化工基礎(chǔ)論文《精餾技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用》

1、精餾技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用XX系 XX班 XX 學(xué)號(hào)：XX摘要：精餾是利用混合物中各組分揮發(fā)度的差異進(jìn)行分離的操作單元。它被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,并且在所有的分離方法中長期占據(jù)著主導(dǎo)地位。在化學(xué)工程中,最典型和最重要的多級(jí)分離過程是精餾過程,各種節(jié)能的、特殊的精餾分離流程得到快速的發(fā)展。本文將對(duì)精餾技術(shù)的原理、發(fā)展、應(yīng)用及前景做出討論,并淺談幾種新型的精餾工藝,旨在使精餾技術(shù)得到更廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：精餾技術(shù),多級(jí)分離過程,優(yōu)化控制Abstract：Distillation is the use of the difference in the volatile components of

2、the mixture were separated in the operation unit,it is widely used in industrial production,and all the long-term separation dominates.In chemical engineering, the most typical and most important multi-stage separation process is distillation process, a variety of energy-saving, special distillation

3、 separation processes are rapid development.This article will distillation technology principle, the development, application and prospects to make discussions and on several new distillation process,distillation technology has been designed to enable the development and wider application.Keywords:d

4、istillation, multi-stage separation process, optimal control1、 精餾的概念與基本原理1、精餾的概念及發(fā)展 精餾過程是分離液體混合物的一種方法,在石油煉制、石油化工及化學(xué)工業(yè)中占有重要的地位,一般在化工廠的基建投資中通常占有50一90%的比重。為此了解分離過程,選擇、設(shè)計(jì)和分析分離過程中的各參數(shù)是非常重要的。1蒸餾是有著悠久的歷史的單元操作,早在公元初,人們已應(yīng)用蒸餾來提濃酒精飲料。9世紀(jì)初,相繼出現(xiàn)了泡罩塔填料塔和篩板塔。本世紀(jì)初,蒸餾技術(shù)已從酒精的提濃擴(kuò)展為化學(xué)工業(yè)中的主要分離方法,廣泛應(yīng)用于原油分離制取各種油品。隨著石油工業(yè)、化

5、學(xué)工業(yè)的發(fā)展,特別是石油化工的發(fā)展,無論在精餾裝置的規(guī)模上,還是在分離的難度上,都提出了更高的要求,新型分離設(shè)備不斷涌現(xiàn),各種節(jié)能的、特殊的精餾分離流程得到發(fā)展,精餾的設(shè)計(jì)方法逐步實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化,先進(jìn)的精餾優(yōu)化控制方案不斷被開發(fā)并獲得應(yīng)用,精餾技術(shù)的發(fā)展已達(dá)到了相當(dāng)成熟的程度。2、精餾基本原理精餾主要是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度,即在同一溫度下各組分具有不同的蒸汽壓,進(jìn)行分離,揮發(fā)度較高的物質(zhì)在汽相中的濃度比在液相中的濃度高,故借助于多次的部分汽化及部分冷凝,可達(dá)到輕重組分分離的目的。2精餾過程中,在精餾塔內(nèi)氣液相進(jìn)行接觸和分離,通過氣液兩相接觸達(dá)到熱力學(xué)平衡的塔板稱為“理論塔板”或“平

6、衡塔板”, 一般來說,一個(gè)精餾塔的任務(wù)就是要使輕關(guān)鍵組分盡量多地進(jìn)入餾出液,重關(guān)鍵組分盡量多的進(jìn)入釜液。3其流程圖如下圖一。4研究精餾過程,需要依照氣液兩相在理論塔板上達(dá)到的熱力學(xué)平衡及衡算關(guān)系來建立由相平衡、物料衡算、熱量衡算以及摩爾分?jǐn)?shù)加和所構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型“氣液相平衡”系統(tǒng)的組成及混合物的焙性質(zhì),可以由熱力學(xué)方法求得。精餾分離過程是復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程。5其具體表現(xiàn)為：過程變量多,被控變量多,可控制的變量多；動(dòng)態(tài)過程和復(fù)雜機(jī)理。例如,可采用不同的控制方案對(duì)同一的被控變量進(jìn)行控制,控制方案的適應(yīng)面廣等。2、 精餾幾種簡單分類及特點(diǎn)2.1簡單精餾:（l）平衡閃蒸氣化和部分冷凝單級(jí)分離過程即為一般

