精餾過(guò)程的節(jié)能途徑及新型的精餾技術(shù)

精餾過(guò)程的節(jié)能途徑及新型的精餾技術(shù)精餾過(guò)程的節(jié)能途徑及新型的精餾技術(shù)精餾過(guò)程的節(jié)能途徑及新型的精餾技術(shù)xxx公司精餾過(guò)程的節(jié)能途徑及新型的精餾技術(shù)文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度精餾過(guò)程的節(jié)能途徑及新型的精餾技術(shù)[摘要]精餾是化工、石化、醫(yī)藥等過(guò)程的重要單元操作，它是一類(lèi)高能耗的單元過(guò)程，其能耗約占化工生產(chǎn)的60%，其節(jié)能途徑包括多效精餾、熱泵精餾、熱耦精餾技術(shù)、內(nèi)部熱集成蒸餾塔、新型高效分離技術(shù)等。多效精餾由N個(gè)并列操作的精餾塔構(gòu)成，再沸器的加熱蒸汽可減少到原來(lái)單效精餾所需加熱蒸汽的1/N左右；熱泵精餾能使能耗減少20%左右；熱耦精餾比兩個(gè)常規(guī)塔精餾可節(jié)省30%左右；內(nèi)部熱集成蒸餾塔節(jié)省的能耗可達(dá)30～60%這些技術(shù)已成功地完成了中試，節(jié)能可達(dá)到30～60%。[關(guān)鍵詞]精餾；節(jié)能前言在工業(yè)生產(chǎn)中，石油化學(xué)工業(yè)的能耗所占比例最大，而石油化學(xué)工業(yè)中能耗最大者為分離操作，其中又以精餾的能耗居首位。精餾過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過(guò)程，表現(xiàn)為：過(guò)程變量多，被控變量多，可操縱的變量也多；過(guò)程動(dòng)態(tài)和機(jī)理復(fù)雜”。首先，隨著石油化工的迅速發(fā)展，精餾操作的應(yīng)用越來(lái)越廣，分離物料的組分不斷增多，分離的產(chǎn)品純度要求亦不斷提高，但人們同時(shí)又不希望消耗過(guò)多的能量，這就對(duì)精餾過(guò)程的控制提出了要求。其次，作為化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的分離過(guò)程，精餾也是耗能較大的一種化工單元操作。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證產(chǎn)品合格，精餾裝置操作往往偏于保守，操作方法以及操作參數(shù)設(shè)置往往欠合理。另外，由于精餾過(guò)程消耗的能量絕大部分并非用于組分分離，而是被冷卻水或分離組分帶走。因此，精餾過(guò)程的節(jié)能潛力很大，合理利用精餾過(guò)程本身的熱能，就能降低整個(gè)過(guò)程對(duì)能量的需求，減少能量的浪費(fèi)，使節(jié)能收效也極為明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)精餾過(guò)程的能耗占全國(guó)能耗的3％，如果從中節(jié)約10％，每年可節(jié)省5億美元。我國(guó)的煉油廠消耗的原油占其煉油量的8％～10％，其中很大一部分消耗于精餾過(guò)程。因此，在當(dāng)今能源緊缺的情況下，對(duì)精餾過(guò)程的節(jié)能研究就顯得十分重要。例如，美國(guó)巴特爾斯公司在波多黎各某芳烴裝置的8個(gè)精餾塔上進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化操作，每年可節(jié)約310萬(wàn)美元。近年來(lái)，研究開(kāi)發(fā)了許多新型的精餾塔系統(tǒng)，文章主要介紹幾種精餾塔系統(tǒng)精餾過(guò)程是最重要的化工單元過(guò)程之一，它又是一類(lèi)高能耗的單元過(guò)程。