精馏过程的节能降耗

炼油、石化生产过程中大量存在的分离、换热和反应工序,节能潜力巨大。能源是社会发展和进步的重要物质基础。我国的能源储量以及一次能源的开发和消费量居世界前列,而能源的总利用率则远低于欧美和日本。化学工业是个耗能大户,能耗量约占全国能源总消费的9%-10%,占工业用能的13%-15%,因此,化工节能对缓解我国能源的供需矛盾影响很大。在当前世界性的能源危机面前,化学工业必须首先关注节能降耗和节能新技术的研究应用。本文就我国化学工业中最普通也是能耗较多的分离过程这一领域中的一些节能现状作一粗略介绍。一精馏过程的节能降耗精馏技术是化工领域中最为成熟，应用最为广泛且必不可少的单元操作，同时也是工业过程中能耗和设备投资高的设备，在炼油、石化等行业中，其能耗占全过程总能耗的一半以上。因此对精馏过程节能技术的研究具有极其重要的意义。国内外已开发并应用了一些节能型耦合精馏塔，如反应精馏塔（ReactiveDistillationColumn）、热耦合精馏塔（PetlyukColumn）、隔板精馏塔（DividiWallColumn，简称DWC）等。精馏过程的节能主要有以下几种基本方式:提高塔的分离效率,降低能耗和提高产品回收率;采用多效精馏技术;采用热泵技术等。1.1板式塔1.1.1高效导向筛板高效导向筛板具有生产能力大、塔板效率高、塔压降低、结构简单、造价低廉、维修方便的特点,目前已广泛应用于化学工业、石油化工、精细化工、轻工化工、医药工业、香料工业、原子能工业等。1.1.2板填复合塔板板填复合塔板充分利用板式塔中塔板间距的空隙,设置高效填料,以降低雾沫夹带,提高气体在塔内的流速和塔的生产能力。同时气液在高效填料表面再次传质,进一步提高了塔板效率。由于负荷下限未变而上限大幅度提高,因此塔的操作弹性也大为提高。板填复合塔板已在石化、化工中的甲苯、氯乙烯等多种物系中得到成功应用。1.1.3复杂精馏塔传统的精馏塔及其精馏序列已不适应当前过程集成、设备集成的发展趋势。武吴宇【1】等进行了复杂精馏塔的研究,与传统精馏塔的一股进料二股产品的精馏塔比较,能够产生相当大的能量消耗及成本上的节约。复杂塔还适合更新设计,因为它经常可以通过对现有塔进行微小的改动来实行。在所有可能的多组分精馏过程新方案中,热偶精馏在能量和投资费用的节约上都非常有前途。他们采用Underwood方程和Vmin分析了多组分热偶精馏的最小能耗;主要探讨了用详细的塔模型来进行多组分热偶精馏塔的设计,所建立的塔模型既能够描述传统塔又可以描述热偶精馏塔,并允许不同的选择结构互相比较:提出了以能量消耗最小为目标的,多组分混合物分离的热偶精馏序列的整体优化方法。他们以四组分烷烃混合物的分离为例,根据详细的热偶精馏塔数学模型,计算了热偶精馏的能耗、年总费用,并比较了各种热偶方案的节能效果。以能量消耗最小为目标,对两种热偶精馏序列进行了整体优化。1.2填料塔填料是填料塔最重要的传质内件,其性能主要取决于填料表面的湿润程度和气液两相流体分布的均匀程度。1.2.1新型高效规整填料高效导向筛板是北京化工大学科研人员在对包括筛板塔板在内的各种塔板进行深入研究、综合比较的基础上,结合塔板上流体力学、传质学的研究结果。新型高效规整填料主要包括金属板波纹填料和金属丝网波纹填料两大类,在将其进行物理的和化学的方法处理后,填料的分离效率大为提高。主要优点有:(1)理论塔板数高,通量大,压力降低;(2)低负荷性能好,理论板数随气体负荷的降低而增加,没有低负荷极限;(3)放大效应不明显;(4)适用于减压精馏,能够满足精密、大型、高真空精馏装置的要求,为难分离物系、热敏性物系及高纯度产品的精馏分离提供了有利的条件。1.2.2新型高效散堆填料(1)金属鲍尔环填料,它采用金属薄板冲轧制成,由于在环壁上开了许多窗孔,使得填料层内的气、液分布情况及传质性能比拉西环有较大的改善。(2)金属阶梯环填料,这种填料降低了环的高度,并在环的2个侧端增加了锥形翻边,使其性能较鲍尔环填料有了较大的进步。