天津大學(xué)《化工傳質(zhì)》讀書報(bào)告

1、化工傳質(zhì)讀書報(bào)告姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：精餾過程節(jié)能技術(shù)綜述能源短缺問題引起了各國的關(guān)注，同時(shí)我國工信部節(jié)能與綜合利用部門負(fù)責(zé)人表示：“十二五期間，國家節(jié)能減排的指標(biāo)將分解到企業(yè)頭上。”“十二五”約束性指標(biāo)的分配對(duì)象將由地方政府轉(zhuǎn)向行業(yè)和企業(yè)。由此可知，節(jié)能減排的工作必須在各行各業(yè)中引起足夠的重視，企業(yè)應(yīng)采取實(shí)際措施努力降低能耗?；ば袠I(yè)能耗高，節(jié)能減排工作的任務(wù)尤為艱巨。分離是化工生產(chǎn)中非常重要的一個(gè)過程單元，它直接決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量和收率，而占據(jù)著主導(dǎo)地位的分離方法就是精餾。精餾通過加熱液體混合物建立兩相體系，利用溶液中各組分揮發(fā)度的差異實(shí)現(xiàn)組分的分離或提純目的的操作單元。精餾作為化工、石化、

2、醫(yī)藥、食品、冶金等行業(yè)生產(chǎn)過程的重要單元操作，其能耗約占化工生產(chǎn)的40%-70，故采取措施降低蒸餾過程中的能耗日益重要，成為研究的重點(diǎn)所在。在化工生產(chǎn)過程中,分離是非常重要的一個(gè)過程單元,它直接決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量和收率,工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著主導(dǎo)地位的分離方法就是精餾,精餾是利用混合物中各組分揮發(fā)度的不同利用能量進(jìn)行分離的操作單元,具有獨(dú)特的優(yōu)勢1。據(jù)估計(jì),化工過程中40 %70 %的能耗用于分離,而精餾能耗又占其中的95 %2。因此隨著世界能源的日益短缺,精餾過程一直是研究者節(jié)能挖潛的熱點(diǎn)對(duì)象,它的每一個(gè)進(jìn)展都會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于一個(gè)處于中間工序的精餾塔系統(tǒng)而言,優(yōu)化操作的目標(biāo)是在產(chǎn)品滿足

3、質(zhì)量指標(biāo)的情況下,能耗最小。但影響精餾操作的因素很多,本篇文章試著從如下幾方面探討精餾操作節(jié)能降耗的途徑。1.過程技術(shù)節(jié)能1.1操作條件優(yōu)化節(jié)能該方法主要是利用模擬軟件對(duì)精餾過程的操作條件進(jìn)行研究,精餾塔的主要操作條件包括操作壓力、操作溫度、塔板壓降,進(jìn)料位置及溫度、理論板數(shù)、回流比以及回流溫度、塔頂塔底采出量、關(guān)鍵組份的清晰分割程度,塔頂塔底熱負(fù)荷等等,除塔的操作壓力一般是給定的(在設(shè)計(jì)雙效流程除外) ,其它的都可以作為操作變量,通過靈敏度分析、設(shè)計(jì)規(guī)定或者優(yōu)化技術(shù)來確定滿足分離任務(wù)的最佳值,以獲得最小的冷凝負(fù)荷和再沸器熱負(fù)荷,從而使精餾塔能耗最少。目前由于通用模擬軟件的商品化程度的提高,大

4、型化工企業(yè)的操作基本上在最佳條件下進(jìn)行,一些中小型化工企業(yè)的精餾操作還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。1.2中間換熱節(jié)能 對(duì)于塔頂塔底溫度差別比較大的精餾塔,可以通過增加中間換熱器的方式來節(jié)省或回收熱量(冷量) 。中間換熱的方式有兩種:中間冷凝器和中間再沸器。對(duì)塔底再沸器來說(以塔底再沸器為基準(zhǔn)) ,中間冷凝器是回收熱量,中間再沸器是節(jié)省熱量;而對(duì)于塔頂冷凝器來說(以塔頂冷凝器為基準(zhǔn)) ,中間冷凝器是節(jié)省冷量,中間再沸器是回收冷量3。中間冷凝器和中間再沸器的負(fù)荷如果比較大,塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負(fù)荷會(huì)降低,這樣會(huì)導(dǎo)致精餾段回流比和提餾段蒸汽比(氣相回流比) 減少,回流比的減少,應(yīng)當(dāng)相應(yīng)增加塔板數(shù),才能保