精餾過(guò)程節(jié)能研究，在塔的結(jié)構(gòu)形式上近十幾年來(lái)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。精餾過(guò)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)、熱泵技術(shù)、熱耦精餾技術(shù)、新塔型和高效填料等。1、改變操作條件和方法選擇適宜的回流比回流比越小，則凈功耗越小。為此，應(yīng)在可能條件下減小操作的回流比R。塔徑將隨回流比的增加而加大。因此，最優(yōu)回流比反映了設(shè)備費(fèi)用與操作費(fèi)用之間的最佳權(quán)衡。據(jù)報(bào)道，曾對(duì)70個(gè)不同的烴類(lèi)精餾塔統(tǒng)計(jì)計(jì)算，最優(yōu)回流比Ropt都在最小回流比的～倍之間，一般在分離物系具有較大的相對(duì)揮發(fā)度或分離要求不很高的情況下，相反若物系的相對(duì)揮發(fā)度接近于l或分離要求很高，則采用的Ropt要顯著地高于Rmin。在一般情況下，若在Ropt下操作，總費(fèi)用大部分是加熱蒸汽的費(fèi)用，約占70％，而冷卻水的費(fèi)用只占百分之幾。但當(dāng)塔項(xiàng)冷凝器溫度低于大氣溫度時(shí)，即在低溫冷凝時(shí)，冷凍費(fèi)用便是主要的了。對(duì)于已定的精餾塔和分離物系，回流比和產(chǎn)品純度密切相關(guān)。為了確保得到純度合格的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)時(shí)有一定的回流余量，余量越大，能耗越高。對(duì)于回流設(shè)置較大的精餾塔，在不降低產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)的條件下，只要降低回流量，即可降低塔底再沸器的能耗。選擇適宜的操作壓力加壓精餾有利于采用廉價(jià)加熱介質(zhì)和冷凝介質(zhì)，如蒸汽和水。一方面，加壓精餾可以減少單位產(chǎn)品的能源消耗。加壓精餾實(shí)質(zhì)上是提高被分離物系自身的飽和蒸汽壓。系統(tǒng)內(nèi)蒸汽壓力升高，被分離物系的溫度也相應(yīng)增高。另一方面，加壓精餾可充分利用廉價(jià)資源，由于精餾塔內(nèi)飽和蒸汽壓的提高，相應(yīng)的餾出物的露點(diǎn)也隨著增高，這就為使用廉價(jià)循環(huán)冷卻水或低溫水作為冷卻介質(zhì)創(chuàng)造了條件，在很大程度上減少了使用冰鹽水或更高檔次冷卻介質(zhì)的可能性。采用水作為冷卻介質(zhì)可較大限度降低單位產(chǎn)品的投資和操作費(fèi)用，同時(shí)由于減少了冰鹽水的使用量，而相應(yīng)降低了能耗。減壓精餾可以使許多高沸點(diǎn)化合物在分離過(guò)程中避免使用高價(jià)值的加熱介質(zhì)，如熱油等。采用蒸汽加熱使用方便，價(jià)格低，同時(shí)由于傳熱系數(shù)大，有利于減少傳熱面積、節(jié)省投資；同時(shí)減壓精餾可以避免熱敏化合物的分解或聚合，減少物料的損失而降低消耗。選擇適宜的進(jìn)料板位置和進(jìn)料狀態(tài)若進(jìn)塔的物料成分與加料板的成分差別較大，則應(yīng)更換進(jìn)料位置(一般塔都有幾個(gè)進(jìn)料口可供調(diào)節(jié))。在保證產(chǎn)品同一質(zhì)量品質(zhì)的前提下，進(jìn)料中重組分增加，可降低進(jìn)料口位置，減小提餾段可降低塔釜加熱熱量。如果被分離的物料來(lái)源不同，各組分的含量差異較大，可將各種物料混合后進(jìn)行單塔處理或一塔多股進(jìn)料。實(shí)際證實(shí)多股進(jìn)料完成相同的分離任務(wù)，能耗較低。這是因?yàn)榛旌线^(guò)程是增熵的過(guò)程，各組分不同的幾股進(jìn)料的混合，增加了過(guò)程的不可逆性，必然增加精餾過(guò)程的能耗。