精餾過(guò)程節能技術(shù)

第26卷,總第147期節能技術(shù)》Vol 26. Sum No 1472008年1月,第1期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYJan.2008,No.1精餾過(guò)程節能技術(shù)岳金彩,閆飛,鄒亮,楊霞(青島科技大學(xué)計算機與化工研究所,山東青島266042)摘要:本文總結了精餾過(guò)程主要的節能技術(shù),按照流程是否改變及是否利用過(guò)程技術(shù)對各類(lèi)技術(shù)的進(jìn)行分類(lèi),即過(guò)程技術(shù)節能,特殊精餾工藝和精餾塔高效材料等類(lèi)型,對各個(gè)類(lèi)型的主要節能方法、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了綜述,并介紹了我國精餾過(guò)程的節能現狀與趨勢關(guān)鍵詞:精餾過(guò)程;節能;熱偶精餾;熱泵精餾;中間換熱器中圖分類(lèi)號:TQ028文獻標識碼:A文章編號:1002-6339(2008)01-0064-04Energy Savings in Distillation ProcessYUE Jin-cai, YAN Fei, ZoU Liang, YANG Xia(Institute of computer and chemical engineering, Qingdao University of Science and Techndogy, Qingdao 266042, ChinaAbstract: According to that whether process technologies are used and the flowsheet are changed or not,themain energy- saving technologies of distillation process are summarized and classified into three types, that isenergy-saving by process technology, special distillation processes and high-efficient tray or pack columnThe ordinary methods, advantages and disadvantages, and suitable area are rivewed for every types. At last thestatus and development trend are introducedKey words: distillation process; energy saving: thermally coupled; heat pump; intermediate heat exchangers在化工生產(chǎn)過(guò)程中,分離是非常重要的一個(gè)過(guò)減小回流比、增設中間再沸器和中間冷凝器等;②開(kāi)程單元,它直接決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量和收率,工業(yè)發(fā)了許多高效節能的特殊精餾工藝流程,如熱泵精生產(chǎn)中占據著(zhù)主導地位的分離方法就是精餾精餾餾、熱偶精餾、多效精餾等;③改進(jìn)精餾塔的保溫材是利用混合物中各組分揮發(fā)度的不同利用能量進(jìn)行料和開(kāi)發(fā)高效的塔板類(lèi)型和填料。由于第三類(lèi)沒(méi)有分離的操作單元,具有獨特的優(yōu)勢(。據估計化工利用過(guò)程技術(shù),本文只對前兩類(lèi)節能方法進(jìn)行綜述。過(guò)程中40%~70%的能耗用于分離,而精餾能耗又占其中的95%2。因此隨著(zhù)世界能源的日益短缺,1過(guò)程技術(shù)節能精餾過(guò)程一直是研究者節能挖潛的熱點(diǎn)對象,它的1.1操作條件優(yōu)化節能每一個(gè)進(jìn)展都會(huì )帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益。