化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講

1、化工節(jié)能技術(shù)化工節(jié)能技術(shù) 汪莉E-mail：第五章第五章 分離過程的節(jié)能分離過程的節(jié)能 目目 錄錄蒸餾過程能量利用現(xiàn)狀及節(jié)能途徑蒸餾操作中的熱能回收利用回流比對精餾過程節(jié)能的影響多效蒸餾、熱泵蒸餾 新型塔板的應用第五章 分離過程的節(jié)能吸收過程操作線及適宜液氣比吸收操作與塔設(shè)備吸收操作與塔設(shè)備精餾操作中的節(jié)能技術(shù)精餾操作中的節(jié)能技術(shù) 單段和兩段吸收過程的有效能分析塔設(shè)備性能分析填料類型與性能評價5.1 5.1 蒸餾過程能量消耗及節(jié)能蒸餾過程能量消耗及節(jié)能精餾過程能耗較大，如原油精餾燃料消耗占全廠的15%-40%。精餾系統(tǒng)能量利用率低，95%左右被塔頂冷凝器的冷卻水帶走，能量利用率僅5%左右。涉及

2、的能量項：原料帶入；加熱熱源輸入；塔頂回流帶入；塔頂產(chǎn)品帶出；冷卻水帶出；塔底產(chǎn)品帶出；熱損失，七項。(1)(1)熱量充分回收利用：熱量充分回收利用：據(jù)調(diào)查煉化企業(yè)，小于1000C的余熱占57%，1200C-2000C的占37%，大于2000C的占6%。一般1500C以下的低溫余熱占一半以上，如何加以利用是值得研究的。(2)(2)減少蒸餾過程所需能耗：減少蒸餾過程所需能耗：在很大程度上取決于回流比大小，可能的條件下，盡量減少操作回流比。(3)(3)嚴格控制產(chǎn)品的質(zhì)量規(guī)格：嚴格控制產(chǎn)品的質(zhì)量規(guī)格：不盲目的追求高純度。 如一座70塊塔板的精餾塔，塔頂輕組分從98%提高到99%，塔底重組分從99.6

3、%到99.7%，則能耗增加8%。再如丙烷-丙烯混合物的精餾操作，生產(chǎn)99.9%及99.7%的產(chǎn)品比生產(chǎn)99.5%的產(chǎn)品能耗分別增加36%及10%。5.1 5.1 蒸餾過程能量消耗及節(jié)能蒸餾過程能量消耗及節(jié)能(4)(4)精餾裝置的技術(shù)改造：精餾裝置的技術(shù)改造：選擇高效塔板、高效填料，合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，強化相間傳質(zhì)過程，提高系統(tǒng)的分離效率等。 精餾系統(tǒng)精心設(shè)計，使分離效率最高、流體力學性能最好、操作處于最佳狀態(tài)。 精確測量、計量及計算機程序控制。一般疏水器容易失靈，如果采用液位指示控制的冷凝水槽代替疏水器，效果較好。(5)(5)采用精餾節(jié)能新技術(shù)：采用精餾節(jié)能新技術(shù)： 中間加熱-冷卻精餾。

4、可改變精餾過程的操作線，合理分布塔內(nèi)傳質(zhì)傳熱推動力，減少過程的不可逆性。如采用中間再沸器。多效精餾。熱泵技術(shù)。5.1 5.1 蒸餾過程能量消耗及節(jié)能蒸餾過程能量消耗及節(jié)能QFQDQWQRQ0QB精餾塔精餾塔二、蒸餾過程能量消耗及節(jié)能二、蒸餾過程能量消耗及節(jié)能1、熱量利用的熱力學基礎(chǔ)、熱量利用的熱力學基礎(chǔ)（1）熱量衡算）熱量衡算低溫余熱的回收利用使以熱力學第一定律為基礎(chǔ)，對體系作熱量衡算：其中：QB與QR為再沸器與冷凝器的熱負荷；QF、QD與QW為原料液、塔頂餾出液及塔釜產(chǎn)品所含有的熱量；Q0為散失于環(huán)境的熱損失。0WDRFBQQQQQQ（1 1）熱量衡算）熱量衡算再沸器的熱負荷為假設(shè)塔頂為全冷

