精馏过程的节能技术

0引言精馏过程是一个复杂的传质传热过程，广泛应用于石油化工和精细化工，是主要的能源消耗环节，具有变量多、机理复杂的特点。根据有关资料统计，化工过程中40％～70％的能耗用于分离，而精馏能耗又占其中的95％[1]。自从发生了世界性的能源危机以来，精馏过程的节能问题已引起了人们的广泛重视。降低精馏过程的能耗，对于节约能源，减少产品成本至关重要，本文就精馏过程的节能途径进行了探讨。1精馏节能现状目前，在化工生产中分离物料的组分不断增多，产品纯度要求也不断提高，但精馏装置操作往往偏于保守，操作方法、操作参数设置欠合理。典型的单级精馏装置如图l所示[2]，混合物料从某一中间位置进入塔内，塔内设有塔板或填料促进汽液密切接触，塔底液相在再沸器中加热，塔顶的蒸汽在冷凝器中冷凝。此精馏过程消耗的能量绝大部分被冷却水或分离组分带走，并非用于组分分离，因此精馏过程的节能潜力很大。近年来，世界各国对精馏节能都很重视，以节能为中心的研究和应用得到了迅速的发展。据统计，在精馏过程的节能技术张琴，范海明，周钧（中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸，056027摘要：精馏是石油化学工业的高能耗操作单元，本文从充分利用精馏过程的热能，提高精馏系统的热力学效率，以及减少精馏过程对能量的需要等几个方面论述了精馏过程的节能措施，对各个类型的主要节能方法、优缺点和适用范围进行了综述，并介绍了我国精馏过程的节能现状与趋势。关键词：化工；精馏；节能中图分类号：：TQ028.31文献标识码：AEnergySavinginDistillationProcessZhangQin,FanHai-ming,ZhouJun（The718thResearchInstituteofCSIC，Handan056027，China）Abstract：Distillationisanimportantoperatingunitinpetrochemicalindustry,whichhashighlyenergyconsumption,thepaperfocusesonthedistillationprocessfromtheviewpointofenergysaving,andintroducedseveralenergy-savingmeasures,suchastakingfulladvantageofthethermalinthedistillationprocess,improvingthethermodynamicefficiencyofdistillationsystems,andreducingtheenergyneedsofdistillationprocess.Themainenergy-savingmethods,advantages,disadvantagesandapplicationsofeachenergy-savingmeasuresarereviewed,anddescribedourdistillationstatusandtrends.Keywords:chemicalindustry,distillation,energysaving舰船防化2010年第3期，1~5CHEMICALDEFENCEONSHIPS№3,1~5美国40000多个精馏塔的耗能量相当于120万桶石油，几乎占全国能耗的3％，如果从中节约10%，每年可节省5亿美元。我国的炼油厂消耗的原油占其炼油量的8%～10%，其中很大一部分消耗于精馏过程[2,3]。在当今能源紧缺的情况下，对精馏过程的节能研究就显得十分重要，精馏过程的节能首先要选择或设计高效的精馏设备，其次是确定适宜的操作条件和参数，以及合理选择多效精馏、热泵精馏、中间冷凝器、中间再沸器等。本文从精馏过程热能的充分利用，提高精馏系统的热力学效率，以及减少精馏过程对能量的需要等三个方面论述了精馏的节能措施。