該方法主要是利用模擬軟件對精餾過(guò)程的操作多年來(lái),人們已采用了多種方法和手段對精餾條件進(jìn)行研究,精餾塔的主要操作條件包括操作壓過(guò)程進(jìn)行節能降耗的研究,按照流程是否改變及是力、操作溫度、塔板壓降,進(jìn)料位置及溫度、理論板否利用過(guò)程技術(shù)可以將其分為三類(lèi):①利用過(guò)程技數、回流比以及回流溫度、塔頂塔底采出量、關(guān)鍵組術(shù)對精餾塔的操作條件進(jìn)行優(yōu)化,以減少精餾塔所份的清晰分割程度,塔頂塔底熱負荷等等,除塔的操消耗的能量,如以產(chǎn)品物流預熱進(jìn)料、增加塔板數、作壓力一般是給定的(在設計雙效流程除外),其它的都度分析設計規定中國煤化工收稿日期200-12-06修訂稿日期2007-12-16務(wù)的最佳值,以獲作者簡(jiǎn)介:岳金彩(19069-),男,副研究員或得CNMHG荷,從而使精餾塔揚霞(1973-),女,博士研究生能耗最少。目前由于通用模擬軟件的商品化程度的提高,大型化工企業(yè)的操作基本上在最佳條件下進(jìn)行,一2特殊精餾工藝節能些中小型化工企業(yè)的精餾操作還有待于進(jìn)一步優(yōu)2.1熱泵精餾-7化熱泵精餾就是靠補償或消耗機械功,把精餾塔1.2中間換熱節能塔頂低溫處的熱量傳遞到塔釜高溫處,使塔頂低溫對于塔頂塔底溫度差別比較大的精餾塔,可以蒸汽用作塔底再沸器的熱源。通過(guò)增加中間換熱器的方式來(lái)節省或回收熱量(冷2.1.1熱泵精餾的類(lèi)型量)。中間換熱的方式有兩種:中間冷凝器和中間再根據熱泵所消耗的外界能量不同,熱泵精餾可沸器。對塔底再沸器來(lái)說(shuō)(以塔底再沸器為基準),分為蒸汽加壓方式和吸收式兩種類(lèi)型。蒸汽加壓方中間冷凝器是回收熱量,中間再沸器是節省熱量;而式熱泵精餾分蒸汽壓縮機方式和蒸汽噴射式兩種。對于塔頂冷凝器來(lái)說(shuō)(以塔頂冷凝器為基準),中間蒸汽壓縮機方式考慮到冷凝和再沸器熱負荷的冷凝器是節省冷量,中間再沸器是回收冷量3平衡以及便于控制,在流程中往往設有附加冷卻器中間冷凝器和中間再沸器的負荷如果比較大,和加熱器。按照流程的不同,蒸汽壓縮機方式又可塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負荷會(huì )降低,這樣會(huì )分為間接式、塔頂氣體直接壓縮式、分割式和塔釜液導致精餾段回流比和提餾段蒸汽比(氣相回流比)減體閃蒸再沸式等4種流程。其中間接式熱泵精餾流少,回流比的減少,應當相應增加塔板數,才能保證程利用單獨封閉循環(huán)的工質(zhì)(制冷劑)工作,塔頂氣產(chǎn)品的分離純度,從而使設備投資費用增加。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(lèi)似于常規熱泵精餾,只不過(guò)多了一個(gè)進(jìn)料口;而下塔類(lèi)似于常規精餾的提餾段即蒸出塔(或汽提塔),進(jìn)料來(lái)自上塔的釜液,蒸汽出料則進(jìn)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)節流后送至塔頂換熱,吸收熱量蒸發(fā)為氣體,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:①塔頂和塔底溫差較小的場(chǎng)合,只要塔頂和塔底溫差小于36℃,就可以獲得較好的經(jīng)濟效果;②被分離物質(zhì)的圖1中間再沸器與中間冷凝器沸點(diǎn)接近,分離困難,回流比高,因此需要大量蒸氣Fig. I Middle reboiler and middle condenser的場(chǎng)合;③在低壓運行時(shí)必須采用冷凍劑進(jìn)行冷凝圖1描述了這兩種中間換熱方式的示意流程:為了使用冷卻水或空氣作冷凝介質(zhì),必須在較高塔如果精餾塔在塔下方溫度分布存在顯著(zhù)的變化,則壓下分離某些易揮發(fā)性物質(zhì)的場(chǎng)合?？稍O中間再沸器使用低品位熱源,以減少主再沸器蒸汽噴射式熱泵是提高低壓蒸汽壓力的專(zhuān)門(mén)設高品位熱量消耗,但中沸器下方塔板分離能力被削備,其原理是借助高壓蒸汽(驅動(dòng)蒸汽)噴射產(chǎn)生的弱;當塔上部的溫度分布若存在顯著(zhù)的變化時(shí),則可高速汽流,將低壓蒸汽的壓力和溫度提高,而高壓蒸設中間冷凝器,采用較低品位的冷劑,減少主冷凝器汽的壓力和溫度降低。