在同样液体喷淋密度下,其泛点气速较鲍尔环提高了10%～20%;在同样气速下,压力降较鲍尔环低30%～40%。(3)金属环矩鞍填料,国内简称为英特洛克斯填料。这种填料巧妙地把环形和鞍形两类填料的特点综合成为一体,使它既有环形填料通量大的特点,又有鞍形填料液体分布性能好的特点,从而成为当前散堆填料中的佼佼者【2】。(1)高效导向筛板在甲醇精馏过程中一般可以达到扩产50%～100%,并可提高分离效率,降低塔压降，可用于降低废水中污染物的产生量。(2)新型高效填料具有通量大、效率高、压降小的特点,在精馏过程技改中可以达到大规模扩产节能、降耗的效果，可用于降低废气中污染物的产生量。(3)高效导向筛板与新型高效填料已是成熟技术,在化工及甲醇精馏过程中得到了广泛应用,并取得了巨大的经济效益。高效导向筛板与新型高效填料【12】在化工技改中占有重要的位置,一般可以很容易地达到大幅度扩产、节能、降耗的效果,在甲醇精馏及合成氨技术改造中,已经发挥了巨大的作用。1.2.3三塔精馏分别为预精馏塔、加压精馏塔和常压精馏塔。在预精馏塔中除去溶解性气体及低沸点杂质,在加压塔和常压塔中除去水及高沸点杂质,从而制得合格的精甲醇产品。在三塔精馏中通过应用高效丝网波纹规整填料并配套使用新型气液分布器、蒸发式冷凝器等,基本实现清洁生产“节能、降耗、减污、增效”的目的,符合循环经济“低消耗、低排放、高效率”的基本特征,在节约能源的同时,实现了装置生产污水零排放。（11）1.3提高热的利用率首先,增强再沸器和冷凝器中的传热面积可使传热温差下降。增强传热表面有两大类型:(1)多孔相变化传热面:包括微孔沸腾表面及特殊处理的冷疑表面,均可使沸腾或冷凝给热系数较之光管提高10～30倍;(2)扩展的传热面:包括翅片管或开槽沟扩大传热面,可以使传热系数提高不少。其次,采用空气冷却器或蒸发冷却器代替水冷凝器可以避免积垢,水电综合能耗也较低,而且节省用水。再次,如果塔釜液是无关重要的废液,则可以把它的显热变成潜热加以利用。另外,采用低品位热能也是节能的有效方法【3】。1.4超声波技术【13】抚顺石油化工研究院已将超声技术成功应用于秸秆燃料乙醇生产时的稀乙醇提浓工艺开发中,替代了传统的精馏—共沸精馏或者精馏—分子筛脱水的工艺。由于纤维路线乙醇的发酵液中乙醇浓度很低(通常低于10%),因此,乙醇的精馏工段成为燃料乙醇生产最大的能耗所在,开发节能型的乙醇提浓工艺非常重要。抚研院已建设了一套乙醇超声提浓装置,在室温,常压和超声频率1.8MHz条件,通过两级超声提浓,可将乙醇浓度从10%提高至45%。日本超声酿酒(Ultra2soundBrewery)公司认为采用超声技术可比精馏法节省能源10%以上。1.5近年来，国外对隔板精馏技术【14】的研究和应用都十分重视，特别是在三组分混合物分离的工业化应用方面已相当成功，例如合成氨联产甲醇技术中，联醇生产中主要采用两塔精馏流程，两塔分别脱除轻组分杂质和重组分杂质。该流程采用隔板精馏技术同样可以达到分离要求。此外，DWC还有可能应用在以下领域：空气分离流程、直接法合成苯基氯硅烷生产流程等等。而我国在此领域尚处于起步阶段，加快此项技术的开发和工业化应用步伐，并且拥有独立的知识产权，对降低工业生产的能源消耗，推动我国石油和化工行业的发展具有重要意义。德国拜耳（Bayer）公司在隔板精馏技术领域一直处于世界领先地位。拜耳技术服务有限公司（BayerTechnologyService，简称BTS）建立并运行了一套隔板精馏塔实验室装置。反应隔板精馏【14】（ReactiveDiviColumn，RDWC）技术的研究与应用。Mueller提出反应隔板精馏的概念，将反应精馏过程与隔板精馏耦合2在一起。并完成了碳酸二甲酯（DMC）与乙醇酯交换生成碳酸二乙酯（DEC）的反应与分离的过程模拟，高纯度的产品DEC从塔底采出，副产物和未反应的乙醇侧线出料，塔顶为含有甲醇和DMC二元共沸物的流股；研究结果表明该新型的反应分离装置能最大程度地提高该平衡反应的转化率，获得高纯度的产品，并有效地抑制副反应。