熱偶精餾技術(shù)

1、熱偶精餾技術(shù)簡(jiǎn)介精餾是一種應(yīng)用廣泛的化工分離單元操作, 但精餾過(guò)程能耗巨大,據(jù)估計(jì)分離過(guò)程的能耗大約占整個(gè)化學(xué)工業(yè)用能的40，而其中95是精餾過(guò)程消耗的 提高精餾過(guò)程的能量利用率始終是研究的熱點(diǎn)。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(guò)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(lái), 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。1熱偶精餾類型 熱偶精餾流程主要用于三組分混合物的分離,同時(shí)也可用于三組分以上混

2、合物的分離。為了提高能量利用率, Petlyuk 提出了熱偶精餾塔的概念, 在此概念下, 發(fā)展了一系列的熱偶精餾塔流程。 熱偶一般可分為以下幾種形式：一種是部分熱偶精餾，由主塔和側(cè)線塔構(gòu)成的復(fù)雜精餾塔，包括側(cè)線精餾塔(Side rectifier)和側(cè)線提餾塔(Side stripper)；另一種是完全熱偶精餾(Fully thermally coupled distillation column)，因?yàn)樽钤缬蒔etlyuk提出，故又稱為Petlyuk塔。2熱偶精餾原理 在單塔中，塔內(nèi)兩相的流動(dòng)要靠冷凝器提供回流液再沸器提供提供氣體回流來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在設(shè)計(jì)多個(gè)塔時(shí)，可以從某個(gè)塔內(nèi)引出一股液相物流來(lái)

3、直接作為另一塔的回流液，或引出氣相作為另一塔的氣相回流，從而可以避免在一些塔中使用冷凝器或者再沸器，從而實(shí)現(xiàn)熱量的偶合。 完全熱偶精餾系統(tǒng)用主塔和副塔組成的復(fù)雜塔代替常規(guī)精餾塔序列，是具有可逆混合特性的理想熱力學(xué)系統(tǒng)。副塔的作用是將混合物進(jìn)行初步分離，輕關(guān)鍵組分全部由塔頂分出，而重關(guān)鍵組分完全由塔釜采出，中間組分在塔頂、塔底之間分配；主塔的作用則是對(duì)副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。側(cè)線蒸餾流程是不完全熱偶精餾流程，在側(cè)線蒸餾塔流程中，可減少一個(gè)再沸器，且關(guān)聯(lián)兩塔的汽液相流量相對(duì)較易控制，同樣，由流程可得到具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的DWC塔,分隔壁從塔頂延伸到塔的下部，將塔分為3部分

4、，塔頂兩側(cè)分別有冷凝器，在分隔壁兩側(cè)的汽相流量可分別控制，液體流量仍通過(guò)液體分配器來(lái)控制。側(cè)線提餾流程中可減少一個(gè)冷凝器，且汽液相流量較易控制，同樣，由側(cè)線提餾流程可得到相應(yīng)的DWC塔，此時(shí)，分隔壁從塔底向上延伸至塔的上部，將塔分為3部分，塔頂有一共用冷凝器，塔釜兩側(cè)分別有再沸器，能提供達(dá)到分離要求所需的上升蒸汽，液體流量仍需液體分配器來(lái)控制。 不論是哪種熱偶精餾流程，從設(shè)備投資到能量消耗，都比常規(guī)精餾流程小，但由于減少再沸器（冷凝器），必然使其使用受到限制。3熱偶精餾適用范圍 熱偶精餾流程并不適用于所有化工分離過(guò)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(lái)看具有最理想的系

5、統(tǒng)結(jié)構(gòu), 但它主要是通過(guò)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。4熱偶精餾的影響因素 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), 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)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

6、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(shì)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(lái)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(guò)程的壓力不能改變。當(dāng)需要改變壓力時(shí), 則只能使用常規(guī)的雙塔流程。5主要工藝流程 5.1側(cè)線精餾塔 側(cè)線蒸餾流程是不完全熱偶精餾流程，在側(cè)線蒸餾塔流程中，可減少一個(gè)再沸器。其精餾流程如圖1(a)、(b)所示.圖1(a)在第一個(gè)塔塔底得到最輕的組分A，塔底采出重組分塔底釜液

7、B和C的的液體混合物，進(jìn)入第二個(gè)塔，完成B和C的精餾過(guò)程，第一個(gè)塔的氣相回流為第二個(gè)塔引出的氣相B和C的混合物，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)不同組分的分離。 (a) (b) 圖1：側(cè)線蒸餾流程 另一種側(cè)線蒸餾構(gòu)造如圖1(b)所示，在主塔的塔頂?shù)乃追謩e得到最輕的組分A和最重的組分C，在加料板下方引出B和C重組分的氣相混合物，在側(cè)塔進(jìn)行分離，得到中間組分B，側(cè)塔的液相回流物流側(cè)塔冷凝器冷凝回流。 在側(cè)線蒸餾塔流程中, 可減少一個(gè)再沸器, 且關(guān)聯(lián)兩塔的汽液相流量相對(duì)較易控制。由側(cè)線蒸餾流程可得到具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的DWC塔, 如圖2所示，蒸餾塔由分隔壁從塔頂延伸到塔的下部, 將塔分為三部分, 塔頂兩側(cè)分別有冷凝器。