進(jìn)料狀態(tài)將直接影響精餾塔的能耗q變小，使操作線(xiàn)更接近于氣液平衡線(xiàn)，使提餾段塔板數(shù)減少，提餾蒸汽負(fù)荷減少，從而可節(jié)省蒸汽。q增大，蒸汽量增加，但分離效果得到改善。2、多效精餾多效精餾由N個(gè)并列操作的精餾塔構(gòu)成，操作壓力由左至右逐效降低。前面較高壓力塔的塔頂蒸汽作為后面較低壓力的塔底再沸器的加熱介質(zhì)，在其中冷凝。如果相鄰兩塔的冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷平衡，則只有第一塔的再沸器需要加熱蒸汽，最后一塔的冷凝器需要冷卻介質(zhì)。采用N效蒸餾后，再沸器所需的加熱蒸汽可減少到原來(lái)單效精餾所需加熱蒸汽的1/N左右。實(shí)踐證明，兩效精餾操作所需熱量與單效精餾比較，可減少30～40%。3、低溫?zé)岜镁s當(dāng)塔頂冷凝器采用致冷劑冷卻時(shí)稱(chēng)為低溫精餾。低溫精餾可用較低的壓力。同時(shí)由于低溫時(shí)相對(duì)揮發(fā)度較大，可采用較小的回流比，以減小冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷。使用單效精餾并用熱泵將熱量從冷凝器泵送至再沸器的低溫精餾，稱(chēng)為熱泵精餾。熱泵精餾能使能耗減少。為了使塔頂蒸汽冷凝時(shí)所放出的熱能提供給再沸器作為氣化室的熱源，使用了膨脹閥和壓縮機(jī)，以改變冷凝或沸騰的溫度。圖2為最簡(jiǎn)單的熱泵精餾，在塔頂冷凝器和塔底再沸器之間聯(lián)上一股閉路循環(huán)的外加致冷劑，致冷劑在塔頂冷凝器中蒸發(fā)時(shí)吸收熱量，然后經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，塔釜再沸器冷凝并放出熱量，再經(jīng)節(jié)流閥減壓至塔頂冷凝器中蒸發(fā)。如此反復(fù)，不斷將熱量從溫度較低的冷凝器泵送至溫度較高的再沸器[2]。4、熱耦精餾技術(shù)熱耦精餾是20世紀(jì)60年代提出的一種復(fù)雜蒸餾技術(shù)，主要用于三元混合物的分離。該類(lèi)型塔已在1989年由德國(guó)BASF公司率先實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，與常規(guī)蒸餾塔相比熱耦蒸餾可以節(jié)省能耗達(dá)30%左右?？梢杂靡粋€(gè)全塔和一個(gè)副塔代替兩個(gè)完整的精餾塔，從全塔內(nèi)引出一股液相物流直接作為副塔塔頂?shù)囊合嗷亓鳎鲆还蓺庀辔锪髦苯幼鳛楦彼椎臍庀嗷亓?，使副塔避免使用冷凝器和再沸器，?shí)現(xiàn)了熱量的耦合，稱(chēng)為熱耦精餾。熱耦精餾在熱力學(xué)上是最理想的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，既可節(jié)省設(shè)備投資，又可節(jié)省能耗。計(jì)算表明，熱耦精餾比兩個(gè)常規(guī)塔精餾可節(jié)省能耗30%左右。日本的住友重工株式會(huì)社和KruppUhde建成了工業(yè)化的熱耦蒸餾塔，美國(guó)UOP公司在提純粗庚烷裝置中采用了立式隔板蒸餾塔(熱耦蒸餾塔的一種)。它采用多股進(jìn)料技術(shù)，并包括了吸收過(guò)程。從近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)看，熱耦蒸餾的工業(yè)應(yīng)用有良好的前景。Agrawal和Fidkowski從熱力學(xué)效率角度出發(fā)，分析了分離三元理想飽和液體時(shí)熱耦蒸餾與常規(guī)序列的差異。Schultz等[4]提出了選用熱耦蒸餾的一些經(jīng)驗(yàn)法則，認(rèn)為選用熱耦蒸餾的情況是：進(jìn)料中間組分的含量比較多，輕關(guān)鍵組分與中間組分之間的相對(duì)揮發(fā)度和中間組分與重關(guān)鍵組分之間的相對(duì)揮發(fā)度較接近。