蒸馏过程大型化与节能-化工进展

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2007年第26卷第1期·90·化工进展蒸馏过程大型化与节能秦娅1，刘德新1，姜斌1，2，黄国强1，2，李鑫钢1，2（1天津大学化工学院，天津300072；2精馏技术国家工程研究中心，天津300072）摘要：蒸馏过程的大型化与节能是炼油工业及其他分离过程发展的必然趋势。针对蒸馏装置大型化过程中面临的问题，本文提出了蒸馏过程大型化理论和节能策略，开发出了低液面梯度技术、气液均匀分布技术、抗堵塞技术以及与此配套的一系列塔内件技术，形成了关键技术的系统集成，显著降低了过程能耗。同时列举了一些蒸馏过程大型化与节能关键技术的成功应用范例。关键词：蒸馏过程；大型化；节能中图分类号：TQ028.3文献标识码：A文章编号：1000–6613（2007）01–0090–07MagnifyingtechnologyindistillationprocessandenergysavingQINYa1，LIUDexin1，JIANGBin1，2，HUANGGuoqiang1,2，LIXingang1,2（1SchoolofChemicalEngineeringandTechnology，TianjinUniversity，Tianjin300072；2NationalEngineeringResearchCenterforDistillationTechnology，Tianjin300072）Abstract：Thedevelopmenttendencyoflarge-scaledistillationunitsandenergyconservationtechnologyhasbeendiscussed.Theprimaryproblemsexistinginindustrializinglarge-scaledistillationequipmentsarepointedout，themagnifying&energysavingdistillationtechnologydevelopedbyTianjinUniversity，suchaslowliquid-levelgradienttechnology，uniformliquid-vapordistributiontechnology，anti-cloggingtechnologyandaseriesoftowerinternalstechnology，onthebasisofmodernmasstransfertheory，hydrodynamics，calculationhydrodynamics&processsystemengineeringtheory，areintroduced.Somesuccessfulcasesinpopularizingthekeytechnologyareenumerated.Keywords：distillationprocess；magnifyingtechnology；energysaving精馏技术作为过程工业领域的一项关键共性技术，广泛应用于炼油等大型化工分离过程。现代精馏技术强调通过关键设备大型化实现规模效应，精馏过程大型化也是现代化工行业发展的必然方向，对降低能耗、提高设备效率、减少废物排放等方面具有重要意义。然而，精馏装置的大型化过程必然面临放大效应、长周期运行等一系列科学和工程难题。天津大学在现代传质理论、流体力学与计算流体力学、可视化设计、过程系统工程等理论研究的基础上，形成了精馏过程大型化与系统集成关键技术，大大提升了传统精馏过程的技术水平，显著降低了过程能耗。本文将对蒸馏过程大型化与节能技术及其在大型塔器设计中的应用作一简介。1蒸馏过程大型化与节能的意义蒸馏过程大型化是炼油及其他分离过程发展的必然趋势。炼油工业的经济效益与其规模密切相关，因此，炼油厂的大型化得到了世界各国的普遍重视。据测算，在同等规模下，单套装置比双套装置投资约少24%，装置能耗约减少19%；相同规模，3套装置投资比单套装置增加约55%，能耗增加约29%。一般认为，大型炼油厂以10～20Mt/a为宜。与2000年相比，2005年初世界炼厂数目由756座减少到674座，减少10.85％，而原油加工能力却增长了1.05％，收稿日期2006–12–05。第一作者简介秦娅（1979—），女，博士研究生。联系人姜斌，硕士生导师。电话[phone]；E–[e-mail]。节能技术专栏第1期秦娅等：蒸馏过程大型化与节能·91·使炼厂平均规模由5390kt/a提高到6110kt/a，提高了13.42％[1]。2000年，我国炼厂平均规模约为2290kt/a，2005年已增长到4150kt/a，虽有较大提高，但与国外炼油水平相比仍有很大差距，行业结构调整任重道远[2]。为此，“十一五”我国规划建设十几套千万吨级炼油装置，已成为国家的重大能源战略。未来几年，随着炼油装置结构的不断调整，大型常减压蒸馏装置还将得到进一步发展，因此我国已进入发展大型常减压蒸馏装置的重要时期。随着经济的快速发展，我国已成为第二大能源消费国，而其中石油的消费量呈逐年大幅度上升趋势，石油安全问题日趋显著。2006年能源蓝皮书《中国能源发展报告(2006)》指出，中国2004年原油进口达1.23亿吨，首次突破亿吨大关，石油进口依存度(净进口量占消费量比例)达到40％，预计2010年将达到50％。而由于世界石油出口集中于少数国家，再加上地缘政治因素，如何长期稳定地保证石油供应是一个不容易解决的问题，也是涉及国家安全的重大问题。另一方面，与发达国家相比，我国能源利用效率只有33.4％，远低于先进国家的52％～55％[3]。由此可见，我国在降低能耗强度方面大有潜力。所以，采用先进的节能技术，优先做好节约工作是解决我国能源问题的一个关键。精馏是化工分离主要耗能过程之一，占40%以上。