5、凝器，則假設(shè)原料液為沸點進料，忽略原料液與出料液間的溫度差異，并忽略熱損失，則0DWFWDB0FWFDDB0FWDDBQhhDhhFDQ1RQQhhWhhDDQ1RQQFhWhDhDQ1RQ）（）（）（）（F0WDRBQQQQQQQQQRB（2 2）一般蒸餾過程的有效能損失）一般蒸餾過程的有效能損失 上式表明，若再沸器所消耗的熱量與塔頂蒸汽冷凝所帶走的熱量相等，似乎有效能并沒有損耗。但實際兩者溫度并不相同，則有效能不相等。若塔頂冷凝器溫度為T1，塔底再沸器供熱溫度為T2（高），若不計塔內(nèi)流體阻力，則有效能損失為： 此式僅作估算，實際應為：此式僅作估算，實際應為：QT1T1TTT1QTT1QE2

6、1010R20Bx損xRxWxDxBxFxLEEEEEE綜上可得到如下結(jié)論：提高原料液的焓值或采用汽相進料，如沸點進料，可減小塔頂再沸器的熱負荷，減少蒸餾過程對能耗的需求；塔底產(chǎn)品（塔頂產(chǎn)品）、再沸器蒸汽冷凝液溫度均較高，可再利用其顯熱，減少能耗；塔頂冷凝器中相變潛熱，是主要能量損失項。充分利用這部分潛熱在節(jié)能中有明顯的效果和良好的經(jīng)濟效益。2 2、熱能利用的節(jié)能方案、熱能利用的節(jié)能方案（1）利用余熱余熱原料液 利用塔釜產(chǎn)品、塔頂蒸汽及蒸汽冷凝水的余熱來余熱原料液，以提高進料溫度。（2）利用冷凝水閃蒸產(chǎn)生低壓蒸汽 再沸器消耗大量蒸汽，隨之產(chǎn)生大量冷凝水，將冷凝水減壓，自蒸發(fā)產(chǎn)生的低壓蒸汽可供作

7、其他熱源使用。（3）塔釜液減壓閃蒸回收熱量 利用塔釜液的自蒸發(fā)作用回收熱量。（4）塔頂蒸汽潛熱的回收利用 將塔頂冷凝器用作蒸汽發(fā)生器，回收塔頂蒸汽的潛熱，回收的低壓蒸汽可作為補充蒸汽供作熱源使用。（5）一個塔的塔頂蒸汽作相鄰低壓塔再沸器的熱源 將塔頂蒸汽作相鄰低壓塔再沸器的熱源。三、回流比對精餾過程節(jié)能的影響三、回流比對精餾過程節(jié)能的影響若塔頂采用全凝器，從塔頂最上一層板(第l層板)上升的蒸氣進入冷凝器中被全部冷凝，因此塔頂餾出液組成及回流液組或均與第1層板的上升蒸氣組成相同，即 y1=xD=已知值 由于離開每層理論板的氣液兩相是互成平衡的，故可由y1用氣液平衡方程求得x1。由于從下一層(策2

8、層)板的上升蒸氣組成y2與x1符合精餾段操作關(guān)系，故用精餾段操作線方程可2111DxRyxRR提餾段操作線方程式提餾段操作線方程式/1/mmWLWyxxLWLW精餾過程的不可逆損失精餾過程的不可逆損失 圖（a）表示一般的精餾，操作線上某點離開平衡線的距離表示塔的某一界面處的不可逆程度，陰影部分反映了實際過程的不可逆程度，既不可逆性造成的能量損失。 圖（b）表示在最小回流比時的不可逆損失，此時進料截面處汽液處于平衡狀態(tài)，傳質(zhì)推動力為零。其他截面處不可逆性仍存在。 在最小回流比時，不可逆性程度較小，所消耗能耗液較小。1 1、最小回流比時精餾操作熱力學分析、最小回流比時精餾操作熱力學分析 當回流從全