呂向紅、陸恩錫[5]采用蒸餾計(jì)算的嚴(yán)格模型，模擬研究三組分混合物分離的熱耦蒸餾塔和常規(guī)簡(jiǎn)單蒸餾序列的能耗，分析熱耦蒸餾塔應(yīng)用的前提條件，從而提出熱耦蒸餾塔選用的原則：(1)當(dāng)分離指數(shù)ESI<1時(shí)，如果中間組分的含量較低，則不宜于選用熱耦蒸餾的方案；當(dāng)其摩爾分?jǐn)?shù)超過(guò)60%后，選用熱耦蒸餾方案則比常規(guī)簡(jiǎn)單方案減少能耗10%。(2)當(dāng)ESI在～時(shí)，無(wú)論中間組分的含量高或低，選用熱耦蒸餾方案都優(yōu)于常規(guī)方案，既減少能耗，又節(jié)省設(shè)備投資。(3)當(dāng)ESI＞1時(shí)，不宜于選用熱耦蒸餾方案。(4)如常規(guī)蒸餾2塔操作壓力差較大，亦不宜選用熱耦蒸餾方案。5、內(nèi)部熱集成蒸餾塔內(nèi)部熱集成蒸餾塔，指同一塔本身的精餾段和提餾段進(jìn)行熱量集成。它是通過(guò)蒸餾塔精餾段和提餾段的熱集成實(shí)現(xiàn)蒸餾塔的無(wú)冷凝器和再沸器操作，從而大幅度降低能耗，與常規(guī)蒸餾塔相比節(jié)省的能耗可達(dá)30～60%；這是迄今所知節(jié)能幅度最大、最先進(jìn)的蒸餾塔型式。這一設(shè)想最早于20世紀(jì)60年代由Freshwatert提出，其后不斷有學(xué)者發(fā)表研究成果。日本學(xué)者M(jìn)．Nakaiwa等在完成實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，已于2000年通過(guò)了該塔的中試，目前正朝著工業(yè)化的方向進(jìn)展。內(nèi)部熱集成塔和傳統(tǒng)的蒸餾塔有著相當(dāng)大的區(qū)別：傳統(tǒng)蒸餾塔必不可少的塔頂冷凝器和塔釜再沸器已不再需要，原有的一個(gè)蒸餾塔被分成精餾和提餾2個(gè)塔，精餾塔放置在提餾塔內(nèi)部。由于實(shí)施了內(nèi)部熱集成，故該類(lèi)塔具有非常高的熱力學(xué)效率。6、采用新型高效分離技術(shù)分離技術(shù)是通過(guò)塔設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。對(duì)常規(guī)板式塔改造，采用高效導(dǎo)向篩板，可降低能耗，提高生產(chǎn)能力[7]。高效導(dǎo)向篩板高效導(dǎo)向篩板是北京化工大學(xué)在對(duì)包括篩板塔板在內(nèi)的各種塔板進(jìn)行深入細(xì)致研究的基礎(chǔ)，發(fā)揮篩板塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的特點(diǎn)，克服其漏點(diǎn)高、效率低的缺點(diǎn)，并且通過(guò)對(duì)各種塔板進(jìn)行深入研究、綜合比較，結(jié)合塔板上流體力學(xué)和傳質(zhì)學(xué)的研究開(kāi)發(fā)的一種新型高效塔板，其工作原理如圖6所示。高效導(dǎo)向篩板是在高效導(dǎo)向篩板上開(kāi)設(shè)了大量篩孔及少部分導(dǎo)向孔，通過(guò)篩孔的氣體在塔板上與液體錯(cuò)流，穿過(guò)液層垂直上升，通過(guò)導(dǎo)向篩板的氣體沿塔板水平前進(jìn)，將動(dòng)量傳遞給塔板上水平流動(dòng)的液體，從而推動(dòng)液體在塔板上均勻穩(wěn)定前進(jìn)，克服了原來(lái)塔板上的液面落差和液相返混，提高了生產(chǎn)能力和板效率，解決了堵塔、夜泛等問(wèn)題。另外，在傳統(tǒng)塔板上，由于液面梯度，在塔板的上游總存在個(gè)非活化區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)氣流無(wú)法穿過(guò)液層而上升鼓泡。