低壓蒸汽的壓力和溫度提高高品位冷劑的用量,以減少能耗,但其上方的塔板的到工藝能使用的指標,從而達到節能的目的。分離能力有所下降采用蒸汽噴射泵方式的熱泵精餾具有如下優(yōu)將中間換熱方式歸類(lèi)于過(guò)程技術(shù)節能,是因為點(diǎn):①新增設備只有蒸汽噴射泵,設備費低;②蒸汽原來(lái)的精餾塔沒(méi)有變化,只不過(guò)增設的中間換熱改噴射泵沒(méi)有轉動(dòng)部件,容易維修,而且維修費低;③變了操作線(xiàn)斜率,利用了低品位能源。在分離任務(wù)吸人蒸氣量偏離設計點(diǎn)時(shí)發(fā)生喘振和阻流現象。這定的情況下,常規精餾塔塔釜再沸器的供熱量等點(diǎn)與蒸汽壓縮機相同,但由于沒(méi)有轉動(dòng)部件,就沒(méi)有于設有中間再沸器的精餾塔塔釜再沸器與中間再沸設備損壞的危險。器供熱量之和。設置中間再沸器前后,所需要的總蒸汽吸收式熱泵精餾由吸收器、再生器、冷卻器的熱負荷不變。只是在設置中間再沸器后,部分熱和再沸器等設備組成,常用溴化鋰水溶液或氯化鈣量可以采用低于塔底再沸器的廉價(jià)的廢熱蒸汽提水溶物的M供,塔的熱能有效降級,這使得熱效率提高。對于給器中國煤仆也是熱泵的再沸定的精餾塔,通過(guò)合理設置和使用中間再沸器,可以CNMHG向的不同可分為:提供最大的熱效率達到最大的節能效果4。冷凝器壓力大于蒸發(fā)器壓力的第一類(lèi)吸收式熱泵(Ⅰ型)和蒸發(fā)器壓力高于冷凝器壓力的第二類(lèi)吸省設備投資30%。隔板塔精餾塔能廣泛地應用于收式熱泵(Ⅱ型)。第一類(lèi)吸收式熱泵需要高溫熱源石油精制、石油化工、化學(xué)品及氣體精制驅動(dòng),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(lèi)吸收式熱泵可利用低品位熱能直接驅動(dòng),以低溫熱源與冷卻水之間的溫差為推動(dòng)力,可產(chǎn)生低壓蒸汽。2.1.2熱泵技術(shù)應用需注意的幾個(gè)問(wèn)題熱泵技術(shù)以其高效節能的特性,得到了普遍應用,但并非任何條件下都適宜采用熱泵技術(shù),應從以下幾個(gè)方面進(jìn)行可行性判定:(1)是否存在優(yōu)質(zhì)的熱源,通常熱源應溫度較高穩定量大,與熱泵設置點(diǎn)距離較近,且不具有腐蝕性,不易結垢,對設備磨損較小圖2立式隔板蒸餾塔(DwC)(2)是否有合適的用熱需求,應根據所采用的熱熱偶精餾塔節能的主要原因有兩點(diǎn):①熱偶精泵類(lèi)型,確定合適的供熱溫度,使熱泵系統經(jīng)濟性較餾塔較好地解決了中間組分在塔內的再混合問(wèn)題;②熱偶精餾預分塔進(jìn)入主塔的物料,其組成能夠較(3)運行成本是否低。由于供熱方式的改變相好地和主塔進(jìn)料板上的組成相匹配,符合最佳進(jìn)料應增加了其它消耗,應探討是否具有經(jīng)濟效益,一般板的要求熱泵節能率達30%以上時(shí),才能比鍋爐供熱成本熱偶精餾流程并不適用于所有化工分離過(guò)程低它的應用有一定的限制,這是因為,雖然此類(lèi)塔從熱(4)還應當注意采用熱泵技術(shù)后,是否對原系統力學(xué)角度來(lái)看具有最理想的系統結構,但它主要是產(chǎn)生其它影響,如意外故障的應變性、負荷變化時(shí)的通過(guò)對輸入精餾塔的熱量的“重復利用”而實(shí)現的適應性,以及系統整體的熱量平衡等。當再沸器所提供的熱量非常大或冷凝器需將物料冷22熱偶精餾(8-1至很低溫度時(shí),此工藝會(huì )受到很大限制。熱偶精餾由于既節能又節省設備投資引起了人此外,熱偶精餾流程對所分離物系的純度、進(jìn)料們的廣泛關(guān)注。最早的熱偶精餾是50年前由Pet-組成、相對揮發(fā)度及塔的操作壓力都有一定的要求:Jyk提出的,研究發(fā)現熱偶精餾比常規精餾過(guò)程節①產(chǎn)品純度:熱偶精餾流程所采出的中間產(chǎn)品能至少30%以上,但受當時(shí)的技術(shù)條件所限而難以的純度比一般精餾塔側線(xiàn)出料達到的純度更大,因工業(yè)化。近年來(lái),隨著(zhù)對節能要求的提高,且由于控此,當希望得到高純度的中間產(chǎn)品時(shí),可考慮使用熱制技術(shù)的提高,熱偶精餾方面的研究又趨于活躍,一偶精餾流程。如果對中間產(chǎn)品的純度要求不高,則些大公司已將其中的分隔壁精餾塔工業(yè)化。