(shè)備對于干燥過程的節(jié)能是相當(dāng)重要的，這方面主要依據(jù)干燥物料的特性和十燥產(chǎn)品的要求以及生產(chǎn)的實(shí)際情況而定。622降低干燥裝置的熱能供給量首先應(yīng)對原料進(jìn)行預(yù)處理，盡量采用機(jī)械分離方法脫除一部分游離水分，因?yàn)闄C(jī)械分離方法比熱處理分離方法消耗的能量要少得多；其次是改善干燥介質(zhì)的熱狀態(tài)：(1)盡可能提高干燥介質(zhì)的進(jìn)氣溫度，減少干燥過程中的干燥介質(zhì)消耗量，則于燥廢氣帶走的熱能相應(yīng)減少，熱效率提高，針對物料的熱敏性問題，可考慮采用中間

19、加熱的辦法。(2)降低干燥介質(zhì)的出口溫度，提高其濕度，同樣可以減少干燥介質(zhì)的消耗量，提高干燥操作的熱效率，但為防止干燥產(chǎn)品返潮以及設(shè)備的堵塞和設(shè)備材料的腐蝕問題，氣體離開十燥器的溫度需高于進(jìn)入干燥器時(shí)的絕熱飽和溫度2050。4623利用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)(1)采用部分廢氣循環(huán)的干燥流程。將含有大量熱量的部分廢氣返回預(yù)熱室，與新鮮空氣混合使用，可將廢氣中的余熱重新利用，并降低了空氣加熱器的熱負(fù)荷，能耗將下降10。目前，一般的廢氣循環(huán)量控制在20左右。(2)采用熱效率高的傳熱設(shè)備。為了提高傳熱系數(shù)，減少換熱面積，降低設(shè)備投資費(fèi)用，需采用高效的換熱設(shè)備。如新型換熱器空心環(huán)管換熱器，它采用空心環(huán)支承雙面強(qiáng)化傳熱管管束的強(qiáng)化技術(shù)，與一般的管殼型換熱器相比，在相同的傳熱條件下，總傳熱系數(shù)可提高80100，換熱面積可減少3540。(3)采用熱管技術(shù)。熱管吸熱段吸收廢氣熱量，并通過管壁傳給管內(nèi)工質(zhì)，工質(zhì)吸熱后蒸發(fā)成蒸汽。