7、閃蒸過程和部分冷凝過程,進(jìn)料以某種方式被加熱使其發(fā)生部分氣化,經(jīng)過減壓裝置,在閃蒸塔內(nèi)使汽液兩相迅速分離,得到含易揮發(fā)組分較多的蒸氣,稱為閃蒸過程。若與之相反,把蒸氣進(jìn)料部分冷凝,得到含難揮發(fā)組分較多的液體,稱為部分冷凝過程。在上述過程中,如果氣、液兩相有足夠的時(shí)間與緊密接觸而達(dá)到了平衡狀態(tài),則這種方式稱為平衡氣化或平衡冷凝,適應(yīng)于對(duì)分離純度要求不高的場合。(2)逐次氣化也稱“微分蒸餾”即一定量的混合液體在釜中被加熱使之逐漸進(jìn)行氣化,產(chǎn)生的蒸氣被引出,并經(jīng)過冷卻后將其收集起來。微分蒸餾是一種非穩(wěn)態(tài)過程,分離程度不高,工業(yè)應(yīng)用很少,一般多在實(shí)驗(yàn)室分析中使用。2.1.1連續(xù)多級(jí)蒸餾多級(jí)連續(xù)蒸餾即精

8、餾,是化工裝置中常用的蒸餾方法,進(jìn)料連續(xù)地引入某一中間位置的板上,該板液體組成大體與進(jìn)料組成相同,塔頂、塔底連續(xù)引出合格產(chǎn)品，塔頂設(shè)有冷凝器使蒸氣冷凝并部分回流,塔底有再沸器產(chǎn)生蒸氣送回塔內(nèi)。蒸餾塔內(nèi)建立溫度和濃度梯度"連續(xù)多級(jí)蒸餾的分離效果遠(yuǎn)優(yōu)于平衡氣化和微分蒸餾。2.1.2分批蒸餾在許多化工過程中,所處理的液體混合物可能要分批進(jìn)行,或者是產(chǎn)量小,或者是濃度經(jīng)常改變,或者是要求用同一個(gè)塔分離多組分混合物成為幾個(gè)不同餾分等。此時(shí),需采用分批蒸餾(或稱間歇蒸餾)首先將被分離的原料液整批全部裝入蒸餾塔的塔釜中,然后通過塔釜加熱,使所產(chǎn)生的蒸氣進(jìn)入塔內(nèi)逐漸上升,然后在塔頂冷凝,部分采出作為

9、塔頂產(chǎn)品,與單級(jí)的微分蒸餾不同,分批蒸餾可以是多級(jí)的,并采用部分冷凝液作為液體回流,使塔內(nèi)氣!液保持接觸,這與連續(xù)蒸餾類似。在操作過程中,塔釜中的液體連續(xù)減少,塔頂產(chǎn)品在餾出液接收罐中積累。分批蒸餾可以通過改變回流比或壓力,以達(dá)到餾出不同餾分的目的。它屬于一種不穩(wěn)態(tài)過程,適用于小型、多品種產(chǎn)品的工廠。2.2特殊蒸餾2.2.1萃取蒸餾 在化工過程中,有許多溶液組分的沸點(diǎn)很相近或相對(duì)揮發(fā)度很接近于1,用常規(guī)蒸餾的方法需要很多的板數(shù),萃取蒸餾就是用加入第三組分的方法,分離沸點(diǎn)相差微小的溶液,加入的第三組分稱為萃取劑。溶劑是萃取精餾技術(shù)的關(guān)鍵或核心,不同的分離體系必須采用不同的溶劑,根據(jù)被分離體系的性