本文主直接使用一般精餾塔側線(xiàn)采出即可。要介紹熱偶蒸餾的特點(diǎn)以及各種流程和應用現狀②進(jìn)料組成若分離A、B和C三個(gè)組分,且相對以期促進(jìn)我國對該項技術(shù)的研究和應用。揮發(fā)度依次遞增時(shí),采用該類(lèi)塔型時(shí),進(jìn)料混合物中熱偶精餾主要用于三組份混合物分離或將混合組分B的量應最多,而組分A和C在量上應相當物分為三種產(chǎn)物,可分為以下幾種形式5-14):①側③相對揮發(fā)度:當組分B是進(jìn)料中的主要組分線(xiàn)蒸餾塔,由主塔和側線(xiàn)蒸餾塔組成;②側線(xiàn)提餾時(shí),只有當組分A的相對揮發(fā)度和組分B的相對揮塔,由主塔和側線(xiàn)提餾塔組成:③完全熱偶精餾,發(fā)度的比值與組分B的相對揮發(fā)度和組分C的相最早由 Petlyuk提出,故又稱(chēng)為 Petlyuk蒸餾塔,由主對揮發(fā)度的比值相當時(shí),采用熱偶精餾具有的節能塔和預分餾塔構成,預分塔的作用是將混合物進(jìn)行優(yōu)勢最明顯。如果組分A和組分B(與組分B和組初步分離,輕關(guān)鍵組份全部由塔頂分出,重關(guān)鍵組分C相比)非常容易分離時(shí),從節能角度來(lái)看就不份完全由塔釜采出,中間組份在塔頂、塔底之間分如使用常規的兩塔流程了。配,主塔的作用則是對預分塔塔頂和塔底的物料進(jìn)④塔的操作壓力:整個(gè)分離過(guò)程的壓力不能改一步分離,得到符合要求的產(chǎn)物;④立式隔板塔(圖變。當需要改變壓力時(shí),則只能使用常規的雙塔流2),在塔內部采用立式隔板將塔從中間隔開(kāi)分成兩程。部分,這一結構從本質(zhì)上可認為是將 petlyuk蒸餾塔2.3多效精1518的主塔和預分塔組合于同一塔內。對于某給定的物中國煤化工子塔的能量品位料隔板塔精餾和常規精餾流程相比需更小的回流級別CNMHα用于品位較低比,增大了操作容量,節能最高可達到60%以上,可的塔,從而達到節能的目的。多效精餾的工藝流程根據加熱蒸汽和物料的流用研究,尤其是對當前最具前途的隔板精餾塔的應向不同,可分為平流、順流和逆流三種;按效數可分用研究。為兩效(雙效)、三效、四效……等,最常見(jiàn)的是兩效(雙效)。4結論雙效精餾是把原來(lái)的一個(gè)精餾塔分成兩個(gè)分別精餾過(guò)程在化工單元操作中由于能耗大,節能在不同壓力操作下的塔,通過(guò)兩效之間的壓力不同,潛力高而倍受關(guān)注,本文總結了精餾過(guò)程主要的節使前一效的冷凝器與后一效的再沸器相匹配。與普能技術(shù),對各類(lèi)技術(shù)的類(lèi)型優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行通精餾塔精餾相比雙效精餾可以充分利用冷熱劑了綜述,對化學(xué)工程師在進(jìn)行精餾過(guò)程的設計和優(yōu)固有溫差減少傳熱的不可逆性減少公用工程消化時(shí)有一定的指導意義,并指出了當前節能技術(shù)開(kāi)耗但同時(shí)增加了設備費用。雙效精餾的4種基本發(fā)研究的重點(diǎn)。類(lèi)型即參考文獻1)平流型:原料被分成大致均勻的兩股分別送[1]Bravo J L, Fair JR, Humphrey J L, et al, Fluid mixture人高、低壓兩塔中,其中以高壓塔塔頂蒸汽向低壓塔 separation technologies for cost reduction and process improvement塔釜提供熱量,兩塔均從塔頂、塔釜采出產(chǎn)品[M]. NJ: Noyes Publications, Park Ridge, 198(2)順流型LCH型:流程從高壓塔進(jìn)料,高壓塔[2]Humphrey J L, Seibert A F Separation technologies: an op-塔頂產(chǎn)品作為低壓塔進(jìn)料,兩塔塔釜均采出產(chǎn)品,而 portunity for energy savings[J. Chem Eng Prog,1928(3):32塔頂產(chǎn)品全由低壓塔塔頂采出。