精餾過程節(jié)能技術(shù)

1、精餾過程節(jié)能技術(shù)簡述【摘要】如今環(huán)境問題逐漸顯露，環(huán)境與能源的保護越來越得到社會的重視。尤其是化工行業(yè)的資源節(jié)約更是在國際中都得到重視。也因此節(jié)能的技術(shù)、工藝等節(jié)能措施等都得到了新的發(fā)展。本文便針對其中的化工精餾節(jié)能問題進行討論?！娟P(guān)鍵詞】化工節(jié)能；精餾技術(shù)1 前言在工業(yè)生產(chǎn)中，石油化學工業(yè)的能耗所占比例最大，而石油化學工業(yè)中能耗最大者為分離操作，其中又以精餾的能耗居首位。精餾過程是一個復雜的傳質(zhì)傳熱過程，表現(xiàn)為過程變量多、被控變量多、可操縱的變量多、過程動態(tài)和機理復雜。隨著石油化工的迅速發(fā)展，精餾操作的應用越來越廣，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，但我們同時又不希望消耗

2、過多的能量，這就對精餾過程的控制提出了要求。作為化工生產(chǎn)中應用最廣的分離過程，精餾也是耗能較大的一種化工單元操作。在實際生產(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)設置往往欠合理。另外，由于精餾過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，精餾過程的節(jié)能潛力很大，合理利用精餾過程本身的熱能，就能降低整個過程對能量的需求，減少能量的浪費，使節(jié)能收效也極為明顯。因此，在當今能源緊缺的情況下，對精餾過程的節(jié)能研究就顯得十分重要。近年來，由于能源的短缺，精餾過程節(jié)能的技術(shù)開發(fā)和應用研究非常活躍。一方面隨著計算機技術(shù)與軟件的發(fā)展，大型化工軟件商業(yè)化

3、越來越多，靜態(tài)模擬軟件如Aspen，proII等已成為化學工程師的基本設計與優(yōu)化工具，動態(tài)模擬軟件如gPORMS以及研究物體流動性能的CFD等軟件也開始在一定范圍內(nèi)風行，這都在一定程度上促進了人們對精餾操作的規(guī)律性認識和本質(zhì)認識，有利于對精餾過程的節(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)過程中獲得實際應用，如熱泵精餾在處理丙烯-丙烷系統(tǒng)，乙苯-對二甲苯過程中獲得廣泛應用，在丁二烯系統(tǒng)中的熱偶精餾的運用等，都取得了良好的節(jié)能效果。本文從以下幾方面討論了精餾過程的節(jié)能技術(shù)：(1)過程技術(shù)節(jié)能；（2）特殊精餾工藝節(jié)能。2 過程技術(shù)節(jié)能2.1 優(yōu)化操作條件從能量的本質(zhì)看，精餾過程

4、是將物理有效能轉(zhuǎn)化為擴散有效能，同時伴隨物理有效能的降價損失。精餾過程有效能損失是由下列過程的不可逆性引起的：一是流體流動的壓降；二是相濃度不平衡物流間的傳質(zhì)或不同濃度物流間的混合；三是不同溫度物流間的傳熱或不同溫度物流間的混合。通過對精餾塔傳熱過程的分析，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、塔頂塔底熱負荷等等。除塔的操作壓力一般是給定的（在設計雙效流程除外），其它的都可以作為操作變量，通過靈敏度分析、設計規(guī)定或者優(yōu)化技術(shù)來確定滿足分離任務的最佳值，以獲得最小的冷凝負荷和再沸器熱負荷，從而使

5、精餾塔能耗最少。因此，可以得到如下節(jié)能途徑：（1）通過減少最小蒸汽負荷 GMIN來降低Q消耗。如果塔頂壓力不變，則塔壓降P 愈小，平均相對揮發(fā)度愈高，GMIN也就愈小，相應所需實際加熱量就減少。（2）使所需上升蒸汽量G減少來降低加熱負荷。回流比R下降，可以直接使G下降。為了達到同樣分離程度就應使理論塔板數(shù)NT提高。可以采用高效精餾塔內(nèi)件(如高效塔板或高效填料)使每米理論板當量數(shù)增大。此外，還可以通過改進自動控制，使回流比準確地控制在設定點上，從而減少回流比裕量，直接降低回流比。（3）減少塔頂與塔釜溫差，可以使熱傭損下降。除了可以降低塔壓降P 來達到外，尚可采用中間再沸器或中間冷凝器來達到。（4