9、回流逐漸減小時，精餾段操作線的截距隨之逐漸增大，兩操作線的位置將向平衡線靠近，因此為達到相同分離程度時所需理論板層數(shù)亦逐漸增多。當回流比減小到使兩操作線交點正好落在平衡曲線(如圖1-26上點d所示)時，所需理論板層數(shù)就要無窮多。這是因為在點d前后各板之間(進料板上下區(qū)域)的氣液兩相組成基本上不發(fā)生變化，即無增濃作用，故這個區(qū)域稱為恒濃區(qū)(或稱為夾緊區(qū))，點d稱為夾緊點。此時若在平衡線和操作線之間繪梯級，就需要無限多梯級才能達到點d，這種情況下的回流比稱為最小回流比，以Rmin表示。最小回流比最小回流比即即: :精餾段與提留段操作線交點精餾段與提留段操作線交點e e的坐標為的坐標為minmLxy

10、RDyxFxx(,)xy對于飽和液體進料，有對于飽和液體進料，有q=1,q=1,沒有預熱段，進料與精餾沒有預熱段，進料與精餾段下降的飽和液體一起進入提餾段，而兩段上升的蒸段下降的飽和液體一起進入提餾段，而兩段上升的蒸汽流量相等。汽流量相等。1111FqFhxhxyhxhx11mLh0=T RXE損2 2、精餾操作最佳回流比、精餾操作最佳回流比 精餾操作，對于一定的工藝條件，F(xiàn)、W、D、r及hF、hD、hW均為定值。若不計精餾過程的熱損失，再沸器的熱負荷： 表明，熱負荷與回流比成正變線性關(guān)系。 再沸器的熱負荷反映了操作費用，因此操作費用與回流比間關(guān)系可用下式表示： 回流比越大，塔板數(shù)越少，高度降

11、低，而塔徑則增大，所以設(shè)備費用與回流比關(guān)系可寫成：RC0mnRRC）（）（DWFWDBhhDhhFD1RQr總成本總成本與回流比的關(guān)系：與回流比的關(guān)系：RRRCmTOCmRRCOoptR21mopt2moptTRR0RR-0dRdCTCaC在精餾裝置的設(shè)計中一般需確定最佳回流比。如在精餾裝置的設(shè)計中一般需確定最佳回流比。如對于填料塔，當操作費用為零時：對于填料塔，當操作費用為零時：4 . 04R. 1Rmopt 隨著能源價格的提高，隨著能源價格的提高， 值相應增大，最佳回值相應增大，最佳回流比適當減小。流比適當減小。1960年設(shè)計點：年設(shè)計點：目前一般蒸餾設(shè)計中：目前一般蒸餾設(shè)計中： mmR3

12、 . 12 . 1R4R. 1R 對帶有中間冷凝器和中間再沸器的精餾塔作物料對帶有中間冷凝器和中間再沸器的精餾塔作物料衡算。精餾段作總物料與熱量衡算，得：衡算。精餾段作總物料與熱量衡算，得： nLnVDLnV1nDnnLnVDnV1nVD1nQHHDHHDxxQHHDQHHDy四、帶中間加熱四、帶中間加熱- -冷卻的精餾過程冷卻的精餾過程中間加熱中間加熱- -冷卻精餾的節(jié)能效益冷卻精餾的節(jié)能效益常規(guī)精餾塔的有效能損失為：常規(guī)精餾塔的有效能損失為：中間加熱中間加熱-冷卻精餾塔的有效能損失為：冷卻精餾塔的有效能損失為：D00B000 xTT1QTT1QERB損D0D0ixTT1QTT1QE損 采用

13、中間加熱-冷卻的精餾過程，可以充分利用工廠余熱、回收塔頂冷凝潛熱、塔低再沸器溫度低于環(huán)境溫度時可回收冷量等?？捎行У亟档湍芎?。3、S.R.V 蒸餾蒸餾Distillation With Secondary Reflux and Vaporization基本原理：將精餾段與提餾段分開，使精餾段壓力高于提餾段，利用精餾段與提餾段之間的溫差進行熱交換，把回收的能量用于過程本身，減少塔頂冷凝器與塔低再沸器的外加能量，從而達到節(jié)能的目的。 兩段之間，利用壓縮機將提留段上升蒸汽加壓后送入精餾段。 精餾塔頂高壓蒸汽經(jīng)膨脹機回收部分能量后預熱原料液。塔頂蒸汽冷凝后部分作產(chǎn)品部分回流。原料原料D提提留留段段精精