(3)順流HGL型:此流程也只從高壓塔進(jìn)料,高[3]http://jpke.qust.educn/index/qiuruchen/pages/file/壓塔塔底產(chǎn)品作為低壓塔進(jìn)料,兩塔塔頂均釆出產(chǎn)multimedia/HanBC/GI-5/G1-5-2 HIM(4)逆流型:所有原料都進(jìn)人低壓塔其塔底采分析(門(mén).金山油化纖,04⊕"沸器的精餾塔熱力學(xué)品,塔底產(chǎn)品只從低壓塔采出?！?〕許維秀,朱圣東,李其京.化工節能中的熱泵精餾工出作為原料送入高壓塔,兩塔塔頂均有產(chǎn)品采出,而藝流程分析〔.節能,200,10:19-24.塔底只有高壓塔有產(chǎn)品采出?！?〕朱玉琴,李迓紅.高效節能的熱泵精餾技術(shù)[J.發(fā)3我國精餾過(guò)程節能現狀與趨勢電設備,2003,3:48-50〔7〕朱平,梁燕波秦正龍.熱泵精餾的節能工藝流程分近年來(lái),由于能源的短缺精餾過(guò)程節能的技術(shù)析,節能技術(shù)2037-9開(kāi)發(fā)和應用研究非?；钴S?！?〕葉青,裘兆蓉,韶暉,鐘秦,熱偶精餾技術(shù)與應用進(jìn)展[J.天然氣化工,006,31(4):53方面隨著(zhù)計算機技術(shù)與軟件的發(fā)展,大型化〔9〕錢(qián)宏義,韓方煜.分隔型熱耦合精餾塔的優(yōu)化設計工軟件商業(yè)化越來(lái)越多,靜態(tài)模擬軟件如Aspn,(.青島科技大學(xué)學(xué)報,204,25(3):214-218,pro等已成為化學(xué)工程師的基本設計與優(yōu)化工具,〔10〕何莉,樊希山.熱偶精餾過(guò)程模擬與優(yōu)化的改進(jìn)動(dòng)態(tài)模擬軟件如 gPORMS以及研究物體流動(dòng)性能的.計算機與應用化纖,201,205):611-614CFD等軟件也開(kāi)始在一定范圍內風(fēng)行,這都在一定〔11〕王延敏姚平.經(jīng)熱偶精餾過(guò)程模擬優(yōu)化方法的改程度上促進(jìn)了人們對精餾操作的規律性認識和本質(zhì)進(jìn)一人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )-遺傳算法(J.化工學(xué)報,200,54認識,有利于對精餾過(guò)程的節能研究。(9):1146-1150另一方面,各類(lèi)特殊精餾工藝的技術(shù)日趨成熟〔12〕高維平,楊瑩,熱偶精餾過(guò)程的研究[J.吉林化工開(kāi)始在工業(yè)過(guò)程中獲得實(shí)際應用,如熱泵精餾在處學(xué)院學(xué)報,1994,1(1):14-29〔13〕呂向紅,陸錫恩,熱耦蒸餾技術(shù)進(jìn)展[刀〕.化工進(jìn)理丙烯-丙烷系統,乙苯-對二甲苯過(guò)程中獲得廣展,204,2(8):837-840泛應用,在丁二烯系統中的熱偶精餾的運用等,都取〔14〕周愛(ài)月,王瑜,崔玉林.用同倫延拓算法模擬熱偶得了良好的節能效果。精餾過(guò)程[J〕.化工學(xué)報,199,50(1):1-7我國在精餾過(guò)程節能的理論研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)與〔15〕高維平,楊瑩,劉文艷.平流雙效精餾過(guò)程的模擬應用方面與國外都存在著(zhù)比較大的差距,國外現在與優(yōu)化[J.計算機與應用化學(xué),19,12(1):55-57已開(kāi)展對多種方式相結合的節能研究(9,國內尚未〔16〕武昊宇,項曙光韓方煜.多效精餾優(yōu)化設計的研見(jiàn)有報導,尤其在工業(yè)實(shí)用方面差距明顯這也與我充進(jìn)展[J.計算機與應用化學(xué),206,2)49149國工業(yè)生產(chǎn)中的工藝技術(shù)水平整體比較落后有關(guān)〔17〕王以清.雙效精餾流程的節能分析[J.化學(xué)工程如對熱偶精餾中的分隔壁精餾塔的研究。迄今為師,2002,92(5):47-49〔18〕張秀玲,榮本光,陳玉琴.對雙效精餾過(guò)程節能影止,至少有40套分隔壁精餾塔進(jìn)行商業(yè)運行,大部分屬于德國的BASF公司,主要用于分離中間產(chǎn)物中國煤化工1-stillation for Thermal含量高的三元混合物。而我國目前尚未見(jiàn)有隔板塔CNMHG20,06(1):211的工業(yè)應用報導。因此我國應該加強節能技術(shù)的應2467