8、在分隔壁兩側(cè)的汽相流量可分別控制。液體流量通過(guò)液體分配器來(lái)控制。 圖2：分隔壁精餾塔 5.2側(cè)線提餾流程側(cè)線蒸餾流程也是不完全熱偶精餾流程，在側(cè)線蒸餾塔流程中，可減少一個(gè)冷凝器，其精餾流程如圖3(a)、(b)所示。 (a) (b) 圖3：側(cè)線提餾流程 圖3(a)在第一個(gè)塔塔底得到最重的組分C，塔頂采出輕組分塔底釜液A和B的的氣體混合物，進(jìn)入第二個(gè)塔，完成A和B的精餾過(guò)程，第一個(gè)塔的頁(yè)相回流為第二個(gè)塔引出的液相A和B的混合物，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)不同組分的分離。另一種側(cè)線提餾構(gòu)造如圖3(b)所示，在主塔的塔頂?shù)乃追謩e得到最輕的組分A和最重的組分C，在加料板上方引出A和B輕組分的氣相混合物，在側(cè)塔進(jìn)行分

9、離，得到中間組分B，側(cè)塔的氣相回流物流側(cè)塔再沸器加熱蒸汽回流。 可以看出，在側(cè)線蒸餾塔流程中, 可減少一個(gè)冷凝器, 且關(guān)聯(lián)兩塔的汽液相流量相對(duì)較易控制。由側(cè)線提餾流程可得到具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的也是DWC塔, 如圖4所示，提餾塔由分隔壁從塔底向上延伸到塔的上部, 將塔分為三部分, 塔底兩側(cè)分別有再沸器。能提供達(dá)到分離要求所需的上升蒸汽, 液體流量仍需液體分配器來(lái)控制。圖4：分隔壁提餾塔5.3 完全熱偶精餾流程 完全熱偶精餾系統(tǒng)用主塔和副塔組成的復(fù)雜塔代替常規(guī)精餾塔序列，是具有可逆混合特性的理想熱力學(xué)系統(tǒng)。其工藝流程如圖5所示，副塔的作用是將混合物進(jìn)行初步分離，輕關(guān)鍵組分（A和B的混氣體）全部由塔頂

10、分出，而重關(guān)鍵組分（和的混合液體）完全由塔釜采出，中間組分在塔頂、塔底之間分配。側(cè)塔塔底液體回流液體由主塔上部引出，氣體物流由主塔下部引出，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需分離組分的預(yù)精餾，整個(gè)流程只有一個(gè)冷凝器和一個(gè)再沸器。主塔的作用則是對(duì)副塔塔頂和塔底的物料進(jìn)一步分離，在塔頂?shù)牡阶钶p的組分，在塔底部得到最重的組分，中間組分在主塔中部采得，實(shí)現(xiàn)了混合產(chǎn)物的分離。圖：完全熱偶精餾塔在熱力學(xué)上與完全熱偶精餾塔完全相同的是分隔壁精餾塔,如圖所示，分隔壁精餾塔在精餾塔中間部分部設(shè)一垂直壁, 將精餾塔分成上段、下段及由隔板分開的精餾進(jìn)料段及中間采出段四部分, 這一結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是完全熱偶流程的的主塔和預(yù)分塔置于同一塔內(nèi)，分別位

11、于分隔壁的兩側(cè)。圖：完全熱偶分隔壁精餾塔完全熱偶精餾流程雖然比傳統(tǒng)的二塔流程減少一個(gè)再沸器、一個(gè)冷凝器, 但由于預(yù)分塔與主塔間的四股汽液相流量難以控制, 在工業(yè)上幾乎沒(méi)有使用價(jià)值, 但與其熱力學(xué)上完全相同的分隔壁精餾塔, 它的工業(yè)前景卻被看好。由于用分隔壁精餾分離三組分混合物時(shí), 得到純的產(chǎn)物與傳統(tǒng)的二塔常規(guī)流程相比只需要一個(gè)精餾塔、一個(gè)再沸器、一個(gè)冷凝器。不論是設(shè)備投資還是能耗都能節(jié)省至少30% , 且可通過(guò)加入液體分配器來(lái)控制分隔壁兩邊的液體流量, 通過(guò)分隔壁兩邊的填料高度或分隔壁的形狀來(lái)控制氣體流量, 在當(dāng)今技術(shù)條件下, 這些控制手段都已成熟, 故分隔壁精餾塔已開始工業(yè)應(yīng)用。發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)

12、用前景熱偶精餾在熱力學(xué)上是最理想的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，既能節(jié)省設(shè)備投資，又能節(jié)省能耗。計(jì)算表明，熱偶精餾比兩個(gè)常規(guī)精餾塔最高可節(jié)能達(dá)到30%以上, 可省設(shè)備投資左右。近年來(lái), 由于能源價(jià)格不斷上漲, 熱偶精餾的研究趨于活躍, 特別是各類分隔壁精餾塔的研究。對(duì)于某些給定的物料, 分隔壁精餾塔和常規(guī)精餾流程相比需更小的回流比, 故增大了操作容量。壁精餾塔能廣泛地應(yīng)用于石油精制、石油化工、化學(xué)品及氣體精制。至今, 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(guó)的BASF公司, 主要用于分離中間產(chǎn)物含量高的三元混合物。Kellogg 公司也和BP公司合作設(shè)計(jì)建造分隔壁精餾塔,用于改進(jìn)間歇操作的烷基重整流程。改進(jìn)后塔的操作能力增加了一倍, 中間產(chǎn)物的產(chǎn)量比原先的簡(jiǎn)單中間采出流程的產(chǎn)量增加了50%。Sumitomo重工設(shè)計(jì)了至少6座分隔壁精餾塔,其中和Kyowa Yuka 公司合作開發(fā)了乙酸乙酯的裝置, 乙酸乙酯為中間產(chǎn)物, 其純度可達(dá)99199%, 采用了單塔流程后除了減小了設(shè)備體積, 還節(jié)約了30% 40% 的設(shè)備費(fèi)用和能量。LindeAG 公司剛為南非的Sosol 公司建造了世界上最大的分隔壁式精餾塔，塔高107m, 直徑