5、證產(chǎn)品的分離純度,從而使設(shè)備投資費(fèi)用增加。圖1 描述了這兩種中間換熱方式的示意流程:如果精餾塔在塔下方溫度分布存在顯著的變化,則可設(shè)中間再沸器使用低品位熱源,以減少主再沸器高品位熱量消耗,但中沸器下方塔板分離能力被削弱;當(dāng)塔上部的溫度分布若存在顯著的變化時(shí),則可設(shè)中間冷凝器,采用較低品位的冷劑,減少主冷凝器高品位冷劑的用量,以減少能耗,但其上方的塔板的分離能力有所下降。將中間換熱方式歸類于過程技術(shù)節(jié)能,是因?yàn)樵瓉淼木s塔沒有變化,只不過增設(shè)的中間換熱改變了操作線斜率,利用了低品位能源。在分離任務(wù)一定的情況下,常規(guī)精餾塔塔釜再沸器的供熱量等于設(shè)有中間再沸器的精餾塔塔釜再沸器與中間再沸器供熱量之和

6、。設(shè)置中間再沸器前后,所需要的總的熱負(fù)荷不變。只是在設(shè)置中間再沸器后,部分熱量可以采用低于塔底再沸器的廉價(jià)的廢熱蒸汽提供,塔的熱能有效降級(jí),這使得熱效率提高。對(duì)于給定的精餾塔,通過合理設(shè)置和使用中間再沸器,可以提供最大的熱效率、達(dá)到最大的節(jié)能效果4。2 特殊精餾工藝節(jié)能2.1 熱泵精餾5 - 7熱泵精餾就是靠補(bǔ)償或消耗機(jī)械功,把精餾塔塔頂?shù)蜏靥幍臒崃總鬟f到塔釜高溫處,使塔頂?shù)蜏卣羝米魉自俜衅鞯臒嵩础?.1.1熱泵精餾的類型根據(jù)熱泵所消耗的外界能量不同,熱泵精餾可分為蒸汽加壓方式和吸收式兩種類型。蒸汽加壓方式熱泵精餾分蒸汽壓縮機(jī)方式和蒸汽噴射式兩種。蒸汽壓縮機(jī)方式考慮到冷凝和再沸器熱負(fù)荷的平

7、衡以及便于控制,在流程中往往設(shè)有附加冷卻器和加熱器。按照流程的不同,蒸汽壓縮機(jī)方式又可分為間接式、塔頂氣體直接壓縮式、分割式和塔釜液體閃蒸再沸式等4 種流程。其中間接式熱泵精餾流程利用單獨(dú)封閉循環(huán)的工質(zhì)(制冷劑) 工作,塔頂氣體直接壓縮式是以塔頂氣體作為工質(zhì)的熱泵;分割式熱泵精餾流程分為上下兩塔:上塔類似于常規(guī)熱泵精餾,只不過多了一個(gè)進(jìn)料口;而下塔類似于常規(guī)精餾的提餾段即蒸出塔(或汽提塔) ,進(jìn)料來自上塔的釜液,蒸汽出料則進(jìn)入上塔塔底;閃蒸再沸是熱泵的一種變型,它直接以塔釜出料為冷劑,經(jīng)節(jié)流后送至塔頂換熱,吸收熱量蒸發(fā)為氣體,再經(jīng)壓縮升壓升溫后,返回塔釜。蒸汽壓縮機(jī)方式適用于下述系統(tǒng): 塔頂和