图1单塔精馏流程Fig.1Single-columndistillationprocess2充分利用精馏系统的热能精馏过程将物料送入精馏塔，迫使混合物的气、液两相在精馏塔体中作逆向流动，使其反复进行部分汽化和部分冷凝，从而得到预期的塔顶与塔底产品。精馏过程热能的充分利用，包括保温、保冷，回收物流的部分显热或潜热，以及优化热交换器等方法[4]。2.1保温精馏系统由塔体、热交换器以及各种管道组成，这些设备多为金属制成，对热的传导较为容易，易受环境温度的影响，若对其采取保温、保冷的措施，可以大大降低设备与环境之间的热传递作用，从而达到节约热能的目的[4]。2.2潜热利用精馏塔的显热回收量通常较小，对高温精馏过程，常回收塔顶蒸汽的潜热。从精馏塔出来的高温物料本身携带大量的热量，若对塔顶物料的余热进行充分回收利用，还可减少塔顶冷凝器冷量的使用量。一般对塔顶具有一定压力、温度的液体物料，可通过减压室将其显热转换成潜热进行回收，方法是：使塔釜液先进入减压罐，在真空作用下闪蒸成蒸汽，然后通过中压蒸汽驱动的蒸汽喷射泵将此部分蒸汽升压，用于其他设备，其流程见下图2[5]。图2塔釜余热利用流程Fig.2Recoveryprocessofwasteheatintowerreactor2.3优化热交换器优化热交换器是节能的重要环节，因为它决定了热能是否能得到充分利用的关键。为了提高热交换器的传热系数，已开发了多种高效换热设备或元件，如波纹型和多孔管型，能更好地强化传热表面，可大大提高传热系数。双波纹管和一面多孔一面波纹的传热表面均可使传热系数提高l～2倍；而高热流管与过去的低翅片管相比，传热效率则能提高30%。另外强化再沸器和冷凝器中的传热，还包括增强传热面积，和采用空气冷却器或蒸发冷却器代替水冷却器等方法。3提高精馏系统的热力学效率提高精馏系统的热力学效率，主要是提高系统的分离效率和产品回收率，可以通过采取多效精馏、热泵精馏、热耦精馏等技术，或采用新型塔板、高效填·2·舰船防化2010年第3期精馏塔再沸器冷凝器DCVFBW减压罐塔釜液废液排出蒸汽蒸汽吸入喷射入蒸汽图4热泵精馏技术Fig.4Distillationheatpumptechnology料塔等来提高分离效果和降低能耗[6]。3.1多效精馏在发达工业国家，多效精馏已成为一种规范性节能系统，广泛应用于工业生产中。多效精馏是通过扩展工艺流程来节减精馏操作能耗的，它是以多塔代替单塔，各塔的能位级别不同，能位较高的塔排出的能量用于较低的塔，从而达到节能的目的。即多效精馏将前级塔顶冷凝器与次级塔底再沸器合二为一，将前级塔顶蒸汽冷凝所放出的热量用作次级塔液的汽化，操作压力逐效降低，前面较高压力塔的塔顶蒸汽作为后面较低压力的塔底再沸器的加热介质，在其中冷凝，其原理与多效蒸发相同。如果相邻两塔的冷凝器和再沸器的热负荷平衡，则只有第一塔的再沸器需要加热蒸汽，昀后一塔的冷凝器需要冷却介质。若按进料方向与操作压力梯度方向是否一致划分，多效精馏可分为三类：多效平流(每塔均有进料)、多效顺流(从高压塔进料)和多效逆流(从低压塔进料)。多效精馏能耗低，节能效果较好，但多效精馏随效数增加，产生的节能效果开始不断下降，所带来的负面影响急剧增大，下图3是多效精馏对节能与能耗的影响[7]。工业上一般采用双效精馏，双效精馏技术在国外已日臻成熟，理论上双效精馏与单效相比可节能50%，但实际节能量与多种因素有关，其节能效果已为实践所证实，双效精馏操作所需热量与单效精馏可减少30%～40%[8]。图3多效精馏的效数对节能量及其能耗的影响Fig.3Effectonenergysavingandenergyconsumptionbythenumberofmulti-effectdistillation3.2热泵、中间再沸器及中间冷凝器热泵实质上是一种单效精馏，把冷凝器的热“泵送”到再沸器里去，使精馏能耗减少的制冷系统。一般使用了膨胀阀和压缩机，以改变冷凝或沸腾的温度，使得塔顶蒸汽冷凝时所放出的热能提供给再沸器作为气化室的热源。