實(shí)驗(yàn)測(cè)定，非活化區(qū)的面積約占塔截面積的1/3左右。高效導(dǎo)向篩板在液流入口處增加了向上凸成斜臺(tái)狀的鼓泡促進(jìn)器，促使液體一進(jìn)入塔板就能產(chǎn)生鼓泡，帶來(lái)了良好的氣液接觸與傳質(zhì)。高效導(dǎo)向篩板具有以下特點(diǎn)：(1)生產(chǎn)能力大；(2)效率高；(3)壓降低；(4)抗堵能力強(qiáng)；(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。板填復(fù)合塔板板填復(fù)合塔板是北京化工大學(xué)對(duì)板式塔與填料塔進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，充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)合塔板的工作原理如圖7所示。氣體從塔板下方以一定的氣速通過(guò)塔板上的開(kāi)孔而進(jìn)入提液管，液體也通過(guò)提液管與塔板間隙被帶入提液管中并被拉成液膜，兩者并流上升，在上升過(guò)程中在液膜表面進(jìn)行氣液傳質(zhì)。然后氣液并流進(jìn)入填料中，在填料表面液體被碰碎，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與氣體的傳質(zhì)。從填料中噴出的氣體進(jìn)入上層填料，而液體下降到下一層塔板，繼續(xù)進(jìn)行傳質(zhì)與分離。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。新型高效填料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(rùn)程度和氣液兩相流體分布的均勻程度。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(lèi)，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(méi)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(mǎn)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件。新型高效散堆填料金屬鮑爾環(huán)填料金屬鮑爾環(huán)填料是20世紀(jì)40年代德國(guó)BASF公司在拉西環(huán)填料的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的。它采用金屬薄板沖軋制成，在環(huán)壁上開(kāi)出了2排帶有內(nèi)伸舌葉的窗孔，每排窗有5個(gè)舌葉彎入環(huán)內(nèi)指向環(huán)心，在中心處幾乎相搭，上下2層窗孔的位置相互錯(cuò)開(kāi)，一般開(kāi)孔的總面積為整個(gè)環(huán)面積的35%左右。由于在環(huán)壁上開(kāi)了許多窗孔，使得填料層內(nèi)的氣、液分布情況及傳質(zhì)性能比拉西環(huán)有較大的改善。金屬階梯環(huán)填料階梯環(huán)填料是20世紀(jì)70年代初由英國(guó)傳質(zhì)公司應(yīng)用價(jià)值分析技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種改進(jìn)的開(kāi)孔環(huán)填料。這種填料降低了環(huán)的高度，并在環(huán)的2個(gè)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10～20%；在同樣氣速下，壓力降較鮑爾環(huán)低30～40%。金屬環(huán)矩鞍填料這是美國(guó)諾頓(Norton)公司率先研究開(kāi)發(fā)的一種新型填料，