14、餾餾段段減壓閥減壓閥膨脹機膨脹機壓縮機壓縮機泵泵熱源熱源冷冷凝凝器器換熱器換熱器W與常規(guī)精餾相比較可以節(jié)約能耗50%-70%。另據(jù)文獻報導：的能耗受操作溫度影響較大。如丙烯-丙烷系統(tǒng)，常規(guī)精餾的塔壓0.66MPa，冷凝溫度50C，改用蒸餾，操作壓力1.40MPa，冷凝溫度34.5，可節(jié)約冷卻水61%，但蒸汽消耗量反而增加71%。乙烯-乙烷系統(tǒng)，常規(guī)精餾塔壓0.3MPa，冷凝溫度-82，改后塔壓0.99MPa冷凝溫度-54，節(jié)約冷卻水77%，蒸汽消耗量減少54%?？梢姷蜏匦Ч黠@。蒸餾設(shè)備較復雜，投資較大，操作控制較困難，但節(jié)能潛力大。隨著工業(yè)技術(shù)和能源問題的重視，將日益受到人們的普遍關(guān)注。五、

15、多效蒸餾五、多效蒸餾 多效精餾的原理與多效蒸發(fā)相似，有不同壓力的精餾塔組成，利用壓力高的塔頂蒸汽依次作為相鄰壓力低的塔的再沸器熱原，汽化潛熱被精餾系統(tǒng)本身回收利用，節(jié)能效果顯著。 近年來作為節(jié)能的新工藝在生產(chǎn)中廣泛應用，不僅蒸汽消耗量下降，而且冷卻水的用量也減少。 一般雙效精餾可節(jié)能30%-50%，三效精餾可節(jié)能405-60%，四效精餾節(jié)能效果可達70%左右。一般不大于四效，否則效果變差。六、熱泵精餾六、熱泵精餾熱泵是消耗一定的能量，將熱量由低溫熱源傳遞給高溫熱源，這種裝置稱之為“熱泵”。在精餾系統(tǒng)中，塔頂蒸汽用熱泵提高它的溫位，并作為再沸器的熱源，有效的回收蒸汽的冷凝潛熱，用于過程本身，提高

16、了熱效率。因此，熱泵精餾是一種很有前途的有效節(jié)能技術(shù)。用于化工生產(chǎn)中的熱泵，主要是蒸汽壓縮式熱泵，低溫蒸汽借助于壓縮裝置來提高其溫位。分為兩類：機械壓縮式熱泵，螺桿式壓縮機或離心式透平壓縮機。由于壓縮比大，余熱溫位提高較大，熱泵精餾多采用此種型式；蒸汽噴射式熱泵，利用0.8MPa以上的較高壓蒸汽從噴嘴處高速噴出，所產(chǎn)生的卷帶抽吸作用，降低溫位的蒸汽吸入，混合后以0.4MPa以下的低蒸汽從噴射器中噴出，作為熱原使用，設(shè)備簡單，但節(jié)能效果不如壓縮式熱泵。熱泵精餾的熱力學性能熱泵精餾的熱力學性能提供給再沸器的熱量與輸入系統(tǒng)的機械能之比值是衡量熱泵效率的基準，稱為熱泵的性能系數(shù)（Coeffcient