塔顶冷凝器和塔底再沸器之间联上一股闭路循环的外加致冷剂，不断将热量从冷凝器泵送至再沸器。热泵精馏以工质的来源可分为两大类，一类是直接式热泵精馏，以塔中的物质为工质；另一类是间接式热泵精馏，以额外的循环物料为工质。当塔顶冷凝器采用致冷剂冷却时称为低温热泵精馏，低温热泵精馏具有较低的压力、相对较大的挥发度和较小的回流比，以减小冷凝器和再沸器的热负荷。精馏过程设置中间再沸器及中间冷凝器，是顶底温差较大的精馏塔降低系统能耗的有效措施。在精馏段设置中间冷凝器，可用温度较高，价格较低的冷却介质，使塔内上升蒸汽部分冷凝，这样可以减少塔顶低温冷却介质的用量。同理，在塔内设置中间再沸器，可利用温度较低的加热介质，使塔内下降液体部分汽化，从而可以减少塔底再沸器中高温加热介质的用量。一般采用中间冷凝器和中间再沸器对沸点大的精馏操作尤为有利。2010年第3期精馏过程的节能技术·3·精馏塔压缩机节流阀再沸器DFWL多效精馏的效数负面影响节能量12有些精馏过程将热泵、中间冷凝器、中间再沸器结合使用。热泵的循环介质在中间冷凝器中吸收了来自精馏段某一位置饱和蒸汽的热量而蒸发为气体，该气体经压缩后提高温度进入中间再沸器，在中间再沸器中冷凝放热，冷凝后的液体再进入中间冷凝器蒸发吸热，如此循环，大大提高了精馏过程的热力学效率。SRV精馏就是综合热泵技术、中间冷凝器和中间再沸器的精馏技术，开发出来的一种新技术。3.3热耦精馏热耦精馏主要用于三元混合物的分离，与常规蒸馏塔相比热耦蒸馏可以节省能耗达30%左右[9]。热耦精馏在热力学上是昀理想的系统结构，可以用一个全塔和一个副塔代替两个完整的精馏塔，节省设备投资。从全塔内引出一股液相直接作为副塔塔顶的液相回流，引出一股气相直接作为副塔塔底的气相回流，使副塔避免使用冷凝器和再沸器，实现了热量的耦合，因此可节省能耗。但是中间组分的含量较低或操作压力差较大时，不适用于热耦精馏技术。3.4新型塔板和高效填料塔板和填料是精馏塔昀为重要的传质内件，新型塔板和高效填料具有效率高、压降低的优点。如采用伞形气帽、浮动筛板、新垂直筛板及穿流式浮板等新型塔板，可以降低精馏塔的操作压力，使被分离物系各组分间的相对挥发度增大，有利于提高分离效率和降低能耗[10，11]。填料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。目前的高效填料有：新型高效规整填料；新型高效散堆填料；阶梯环填料；金属环矩鞍填料等。新型高效填料在精馏塔器中的应用，均可以达到扩产、节能、降耗的效果。4减少精馏系统对能量的需要改变操作条件和方法，降低净功耗，减少精馏过程本身的能量需求，是从根本上进行节能的方法，主要应该考虑选择适宜的操作条件，如对回流比、操作压力、多塔排列顺序和进料状态等方面进行优化。4.1回流比回流比直接影响再沸器和冷凝器的热负荷．决定精馏分离的净功耗，因此大体上确定了操作费用[12]。在精馏过程中为了节能，操作线和气液平衡状态是非常重要的。操作线的改进就是使精馏过程尽可能地接近于可逆蒸馏过程。减小回流比是一种昀容易使操作线接近于平衡线的方法，回流比越小则系统节能效果越明显，因此应在可能条件下减小操作的回流比。但由于塔径随回流比的增加而加大，在回流比趋于昀小回流比操作时，就会造成塔设备费迅速增加。因此，一般权衡设备费用与操作费用，选择昀优回流比。昀小回流比与昀优回流比之间没有确定的数学关系式，昀优回流比一般为昀小回流比的1.1～1.5倍。对于已确定的精馏塔和分离物系，回流比和产品纯度密切相关，精馏塔设计时为保证产品纯度，都设计有一定的回流余量，这必然导致能耗偏高，因此在保证产品质量等级的条件下，只要适当降低回流量，即可降低能耗。4.2操作压力为精馏过程选择适宜的操作压力也有利于减少精馏的能量消耗。一般在减压条件下，平衡温度下降，使许多高沸点化合物在分离过程中避免使用高价值的加热介质，如热油等，这时可降低回流比而节省能量。但有时采用加压精馏，加压精馏实质上是提高被分离物系自身的饱和蒸汽压，系统内蒸汽压力升高，被分离物系的