6、）提高料液溫度使進料部分氣化或全部氣化，可取得良好的節(jié)能效果，而且操作簡單，控制方便，投資費用也很小1。2.2 中間換熱節(jié)能2.2.1 選擇多效精餾多效精餾的原理類似于多效蒸發(fā)，即將多組分的分離安排在一系列壓力依次遞減的精餾塔中去完成。高壓塔頂產(chǎn)品冷凝汽化潛熱被用來對壓力較低的塔提供再沸能量。多效精餾加熱蒸汽的用量與效數(shù)近似成反比，效數(shù)越多，用量越少。但效數(shù)的增加受到第一級加熱蒸汽壓力及末級介質(zhì)種類的限制，而且，效數(shù)越多，設備投資過大且操作困難，固常采用雙效精餾。2.2.2 優(yōu)化多塔精餾的排列順序采用精餾系列將N個組分分離開來應需N+1個塔，而其排列順序可以有多種方案，例如 3 個組分就有 2

7、 個排列方案，6 個組分就有 42 個方案，選擇好壞將對能耗產(chǎn)生重大影響。根據(jù)研究結(jié)果，可參考以下結(jié)論：(1)產(chǎn)品按塔頂產(chǎn)品的揮發(fā)度依次遞減順序逐個回收；(2)最難分離的組分放在最末分離。因為難分離組分精餾分離時要求的回流比很大，塔內(nèi)蒸汽及液流量也很大，放在上游分離能耗必然很大；(3)將進料按塔頂與塔底各占 50 %的分餾比例安排；(4)純度要求高的產(chǎn)品放在最后分餾。因為純度意味著回流比大，塔內(nèi)氣流量大，放在上游分離能耗則高。待大部分進料組分都分離后，最后的進料少了，采用大回流比能耗也就少了2。2.2.3 增設中間再沸器和中間冷凝器對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

8、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。對塔底再沸器來說（以塔底再沸器為基準），中間冷凝器是回收熱量，中間再沸器是節(jié)省熱量；而對于塔頂冷凝器來說（以塔頂冷凝器為基準），中間冷凝器是節(jié)省冷量，中間再沸器是回收冷量。中間冷凝器和中間再沸器的負荷如果比較大，塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負荷會降低，這樣會導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，應當相應增加塔板數(shù)，才能保證產(chǎn)品的分離純度，從而使設備投資費用增加。將中間換熱方式歸類于過程技術(shù)節(jié)能，是因為原來的精餾塔沒有變化，只不過增設的中間換熱改變了操作線斜率，利用了低品位能源。在分離任務一定的情況

9、下，常規(guī)精餾塔塔釜再沸器的供熱量等于設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。設置中間再沸器前后，所需要的總的熱負荷不變。只是在設置中間再沸器后，部分熱量可以采用低于塔底再沸器的廉價的廢熱蒸汽提供，塔的熱能有效降級,這使得熱效率提高。對于給定的精餾塔,通過合理設置和使用中間再沸器，可以提供最大的熱效率、達到最大的節(jié)能效果。2.3 改進熱的利用強化再沸器和冷凝器中的傳熱溫差下降，由于傳熱溫差減小還可使塔頂冷卻劑溫度提高，塔釜的加熱溫度下降。改進熱的利用主要包括增強傳熱面積、采用空氣冷卻器或蒸發(fā)冷卻器和利用塔釜余熱三種方式。增強傳熱面積有以下兩種類型：多孔相變化傳熱面積：包括微孔沸騰

10、表面及特殊處理的冷凝表面，均可使沸騰或冷凝給熱系數(shù)比光管提高 1030 倍；擴散傳熱面積：包括翅片管或開槽溝擴大傳熱面積，可以是傳熱系數(shù)提高不少。采用空氣冷卻器或蒸發(fā)冷卻器代替水冷卻器可以避免結(jié)垢，水電綜合消耗也較低，而且節(jié)省用水。蒸發(fā)冷卻器可比空冷器冷卻更低溫度，由于推動是外界濕球溫度，而且傳熱系數(shù)比干式空冷器更高，當工藝流股入口溫度比夏日干球溫度高 28 以上，而且出口溫度至少高于外界干球溫度 110 以上時，采用空氣冷卻器是經(jīng)濟的。如果塔釜液是無關(guān)重要的廢液，則可以把它的顯熱變成潛熱加以利用3。方法是：使塔釜液先進入減壓罐，在真空作用下閃蒸成蒸汽，然后通過中壓蒸汽驅(qū)動的蒸汽噴射泵將此部分

11、蒸汽升壓，用于其他用戶。2.4 改變塔的進料板位置若進塔的物料成分與加料板的成分差別較大，則應更換進料位置(一般塔都有幾個進料口可供調(diào)節(jié))。在保持產(chǎn)品同一質(zhì)量品質(zhì)的前提下，進料中重組分增加，可降低進料口位置，減小提餾段可降低塔釜加熱熱量。如果被分離的物料來源不同，各組分的含量差異較大，可將各種物料混合后進行單塔處理或一塔多股進料。實際證實多股進料完成相同的分離任務，能耗較低。這是因為混合過程是增熵的過程，各組分不同的幾段進料的混合，增加了過程的不可逆性，必須增加精餾過程的能耗。2.5 新型塔板和高效填料塔板和填料是精餾塔最為重要的傳質(zhì)內(nèi)件，新型塔板和高效填料具有效率高、壓降低的優(yōu)點。如采用傘形