降低精馏过程能耗是精馏技术创新的客观要求，因此蒸馏过程大型化与节能技术的开发将对我国能源问题的解决起到极大的促进作用。2蒸馏过程大型化与节能关键技术开发2.1大型化过程中面临的问题蒸馏过程大型化过程中必然面临以下几方面的问题：(1)放大效应。在大装置上所能达到的某些指标，通常低于小型试验结果，即产生所谓的“放大效应”，原因是随着装置的放大，物料的流动、传热、传质等物理过程的因素和条件发生了变化。(2)长周期一般运行问题。大型装置的开、停工及检修时间较长，开、停工时的物料损耗较大，因此需要采取各种措施，特别是做好防腐、防垢、防止结焦等工作以保证大型装置长周期运转。国外大型装置的检修周期都在3年以上[4]。(3)大型化设备及其微变型控制。装置规模的扩大必然带来设备的大型化，如何解决大直径塔的支撑结构微变形问题、保证气液两相均匀接触、实现物料均匀分布等问题的重要性和艰巨性是不言而喻的。(4)高能耗。如果装置的规模增大，但能耗却不能减少，这样的规模难以真正地发挥应有的规模效益[5]。2.2过程分析与模拟作为精馏过程的设计依据，过程分析、工艺计算和流程模拟至关重要。流程模拟优化技术是提高工厂经济效益、降低生产成本、消除装置“瓶颈”的主要手段之一。因此，利用计算机模拟精馏过程操作，日益受到国内外科研工作者的关注。应用稳态过程模拟软件，可对全工艺流程进行多方案的对比计算，以提高收率、降低能耗、降低装置投资、减少对环境的污染为目标，优选生产的工艺流程及各单元之间的中间操作参数（如温度、压强、流速、组成等），并对各中间操作参数做敏感性分析，判断流程中各单元的可操作性及安全性。在新产品及新工艺研究开发的前期，对开发的可行性进行量化评估，提高过程开发的成功率。2.3计算流体力学气体和液体广泛存在于自然界和工业工程中，其行为又复杂多变。因而计算流体力学（CFD）一直是科学与工程计算中最重要和最有挑战性的领域之一。近些年来，随着计算机软硬件的发展以及计算流体力学理论和方法的不断发展完善，使用计算流体力学方法精确地模拟精馏设备中的流体流动特性已经成为可能。精馏过程在塔板和填料上属于气液两相流动传热传质过程，在气体分布、液体分布、塔内气液流动等存在大量多相流体力学问题，因此计算流体力学更有着特殊的意义。在传统数学分析难于实现的复杂边界条件和复杂几何形状处理方面的问题，可以通过计算流体力学得到很好的解决。本文对多项塔内件进行了流体力学性能研究，通过流场分布模拟，指导内件的设计开发，同时优化了部分内件结构，以实现流线形分布，减少塔内件压力降，力图实现节能。2.3.1环形折返流气液分布器大型蒸馏装置为气液两相进料且进气速度很高，气体分布器设计的好坏将直接影响塔器的设计水平和开车效果。双切向环流挡板式进气分布器是一种性能优良的进气初始分布器，但由于其向下冲击力较大，其轴向上返气容易产生严重的雾沫夹带，如此设计需要较高的进料闪蒸段。环形折返流气液分离分布器（见图1），是在双切向挡板式进料分布器的设计基础上，另外加设了捕液吸能器。这样基本上消除了液相的夹带，也使进入塔内的气体上返后更加均匀，这对于大直径的塔器可以更好地发挥填料及塔板的效率，进料闪蒸空间高度也大大降低。本分布器的设计采用Fluent流体力学计算软件，对流体在塔内的流化工进展2007年第26卷·92·动进行分析，并对结构设计结果进行验证。图2为环形折返流气液分离分布器内速度分布云图。可以看出随着高度的增加塔截面上的流场分布不均匀度逐渐减小，速度场分布更加均匀。气体分布的不均匀度和压降是评价气体分布器性能好坏的重要指标。图3和图4为不同气体进料流速下，分布不均匀度和压降的实验值与模拟值比较结果。对于处在同一高度的塔截面，随着进气速度的增加，不均匀度降低，压降随之增加，这符合塔内流体的一般分布规律。图1环形折返流气液分离分布器三维效果图YZX（a）塔轴向截面流场分布(X=0)YXZ（b）塔径向截面流场分布(Z=0)YXZ（c）塔径向截面(Z=1.5)YXZ（d）塔径向截面(Z=1.8)YXZ（e）塔径向截面(Z=2.0)YXZ（f）塔径向截面(Z=2.5)图2环形折返流气液分离分布器内速度分布云图40455055600.00.10.20.30.40.50.6CFD模拟值实验值不均匀度(Mf)进料流速u(m/s)0.60.50.104045505560不均匀度M10.40.30.2进料流速u/m·s－1图3不同进料流速下气体分布不均匀度的实验值与模拟值比较354045505560653045607590105120135实验值CFD模拟值压降(pa)进料流速u(m/s)135120604045505560压降/Pa1059075进料流速u/m·s－130453565图4不同进料流速下压降的实验值与模拟值比较第1期秦娅等：蒸馏过程大型化与节能·93·2.3.2变孔径预分布管大型槽式分布器一般采用中间进料，在预分布管中部产生分流。预分布直接影响整个分布器的液体分布均匀性，若分布不均匀则在水平段起始端会产生较大的液体震荡，从而影响压头正常分布。多孔管中的液体分配比较复杂，具有很多种形式，理论上不能够实现绝对均匀液体分配，当等孔径预分布管不能够满足液体预分布要求时，可以采用变孔径开孔预分布管进行液体初始分配。由于流体流动极其复杂，采用CFD进行模拟计算，优化设计不同位置的孔径。图5和图6分别为改进前后进料管的各个孔的流量分布图，对比得知，优化开孔直径后进料管分布均匀性能方面得到了明显的改善。00.511.522.5314710131619222528313437流量(kg/s)051015202530孔径(mm)流量(kg/s)孔径(mm)0.60.50.10流量/kg·s－10.40.30.23329252117流量/kg·s－1；951孔径/mm302550201510图5优化孔径前各个孔的流量分布图孔径/mm133700.511.522.5314710131619222528313437流量(k