10、質(zhì),溶劑應(yīng)與被分離體系的某一個(gè)組分有較強(qiáng)交互作用、而與另一個(gè)被分離組分有較弱交互作用。6萃取劑的選擇要考慮以下幾點(diǎn):萃取劑的選擇性要大,即萃取劑的加入應(yīng)使原組分間的相對(duì)揮發(fā)度有較顯著的變化。萃取劑的沸點(diǎn)要適宜,若沸點(diǎn)太低,萃取劑容易被分離產(chǎn)品所帶走,增大了萃取劑的消耗量。一般萃取劑的沸點(diǎn)比原組分的沸點(diǎn)都高。不與任一組分形成共沸物或化學(xué)反應(yīng),否則溶劑回收就比較復(fù)雜。萃取劑的溶解性也要好。經(jīng)典萃取精餾工藝流程如下圖。圖一 經(jīng)典的萃取精餾工藝流程2.2.2共沸蒸餾(恒沸蒸餾) 大部分非理想混合物,由于分子間相互作用力的結(jié)果,往往有共沸現(xiàn)象產(chǎn)生,用一般的蒸餾方法不能把它們分離,共沸蒸餾是通過加入第三組

11、分的辦法,分離最低恒沸物,最高恒沸物或沸點(diǎn)相近的物系,加入的第三組分通常稱為共沸劑或挾帶劑。從分離和經(jīng)濟(jì)角度考慮:共沸劑能與被分離組分形成共沸物,且沸點(diǎn)要與純組分的沸點(diǎn)有足夠大的差別。在共沸物中每份共沸劑所挾帶的組分要盡可能高,這樣共沸劑的用量少,熱耗也少,共沸劑容易分離和回收。2.2.3反應(yīng)蒸餾 化學(xué)反應(yīng)和蒸餾是化工生產(chǎn)中常用的兩個(gè)單元操作,它們通常是在單獨(dú)的設(shè)備中完成的,反應(yīng)過程在各種形式的反應(yīng)器中進(jìn)行,而未反應(yīng)的反應(yīng)物、產(chǎn)物和副產(chǎn)物則在蒸餾塔中得到分離"反應(yīng)蒸餾過程即伴有化學(xué)反應(yīng)的蒸餾過程,是將反應(yīng)和蒸餾兩個(gè)過程結(jié)合在于一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行。降低設(shè)備的投資和能耗,但不是所有的反應(yīng)過程

12、和蒸餾過程都可以合成反應(yīng)蒸餾過程。反應(yīng)蒸餾過程僅適合于反應(yīng)和蒸餾相匹配的情況,而對(duì)于高溫、高壓下的氣相反應(yīng)就不能采用。自七十年代以來,反應(yīng)蒸餾的研究不再限于均相反應(yīng),已擴(kuò)大到非均相催化反應(yīng)系統(tǒng),出現(xiàn)了催化蒸餾過程,即將催化劑粒子布于蒸餾塔中,它既有加速組分間化學(xué)反應(yīng)的作用,還起到了填料的作用,其應(yīng)用將日益廣泛。 反應(yīng)精餾技術(shù)(Reactive Distillation,簡稱 RD)最早由 Bacchaus 于 1921 年提出,它是將化學(xué)反應(yīng)與精餾分離結(jié)合在同一設(shè)備中進(jìn)行的一種耦合過程。7自此項(xiàng)技術(shù)提出以來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)它的研究經(jīng)歷了純實(shí)驗(yàn)、簡單的圖解和計(jì)算以及在計(jì)算機(jī)上用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模