8、塔底溫差較小的場合, 只要塔頂和塔底溫差小于36 ,就可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效果; 被分離物質(zhì)的沸點(diǎn)接近,分離困難,回流比高,因此需要大量蒸氣的場合; 在低壓運(yùn)行時(shí)必須采用冷凍劑進(jìn)行冷凝,為了使用冷卻水或空氣作冷凝介質(zhì),必須在較高塔壓下分離某些易揮發(fā)性物質(zhì)的場合。蒸汽噴射式熱泵是提高低壓蒸汽壓力的專門設(shè)備,其原理是借助高壓蒸汽(驅(qū)動(dòng)蒸汽) 噴射產(chǎn)生的高速汽流,將低壓蒸汽的壓力和溫度提高,而高壓蒸汽的壓力和溫度降低。低壓蒸汽的壓力和溫度提高到工藝能使用的指標(biāo),從而達(dá)到節(jié)能的目的。采用蒸汽噴射泵方式的熱泵精餾具有如下優(yōu)點(diǎn): 新增設(shè)備只有蒸汽噴射泵,設(shè)備費(fèi)低; 蒸汽噴射泵沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件,容易維修,而且維修

9、費(fèi)低; 吸入蒸氣量偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)發(fā)生喘振和阻流現(xiàn)象。這點(diǎn)與蒸汽壓縮機(jī)相同,但由于沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件,就沒有設(shè)備損壞的危險(xiǎn)。蒸汽吸收式熱泵精餾由吸收器、再生器、冷卻器和再沸器等設(shè)備組成,常用溴化鋰水溶液或氯化鈣水溶液為工質(zhì)。精餾塔的冷凝器也是熱泵的再沸器。吸收式熱泵按照機(jī)內(nèi)循環(huán)方向的不同可分為:冷凝器壓力大于蒸發(fā)器壓力的第一類吸收式熱泵( 型) 和蒸發(fā)器壓力高于冷凝器壓力的第二類吸收式熱泵( 型) 。第一類吸收式熱泵需要高溫?zé)嵩打?qū)動(dòng),但不需要外界冷卻水,熱量能得到充分利用,主要應(yīng)用于產(chǎn)生熱水;第二類吸收式熱泵可利用低品位熱能直接驅(qū)動(dòng),以低溫?zé)嵩磁c冷卻水之間的溫差為推動(dòng)力,可產(chǎn)生低壓蒸汽。2.1.2熱泵技

10、術(shù)應(yīng)用需注意的幾個(gè)問題熱泵技術(shù)以其高效節(jié)能的特性,得到了普遍應(yīng)用,但并非任何條件下都適宜采用熱泵技術(shù),應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行可行性判定:(1) 是否存在優(yōu)質(zhì)的熱源,通常熱源應(yīng)溫度較高,穩(wěn)定量大,與熱泵設(shè)置點(diǎn)距離較近,且不具有腐蝕性,不易結(jié)垢,對(duì)設(shè)備磨損較小;(2) 是否有合適的用熱需求,應(yīng)根據(jù)所采用的熱泵類型,確定合適的供熱溫度,使熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較好;(3) 運(yùn)行成本是否低。由于供熱方式的改變,相應(yīng)增加了其它消耗,應(yīng)探討是否具有經(jīng)濟(jì)效益,一般熱泵節(jié)能率達(dá)30 %以上時(shí),才能比鍋爐供熱成本低;(4) 還應(yīng)當(dāng)注意采用熱泵技術(shù)后,是否對(duì)原系統(tǒng)產(chǎn)生其它影響,如意外故障的應(yīng)變性、負(fù)荷變化時(shí)的適應(yīng)性,以及系