17、of performance）或供熱系數(shù)（ Coeffcient of heating）用COP表示。熱泵的最小供熱系數(shù)：假設(shè)由燃料直接產(chǎn)生蒸汽的鍋爐效率為g，蒸氣管道的供熱效率為v，所消耗的燃料為B1，燃料的熱值為H，則供給塔底再沸器的熱量：vg1HBQ 熱泵精餾的熱力學性能熱泵精餾的熱力學性能若驅(qū)動熱泵所消耗的燃料為B2，電廠的發(fā)電效率為e，電網(wǎng)的輸配電效率為p，電機及其傳動效率為m，則實際壓縮功為從節(jié)約能源的觀點出發(fā)，當從節(jié)約能源的觀點出發(fā)，當B1=B2時為熱泵的最小供熱時為熱泵的最小供熱系數(shù)，則由上式：系數(shù)，則由上式：mpe2vg1Peffmpe2PHBHBWQCOPHBWmpevgm

18、inCOP若取上效率依次為若取上效率依次為:0.75、0.95、0.28、0.9、0.9則：則：14. 39 . 09 . 028. 095. 075. 0COPmin 熱泵精餾的熱力學性能熱泵精餾的熱力學性能上式表明采用熱泵精餾，實際供熱系數(shù)大于上式表明采用熱泵精餾，實際供熱系數(shù)大于3.14方能達方能達到節(jié)能的目的。到節(jié)能的目的。一般熱泵的有效供熱系數(shù)取一般熱泵的有效供熱系數(shù)取 。6-5COPcff 熱泵精餾的熱力學性能熱泵精餾的熱力學性能設(shè)：EQ2熱泵提供給再沸器熱量Q2的有效能； EQ1塔頂蒸汽供給熱量Q1的有效能； W輸入壓縮機的電能。則：101Q202QTT1QETT1QE12有效能

19、衡算式：有效能衡算式：則：則：DQQEEEW21 DQQQQexEEEEWE2212 熱泵的經(jīng)濟性評價。熱泵精餾的熱力學效益取決于熱泵的供熱系數(shù)，從節(jié)約燃料的觀點出發(fā)實際供熱系數(shù)COPeff必須大于COPmin。但在經(jīng)濟上是否合算，還要看獲得相同熱量時當?shù)氐碾娒罕葍r。若再沸器所需提供的熱量為Q2，蒸汽的價格為Sv，壓縮機所消耗的功為WP，電價為Se，則熱泵系統(tǒng)獲得經(jīng)濟效益的條件是：ePv2SWSQ 熱泵精餾的熱力學性能熱泵精餾的熱力學性能（3 3）熱泵精餾的熱力學及經(jīng)濟性分析）熱泵精餾的熱力學及經(jīng)濟性分析若用S表示電熱比價，則：SSSWQCOPveP2eff 要全面衡量是否經(jīng)濟，還必須考慮熱泵

20、系統(tǒng)所增加的設(shè)備投資與回收期限。熱泵系統(tǒng)全年能節(jié)省的操作費用為：設(shè)熱泵系統(tǒng)增加的設(shè)備投資為Cap，償還期限為R，一般取R=1-1.5年，ev2SWSQK 元元/年年RePv2RCapSWSQCapK七、其他精餾節(jié)能技術(shù)七、其他精餾節(jié)能技術(shù)1 1、控制循環(huán)蒸餾、控制循環(huán)蒸餾 在一般的蒸餾系統(tǒng)中增設(shè)了一個自動啟閉的電磁閥，當電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，塔內(nèi)液體向下流動；當電磁閥開啟時，氣體向上流動。通過控制電磁閥的啟閉時間，使液體與氣體周期性向上向下流動，每一循環(huán)時間1-10S。 塔內(nèi)氣體呈不穩(wěn)定操作，液體可看作為活塞流，無軸向反混現(xiàn)象。當氣體上升時又能與液體充分接觸，所以傳質(zhì)推動力較一般蒸餾大些。 控制循環(huán)的塔效率較普通蒸餾提高一倍左右。 節(jié)能效果隨物系的相對揮發(fā)度大小而異，一般節(jié)能15%-80%，對相對揮發(fā)度小或所需總板數(shù)多的系統(tǒng)，節(jié)能效果較明顯。 如：甲苯-二甲苯分離塔，回流比R=3.5，可節(jié)能39.7%；苯乙烯-乙苯分離塔，回流比R=9.8，可節(jié)能52.2%。2、熱偶蒸餾、熱偶蒸餾熱偶精餾（Thermally Coupled Distilat