13、擬等不同階段。反應(yīng)精餾最大優(yōu)勢在于反應(yīng)過程的進(jìn)行和反應(yīng)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移是在同時(shí)進(jìn)行的。對(duì)可逆反應(yīng)來說,反應(yīng)產(chǎn)物及時(shí)轉(zhuǎn)移出反應(yīng)區(qū)可以驅(qū)動(dòng)反應(yīng)向正方向進(jìn)行,另外對(duì)于平衡反應(yīng),也會(huì)得到較高的轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)精餾的優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為：更高的選擇性、轉(zhuǎn)化率、設(shè)備集成；更短的反應(yīng)時(shí)間；更低的能耗與投資。82.2.4分子蒸餾與短程蒸餾分子蒸餾是在高真空條件下,蒸發(fā)面和冷凝面的間距小于或等于被分離物料的蒸氣分子的平均自由程,由蒸發(fā)而逸出的分子,不與其它分子碰撞,毫無阻礙地奔射到并凝集在冷凝面上。通常,分子蒸餾在10-3-10-4J/(mm Hg)的真空下操作。若操作真空度有所降低(即絕對(duì)壓力略增加),則冷、熱兩面的距離有時(shí)

14、就略大于蒸氣分子平均自由程,這種蒸餾稱為短程蒸餾。短程蒸餾與分子蒸餾一般相差不大,但在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需加入校正系數(shù)。2.2.5催化精餾催化精餾（Catalytic Distillation,簡稱 CD）是反應(yīng)精餾（Reactive Distillation,簡稱 RD）的一個(gè)重要分支,它將催化反應(yīng)過程和精餾分離過程這兩種常見的化工操作單元結(jié)合在同一個(gè)設(shè)備即催化精餾塔中進(jìn)行,是一種有效的化工過程強(qiáng)化技術(shù)。9-10催化精餾耦合了催化反應(yīng)和精餾分離兩個(gè)過程,使反應(yīng)物的反應(yīng)和反應(yīng)產(chǎn)物的分離同時(shí)進(jìn)行,二者彼此強(qiáng)化。與將催化反應(yīng)過程與精餾分離過程分開進(jìn)行的傳統(tǒng)流程相比,催化精餾具有以下工藝特點(diǎn)：（1）選擇性好

15、。對(duì)于連串反應(yīng),當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)物為中間產(chǎn)品時(shí),催化精餾過程可以使中間產(chǎn)品及時(shí)離開催化劑床層,避免其發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng),使選擇性得到了提高；（2）轉(zhuǎn)化率高。對(duì)于可逆反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物被及時(shí)分離,驅(qū)使反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行,打破熱力學(xué)平衡限制,甚至可能出現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化,從而最大程度地提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；（3）能耗低。對(duì)于放熱反應(yīng),催化精餾可以充分利用反應(yīng)放出的熱量,將其作為精餾分離所需熱量的一部分,從而減少再沸器的熱負(fù)荷,降低生產(chǎn)能耗。對(duì)于吸熱反應(yīng),催化反應(yīng)和精餾分離所需的熱量統(tǒng)一由催化精餾塔塔釜供給,也可以降低分別供熱時(shí)產(chǎn)生的能量損失；（4）設(shè)備投資省。催化精餾技術(shù)使用單一的催化精餾塔代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反應(yīng)器后串聯(lián)精餾塔的結(jié)構(gòu)

16、,簡化了工藝流程,節(jié)省了設(shè)備投資。這方面最典型的實(shí)例是醋酸甲酯的合成工藝,傳統(tǒng)的工藝需要 1 個(gè)反應(yīng)器和 9 個(gè)蒸餾塔,而采用催化精餾技術(shù),在相同的生產(chǎn)任務(wù)要求下,只需要 1 個(gè)催化精餾塔即可。11（二）精餾分離的特點(diǎn)精餾分離過程是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程。12其具體表現(xiàn)為：過程變量多,被控變量多,可控制的變量多；動(dòng)態(tài)過程和復(fù)雜機(jī)理。例如,可采用不同的控制方案對(duì)同一的被控變量進(jìn)行控制,控制方案的適應(yīng)面廣等。因此在設(shè)計(jì)控制方案或控制系統(tǒng)時(shí),需要熟悉精餾分離過程及其內(nèi)在特性。 精餾除了應(yīng)用歷史悠久,技術(shù)比較成熟以外,還具有如下特點(diǎn):（1）通過精餾操作,可以直接獲得所需要的產(chǎn)品,不像吸收、萃取等分離方