RDWC是反应过程与多组分分离过程的耦合。在化工工业中过程的高度耦合能大幅度减少设备体积，简化流程，降低能耗，提高效益。1.6反应精馏集成技术反应与分离相结合技术已在多个领域实现了产业化，对某些新领域的开发也取得了一定进展。国内也在积极开展研究开发工作，但对其规律性掌握的还不够，实际应用面还不够广。随着全球节能和环保的要求益提高，反应与分离集成技术将会发挥更大作用是解决能源危机和缓解三废污染的有效途径。反应精馏【15】是一种将反应过程和精馏过程结合在一起的新型技术，是在同一个蒸馏塔内进行的祸合过程,它具有投资少，流程简单，节能，产品收率高等优点，可以替代某些传统工艺过程如醚化，芳烃烷基化，加氢，酯化等反应。目前许多工艺已较成熟，且借助于计算机模拟手段，研究范围得到进一步扩大。出现了许多新的应用类型,依据反应体系及采用催化剂的不同，反应精馏可分为均相反应精馏，包括催化和非催化反应精馏和非均相催化反应精馏，即通常所称的催化蒸馏。1.7新蒸馏过程的探索与开发为提高分离效率,降低能耗,需要寻求一些特殊的蒸馏方法以分离一些特殊的物料,诸如热敏物料,共沸热料等。一般有下列几个方面:(1)添加物蒸馏。在蒸馏过程中加入某些添加物以利用溶液的非理想性,增大某一组分的挥发性,使组分容易分离,达到高效、节能目的。(2)耦合蒸馏。蒸馏过程与其它过程同时进行,以达到强化作用和简化过程的目的。(3)动态蒸馏。包括可控的不稳定蒸馏与分批蒸馏,能提高传质效率和缩短操作时间,达到增产和节能的目的。(4)场效应蒸馏。包括带电、磁、激光、重力、功能微粒[7]等场效应的蒸馏,对传质过程有不同程度的促进【4】。天津大学针对苯酚，邻、对苯二酚等高凝固点类化工产品的分离过程，开发成功具有高凝固点，高粘度和热敏特征的难分离复杂物系精馏节能新技术，采用该技术设计的精馏塔已在万吨级苯酐装置获得应用，分离效率提高2-3倍，热能耗降低30%-50%。根据蒸馏科学的特点和现状，要深化蒸馏过程就必须突破传统的研究方法，探索新理论，吸收其他最新研究成果，对分离过程设备进行强化，以开发环保，高效，节能并符合精馏过程的设备。二干燥操作的节能问题干燥过程是各种工业过程广泛采用的单元操作,其能量消耗相当大,因此干燥过程的节能问题尤为重要。干燥过程的主要节能措施如下:2.1选用合适的干燥流程及设备干燥操作流程和设备有各种形式,适应于各种场合。如何选用合适的干燥流程与设备对于干燥过程的节能是相当重要的,这方面主要依据干燥物料的特性和干燥产品的要求以及生产的实际情况而定。2.2降低干燥装置的热能供给量首先应对原料进行预处理,尽量采用机械分离方法脱除一部分游离水分,因为机械分离方法比热处理分离方法消耗的能量要少得多;其次是改善干燥介质的热状态:(1)尽可能提高干燥介质的进气温度,减少干燥过程中的干燥介质消耗量,则干燥废气带走的热能相应减少,热效率提高,针对物料的热敏性问题,可考虑采用中间加热的办法。(2)降低干燥介质的出口温度,提高其湿度,同样可以减少干燥介质的消耗量,提高干燥操作的热效率,但为防止干燥产品返潮以及设备的堵塞和设备材料的腐蚀问题,气体离开干燥器的温度需高于进入干燥器时的绝热饱和温度20～50℃【8】。2.3利用先进的节能技术(1)采用部分废气循环的干燥流程。将含有大量热量的部分废气返回预热室,与新鲜空气混合使用,可将废气中的余热重新利用,并降低了空气加热器的热负荷,能耗将下降10%。目前,一般的废气循环量控制在20%左右。(2)采用热效率高的传热设备。为了提高传热系数,减少换热面积,降低设备投资费用,需采用高效的换热设备。如新型换热器———空心环管换热器,它采用空心环支承双面强化传热管管束的强化技术与一般的管壳型换热器相比在相同的传热条件下总传热系数可以得到提高，换热面积也可减少。2.5采用热管技术热管吸热段吸收废气热量,并通过管壁传给管内工质,工质吸热