12、氣帽、浮動篩板、新垂直篩板及穿流式浮板等新型塔板，可以降低精餾塔的操作壓力，使被分離物系各組分間的相對揮發(fā)度增大，有利于提高分離效率和降低能耗。填料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。目前的高效填料有：新型高效規(guī)整填料；新型高效散堆填料；階梯環(huán)填料；金屬環(huán)矩鞍填料等。新型高效填料在精餾塔器中的應用，均可以達到擴產(chǎn)、節(jié)能、降耗的效果4。3 特殊精餾工藝節(jié)能3.1.1熱泵精餾熱泵精餾就是靠補償或消耗機械功，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８鶕?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

13、精餾分蒸汽壓縮機方式和蒸汽噴射式兩種。蒸汽壓縮機方式考慮到冷凝和再沸器熱負荷的平衡以及便于控制，在流程中往往設有附加冷卻器和加熱器。按照流程的不同，蒸汽壓縮機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，只不過多了一個進料口；而下塔類似于常規(guī)精餾的提餾段即蒸出塔（或汽提塔），進料來自上塔的釜液，蒸汽出料則進入上塔塔底；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

14、氣體，再經(jīng)壓縮升壓升溫后，返回塔釜。蒸汽壓縮機方式適用于下述系統(tǒng)：塔頂和塔底溫差較小的場合，只要塔頂和塔底溫差小于36度，就可以獲得較好的經(jīng)濟效果。被分離物質(zhì)的沸點接近，分離困難，回流比高，因此需要大量蒸氣的場合；在低壓運行時必須采用冷凍劑進行冷凝，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備，其原理是借助高壓蒸汽（驅(qū)動蒸汽）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，從而達到節(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：新增設備只有蒸汽

15、噴射泵，設備費低。蒸汽噴射泵沒有轉(zhuǎn)動部件，容易維修，而且維修費低，吸入蒸氣量偏離設計點時發(fā)生喘振和阻流現(xiàn)象。這點與蒸汽壓縮機相同，但由于沒有轉(zhuǎn)動部件，就沒有設備損壞的危險。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熱源驅(qū)動，但不需要外界冷卻水，熱量能得到充分利用，主要應用于產(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，以低溫熱源與冷卻水之

16、間的溫差為推動力，可產(chǎn)生低壓蒸汽56。3.1.2 熱偶精餾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：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，由主塔和預分餾塔構(gòu)成，預分塔的作用是將混合物進行初步分離,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，主塔的作用則是對預分塔塔頂和塔底的物料進一步分離，得到符合要求的產(chǎn)物；立式隔板塔，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)上可認為是將petlyuk蒸餾塔的主塔和預分塔組合于同一塔內(nèi)。對于某給定的物料，隔板塔精餾和常規(guī)精

17、餾流程相比需更小的回流比，增大了操作容量，節(jié)能最高可達到60%以上，可省設備投資30%。隔板塔精餾塔能廣泛地應用于石油精制、石油化工、化學品及氣體精制。熱偶精餾塔節(jié)能的主要原因有兩點：熱偶精餾塔較好地解決了中間組分在塔內(nèi)的再混合問題。熱偶精餾預分塔進入主塔的物料，其組成能夠較好地和主塔進料板上的組成相匹配，符合最佳進料板的要求。熱偶精餾流程并不適用于所有化工分離過程，它的應用有一定的限制，這是因為雖然此類塔從熱力學角度來看具有最理想的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但它主要是通過對輸入精餾塔的熱量的重復利用而實現(xiàn)的。當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，此工藝會受到很大限制。此外，熱偶精餾流程對

18、所分離物系的純度、進料組成、相對揮發(fā)度及塔的操作壓力都有一定的要求。（1）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)線出料達到的純度更大，因此，當希望得到高純度的中間產(chǎn)品時，可考慮使用熱偶精餾流程。如果對中間產(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。（2）進料組成：若分離A、B和C三個組分，且相對揮發(fā)度依次遞增時，采用該類塔型時，進料混合物中組分B的量應最多，而組分A和C在量上應相當。（3）相對揮發(fā)度：當組分B是進料中的主要組分時，只有當組分A的相對揮發(fā)度和組分B的相對揮發(fā)度的比值與組分B的相對揮發(fā)度和組分C的相對揮發(fā)度的比值相當時，采用熱偶精餾具有的節(jié)能優(yōu)勢最明顯

19、。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，從節(jié)能角度來看就不如使用常規(guī)的兩塔流程了。（4）塔的操作壓力：整個分離過程的壓力不能改變。當需要改變壓力時，則只能使用常規(guī)的雙塔流程7。3.1.3 多效精餾多效精餾是以多塔代替單塔，各塔的能量品位級別不同，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精餾塔分成兩個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，但同時增加了設備費用。雙效精餾的4種基本類型：(1)平流型：原料被分成大致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