11、統(tǒng)整體的熱量平衡等。2.2熱偶精餾8 - 14熱偶精餾由于既節(jié)能又節(jié)省設(shè)備投資引起了人們的廣泛關(guān)注。最早的熱偶精餾是50 年前由Petlyuk 提出的,研究發(fā)現(xiàn)熱偶精餾比常規(guī)精餾過程節(jié)能至少30 %以上,但受當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件所限而難以工業(yè)化。近年來,隨著對(duì)節(jié)能要求的提高,且由于控制技術(shù)的提高,熱偶精餾方面的研究又趨于活躍,一些大公司已將其中的分隔壁精餾塔工業(yè)化。熱偶精餾主要用于三組份混合物分離或?qū)⒒旌衔锓譃槿N產(chǎn)物, 可分為以下幾種形式514: 側(cè)線蒸餾塔, 由主塔和側(cè)線蒸餾塔組成; 側(cè)線提餾塔,由主塔和側(cè)線提餾塔組成: 完全熱偶精餾,最早由Petlyuk 提出, 故又稱為Petlyuk 蒸餾塔

12、,由主塔和預(yù)分餾塔構(gòu)成,預(yù)分塔的作用是將混合物進(jìn)行初步分離, 輕關(guān)鍵組份全部由塔頂分出,重關(guān)鍵組份完全由塔釜采出,中間組份在塔頂、塔底之間分配,主塔的作用則是對(duì)預(yù)分塔塔頂和塔底的物料進(jìn)一步分離, 得到符合要求的產(chǎn)物; 立式隔板塔(圖2) ,在塔內(nèi)部采用立式隔板將塔從中間隔開分成兩部分,這一結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上可認(rèn)為是將petlyuk 蒸餾塔的主塔和預(yù)分塔組合于同一塔內(nèi)。對(duì)于某給定的物料,隔板塔精餾和常規(guī)精餾流程相比需更小的回流比,增大了操作容量,節(jié)能最高可達(dá)到60 %以上,可省設(shè)備投資30 %。隔板塔精餾塔能廣泛地應(yīng)用于石油精制、石油化工、化學(xué)品及氣體精制。 熱偶精餾塔節(jié)能的主要原因有兩點(diǎn): 熱偶精餾

13、塔較好地解決了中間組分在塔內(nèi)的再混合問題;熱偶精餾預(yù)分塔進(jìn)入主塔的物料, 其組成能夠較好地和主塔進(jìn)料板上的組成相匹配,符合最佳進(jìn)料板的要求。熱偶精餾流程并不適用于所有化工分離過程,它的應(yīng)用有一定的限制,這是因?yàn)?雖然此類塔從熱力學(xué)角度來看具有最理想的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),但它主要是通過對(duì)輸入精餾塔的熱量的“重復(fù)利用”而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)再沸器所提供的熱量非常大或冷凝器需將物料冷至很低溫度時(shí),此工藝會(huì)受到很大限制。 此外,熱偶精餾流程對(duì)所分離物系的純度、進(jìn)料組成、相對(duì)揮發(fā)度及塔的操作壓力都有一定的要求:產(chǎn)品純度:熱偶精餾流程所采出的中間產(chǎn)品的純度比一般精餾塔側(cè)線出料達(dá)到的純度更大,因此,當(dāng)希望得到高純度的中間產(chǎn)品時(shí)

14、,可考慮使用熱偶精餾流程。如果對(duì)中間產(chǎn)品的純度要求不高,則直接使用一般精餾塔側(cè)線采出即可。進(jìn)料組成:若分離A、B 和C 三個(gè)組分,且相對(duì)揮發(fā)度依次遞增時(shí),采用該類塔型時(shí),進(jìn)料混合物中組分B 的量應(yīng)最多,而組分A 和C 在量上應(yīng)相當(dāng)。相對(duì)揮發(fā)度:當(dāng)組分B 是進(jìn)料中的主要組分時(shí),只有當(dāng)組分A 的相對(duì)揮發(fā)度和組分B 的相對(duì)揮發(fā)度的比值與組分B 的相對(duì)揮發(fā)度和組分C 的相對(duì)揮發(fā)度的比值相當(dāng)時(shí),采用熱偶精餾具有的節(jié)能優(yōu)勢最明顯。如果組分A 和組分B (與組分B 和組分C 相比) 非常容易分離時(shí),從節(jié)能角度來看就不如使用常規(guī)的兩塔流程了。塔的操作壓力:整個(gè)分離過程的壓力不能改變。當(dāng)需要改變壓力時(shí),則只能使