17、法,還要外加吸收劑或萃取劑,并需進(jìn)一步使所提取的組分與外加組分分離,因而精餾操作流程通常較為簡單。(2)精餾分離的適用范圍廣泛,它不僅可以分離液體混合物,而且可以通過改變操作條件使常溫常壓下是氣態(tài)或固態(tài)的混合物在液化后得以分離。而吸收、萃取等操作,只有當(dāng)被提取組分含量較低時(shí)才比較經(jīng)濟(jì)。（3）精餾是通過對(duì)混合液加熱建立汽液兩相體系,汽相還需要再冷凝液化,因此需要消耗大量的能量(包括加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì))。精餾過程的能耗占化學(xué)工業(yè)液體分離總能耗95%,占全球能量總消耗3%。13（4）另外,加壓或減壓將消耗額外的能量,精餾過程中的節(jié)能是個(gè)值得重視的問題。在下面將著重討論。3、 改進(jìn)精餾高能耗的措施精溜

18、能耗之所以大,是因?yàn)樗哪芰糠蛛x劑(ESA),而其他過程往往消耗質(zhì)量分離劑(MSA)。14能量分離劑雖然能避免質(zhì)量分離劑所存在的傳質(zhì)極限和種類選擇等局限,卻需要投入大量的能耗。因此,精餾過程雖然非常適用于高純產(chǎn)品生產(chǎn),但是必須通過改進(jìn)設(shè)備和優(yōu)化控制來降低能耗。過去的精餾操作中,為了得到很純的產(chǎn)物,往往利用的是單塔串聯(lián)的形式,這樣的方法雖然能的到高純的的產(chǎn)物,但是由于能量利用率不高,極易導(dǎo)致能耗徒增。近幾年來,隨著復(fù)雜精餾過程的出現(xiàn),這樣的能耗被降低了下來。（1）解決方式：為了降低精餾塔的能耗,人們采取了各種措施。這些措施大體可以分為以下兩類:第一類是對(duì)精餾塔本身設(shè)備的結(jié)構(gòu)改進(jìn)或采用高效的精餾

19、塔內(nèi)件。15提高分離效率,降低回流比來實(shí)現(xiàn)節(jié)能,其中分壁塔就是對(duì)精餾塔本身設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)的一大成果。完全熱藕精餾塔的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示,16它由預(yù)分離塔和主塔組成,與傳統(tǒng)流程相比,完全熱藕精餾流程結(jié)構(gòu)更加簡單,減少了一個(gè)冷凝器和一個(gè)再沸器。在熱藕精餾塔中完全沒有組分再混合的問題,而且預(yù)分塔塔頂以及塔底中組分B的濃度是完全與主塔中者兩股物流在進(jìn)料板上的濃度相一致的,但是由于主塔和預(yù)分塔之間的四股物流的流量不可控性,難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。與完全熱藕合精餾流程具有相同熱力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的分隔壁精餾塔將這兩個(gè)塔合并進(jìn)一個(gè)設(shè)備,中間加入分隔壁隔開,對(duì)于氣液量分配量有隔板的位置和形狀來決定,設(shè)備結(jié)構(gòu)更加簡單,操作