15、用常規(guī)的雙塔流程。2.3多效精餾1518 多效精餾是以多塔代替單塔,各塔的能量品位級(jí)別不同,品位較高的塔排出的能量用于品位較低的塔,從而達(dá)到節(jié)能的目的。 多效精餾的工藝流程根據(jù)加熱蒸汽和物料的流向不同,可分為平流、順流和逆流三種;按效數(shù)可分為兩效(雙效) 、三效、四效等,最常見的是兩效(雙效) 。雙效精餾是把原來的一個(gè)精餾塔分成兩個(gè)分別在不同壓力操作下的塔,通過兩效之間的壓力不同,使前一效的冷凝器與后一效的再沸器相匹配。與普通精餾塔精餾相比,雙效精餾可以充分利用冷熱劑固有溫差,減少傳熱的不可逆性,減少公用工程消耗,但同時(shí)增加了設(shè)備費(fèi)用。雙效精餾的4 種基本類型即:(1) 平流型:原料被分成大致

16、均勻的兩股分別送入高、低壓兩塔中,其中以高壓塔塔頂蒸汽向低壓塔塔釜提供熱量,兩塔均從塔頂、塔釜采出產(chǎn)品。(2) 順流型LGH 型:流程從高壓塔進(jìn)料,高壓塔塔頂產(chǎn)品作為低壓塔進(jìn)料,兩塔塔釜均采出產(chǎn)品,而塔頂產(chǎn)品全由低壓塔塔頂采出。(3) 順流HGL 型:此流程也只從高壓塔進(jìn)料,高壓塔塔底產(chǎn)品作為低壓塔進(jìn)料,兩塔塔頂均采出產(chǎn)品,塔底產(chǎn)品只從低壓塔采出。(4) 逆流型:所有原料都進(jìn)入低壓塔,其塔底采出作為原料送入高壓塔,兩塔塔頂均有產(chǎn)品采出,而塔底只有高壓塔有產(chǎn)品采出。3.內(nèi)部能量熱集成當(dāng)精餾塔的分離程度要求很高或系統(tǒng)本身很難分離時(shí),通過增加理論板數(shù)、調(diào)大回流比等手段來提高產(chǎn)品濃度,效果有限而能耗卻

17、大幅增加,一般采用混合系統(tǒng)來代替單純精餾系統(tǒng),如精餾- 膜分離混合系統(tǒng)、精餾- 吸收混合系統(tǒng)、精餾- 反應(yīng)混合系統(tǒng)等。這些措施雖然能起到一定的節(jié)能降耗的作用,但和傳統(tǒng)精餾塔系的熱集成技術(shù)一樣,沒有從根本上增加能量利用的可逆程度。Freshwater首次提出了內(nèi)部能量集成塔的概念,該技術(shù)把傳統(tǒng)塔從進(jìn)料處分成兩個(gè)內(nèi)部存在能量集成的精餾塔,分別稱為精餾段和提餾段。利用精餾段上升的蒸氣加熱提餾段下降的液體,在精餾段和提餾段之間設(shè)置壓縮機(jī)以加壓提餾段塔頂出來的蒸氣使其溫度升高,這樣通過兩部分間的能量集成可以在精餾段和提餾段的內(nèi)部分別產(chǎn)生內(nèi)回流和上升蒸氣,理想的結(jié)果是外回流和再沸器的熱負(fù)荷都降為0,回流液

18、體和再沸蒸氣完全由塔間的能量集成提供,即理想內(nèi)部熱集成。這樣能量利用的可逆程度進(jìn)一步得到提高,可大幅降低能耗,同時(shí)內(nèi)部能量集成精餾塔更適合分離相對(duì)揮發(fā)度接近1的物系。如丙烯- 丙烷物系,理想內(nèi)部能量集成精餾塔的節(jié)能優(yōu)勢明顯,節(jié)能可達(dá)60%80%。4.加強(qiáng)操作控制管理加強(qiáng)操作管理是最廉價(jià)的節(jié)能技術(shù),其實(shí)質(zhì)是使過程處于最佳運(yùn)行狀態(tài),盡可減少不必要的能耗。具體措施有: 嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量; 改進(jìn)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。為防止精餾過程中操作參數(shù)的波動(dòng),都會(huì)設(shè)有一定的安全余量,若采用高精度的感應(yīng)器、可靠的控制回路與儀表、較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型組成先進(jìn)的控制系統(tǒng),全面優(yōu)化流程,使操作基本上在最佳條件下進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效。如

19、在丙烯- 丙烷的分離過程中,采用先進(jìn)控制系統(tǒng),可使R由15. 6降至13. 5,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能13. 5%; 加強(qiáng)設(shè)備維修保養(yǎng) ,保證所有設(shè)備處于最佳傳熱狀態(tài),減少開停車; 提高工作人員技術(shù)水平和節(jié)能意識(shí),降低人為造成的能量浪費(fèi)。5.我國精餾過程節(jié)能現(xiàn)狀與趨勢 近年來,由于能源的短缺,精餾過程節(jié)能的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用研究非?；钴S。一方面隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與軟件的發(fā)展,大型化工軟件商業(yè)化越來越多,靜態(tài)模擬軟件如Aspen ,proII 等已成為化學(xué)工程師的基本設(shè)計(jì)與優(yōu)化工具,動(dòng)態(tài)模擬軟件如gPORMS 以及研究物體流動(dòng)性能的CFD 等軟件也開始在一定范圍內(nèi)風(fēng)行,這都在一定程度上促進(jìn)了人們對(duì)精餾操作的規(guī)律性

20、認(rèn)識(shí)和本質(zhì)認(rèn)識(shí),有利于對(duì)精餾過程的節(jié)能研究。另一方面,各類特殊精餾工藝的技術(shù)日趨成熟,開始在工業(yè)過程中獲得實(shí)際應(yīng)用,如熱泵精餾在處理丙烯- 丙烷系統(tǒng),乙苯- 對(duì)二甲苯過程中獲得廣泛應(yīng)用,在丁二烯系統(tǒng)中的熱偶精餾的運(yùn)用等,都取得了良好的節(jié)能效果。我國在精餾過程節(jié)能的理論研究和技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用方面與國外都存在著比較大的差距,國外現(xiàn)在已開展對(duì)多種方式相結(jié)合的節(jié)能研究19,國內(nèi)尚未見有報(bào)導(dǎo),尤其在工業(yè)實(shí)用方面差距明顯,這也與我國工業(yè)生產(chǎn)中的工藝技術(shù)水平整體比較落后有關(guān),如對(duì)熱偶精餾中的分隔壁精餾塔的研究。迄今為止,至少有40 套分隔壁精餾塔進(jìn)行商業(yè)運(yùn)行,大部分屬于德國的BASF 公司,主要用于分離中間產(chǎn)

21、物含量高的三元混合物。而我國目前尚未見有隔板塔的工業(yè)應(yīng)用報(bào)導(dǎo)。因此我國應(yīng)該加強(qiáng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用研究,尤其是對(duì)當(dāng)前最具前途的隔板精餾塔的應(yīng)用研究。6.結(jié)語精餾系統(tǒng)節(jié)能有多種途徑，我們應(yīng)該根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益來決定最終采用什么途徑。精餾過程在化工單元操作中由于能耗大,節(jié)能潛力高而倍受關(guān)注。石化行業(yè)從“能耗密集型”向“技術(shù)密集型”轉(zhuǎn)變,是大勢所趨。這既是煉化技術(shù)本身不斷進(jìn)步的要求和體現(xiàn),也是人類社會(huì)不斷發(fā)展對(duì)資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)而提出的要求。節(jié)能降耗作為科學(xué)發(fā)展觀引領(lǐng)下的中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展,作為我國發(fā)展工業(yè)的基本政策,對(duì)于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的健康可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。參考文獻(xiàn)1Bravo J L , Fair

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