20、初性大,且可控性強(qiáng),有著非常好的工業(yè)應(yīng)用前景。實(shí)現(xiàn)相同分離任務(wù)時(shí),設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)都比常規(guī)精餾要省。17但由于減少了再沸器(冷凝器),必然使其使用受到限制。 分壁塔是完全熱偶精餾塔的一種特殊的結(jié)構(gòu)形式,假如分隔壁是理想的,即沒有熱量傳遞,那么其在熱力學(xué)上是等價(jià)于Petlyuk結(jié)構(gòu)序列的。到目前為止,對(duì)分割壁塔的控制研究水力學(xué)研究還不成熟,使得分壁塔的工業(yè)化應(yīng)用也只有在國外少數(shù)幾家公司得以實(shí)現(xiàn),國內(nèi)至今還沒有出現(xiàn)將分壁塔用于工業(yè)生產(chǎn)的例子。圖二 分離三組分的完全熱偶精餾塔示意圖（2）潛熱利用：精餾塔的顯熱回收量通常較小,對(duì)高溫精餾過程,?；厥账斦羝臐摕帷木s塔出來的高溫物料本身攜帶大量的熱

21、量,若對(duì)塔頂物料的余熱進(jìn)行充分回收利用,還可減少塔頂冷凝器冷量的使用量。一般對(duì)塔頂具有一定壓力、溫度的液體物料,可通過減壓室將其顯熱轉(zhuǎn)換成潛熱進(jìn)行回收,方法是：使塔釜液先進(jìn)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(dòng)的蒸汽噴射泵將此部分蒸汽升壓,用于其他設(shè)備,其流程見下圖2。18圖三 塔釜余熱利用流程4、 結(jié)語 綜上所述,隨著世界范圍內(nèi)的能源緊缺,精餾過程節(jié)能愈來愈引起人們的重視,節(jié)能型精餾流程對(duì)降低石油化工過程的能耗起到非常重要的作用。如何合理充分利用精餾過程的熱能,降低整個(gè)過程對(duì)能量的需要,做到增產(chǎn)不增能耗,在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。在精餾過程中可以從充分利用精餾過程熱能,

22、提高蒸餾系統(tǒng)的熱力學(xué)效率,減少蒸餾過程對(duì)能量的需要等幾個(gè)方面著手,采取最適宜回流比、操作壓力、最佳進(jìn)料狀態(tài),合理安排多塔排列順序,使用中間冷凝器和中間再沸器,或采用多效精餾、熱泵精餾等措施。盡管每種措施都能達(dá)到一定的節(jié)能效果,但降低精餾系統(tǒng)能耗應(yīng)考慮多種因素的影響,對(duì)多種方案進(jìn)行綜合比較優(yōu)化,才能使節(jié)能效果達(dá)到最佳。 本論文新穎點(diǎn)在于首先概括了精餾的發(fā)展及其特點(diǎn),并介紹了幾種常見的精餾技術(shù),但由于時(shí)間關(guān)系,有許多不足的地方,希望在以后的時(shí)間里能有較大的提高,為化工領(lǐng)域貢獻(xiàn)綿薄之力。參考文獻(xiàn)：l化學(xué)工程手冊編委會(huì).化學(xué)工程手冊第H篇,北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1979.2李天一,用同倫算法模擬復(fù)雜精

23、餾過程D天津大學(xué)化工學(xué)院,2004,11.3袁傳敏,多元物系中分離異松油烯精餾塔的研究D昆明理工大學(xué),2001,3.4 王夢華.精餾過程節(jié)能技術(shù)探討J齊魯石油化工,2003,31(9)：324-3265賈邵義,柴誠敬,化工傳質(zhì)與分離過程J,北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2001,158-160.6王文華.萃取精餾技術(shù)強(qiáng)化與應(yīng)用D天津大學(xué)化工學(xué)院,2006,6.7Doherty M F ,Buzard G.Reactive distillation by designJChem Eng Res, Des. 1992,70 (A5): 448.8寧亞南.反應(yīng)精餾應(yīng)用于內(nèi)部熱耦合精餾以及差壓熱耦合精餾技術(shù)的模擬研究D中國石油大學(xué),2011,5.9 Lei Z G, Chen B H, Ding Z W. Special