精馏的节能技术

精馏过程的节能技术摘要：精馏是化工、石化、医药等过程的重要单元操作，本文主要讨论精馏过程的节能。从精馏过程热能的充分利用；提高蒸馏系统的分离效率，提高产品回收率来实现降低能耗；减少蒸馏过程对能量的需要和加强管理等几个方面，详细论述了精馏过程的节能技术。关键词：精馏；节能1、前言在工业生产中，石油化学工业的能耗所占比例最大，而石油化学工业中能耗最大者为分离操作，其中又以精馏的能耗居首位。精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂”。首先，随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分离物料的组分不断增多，分离的产品纯度要求亦不断提高，但人们同时又不希望消耗过多的能量，这就对精馏过程的控制提出了要求。其次，作为化工生产中应用最广的分离过程，精馏也是耗能较大的一种化工单元操作。在实际生产中，为了保证产品合格，精馏装置操作往往偏于保守，操作方法以及操作参数设置往往欠合理。另外，由于精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离，而是被冷却水或分离组分带走。因此，精馏过程的节能潜力很大，合理利用精馏过程本身的热能，就能降低整个过程对能量的需求，减少能量的浪费，使节能收效也极为明显。据统计，在美国精馏过程的能耗占全国能耗的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。因此，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。例如，美国巴特尔斯公司在波多黎各某芳烃装置的8个精馏塔上进行节能优化操作，每年可节约310万美元。蒸馏过程的节能基本上可从以下几个方面着手：(1)精馏过程热能的充分利用；(2)提高蒸馏系统的分离效率，提高产品回收率来实现降低能耗；(3)减少蒸馏过程对能量的需要；(4)加强管理。2、蒸馏过程热能的充分利用2.1加强保温保冷以改进热的利用在精馏过程中使用的主要设备为精馏塔和换热器，另外还有各种管道，这些设备多为金属制成，对热的传导较为容易，加之环境温度的影响，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。强化再沸器和冷凝器中的传热可使传热温差下降，由于传热温差减小还可使塔顶冷却剂温度提高，塔釜的加热温度下降。这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。2.2高温物料显热和潜热的利用从精馏塔出来的高温物料本身携带大量的热量，对这部分热量进行回收利用也是节能的一项。如：(1)高温蒸馏时回收塔顶物料蒸汽的潜热，塔顶冷凝器用作蒸汽发生器。如操作压力为32kPa的粗苯乙烯塔，其塔顶物料蒸汽可用于加热进脱氢反应器的乙苯。这种安排可使每吨苯乙烯产品节能(2)使塔顶、塔釜物料与原料进行换热，通过塔顶物料给原料液加热。这样不仅可以充分利用塔顶、塔釜物料的余热，同时还可减少塔顶冷凝器冷量的使用量。2.3利用夹点技术对换热网络进行优化对于一个化工系统，当有多股热流和多股冷流进行换热时，可将所有的热流合并成一根热复合曲线，所有的冷流合并成一根冷复合曲线，然后将两者一起表示在温一焓图上，夹点即为在温一焓图上冷、热复合曲线在某点重合时系统内部换热的极限，重合点的传热温差为零，该点即为夹点。在夹点温差为零下操作，需要无限大的传热面积，可以通过技术经济评价而确定一个系统最小的传热温差——夹点温差，因此，夹点可以定义为冷、热复合温度线上传热温差最小的地方。在换热网络的合成中，利用夹点技术考虑各种物流匹配，可以使换热网络的热量利用达到最优。3、提高精馏系统的分离效率和产品回收率3.1多效精馏技术多效精馏的一般流程如图1。多效精馏由N个并列操作的精馏塔构成，如图l操作压力由左至右逐效降低。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。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，最后一塔的冷凝器需要冷却介质。采用N效蒸馏后，再沸器所需的加热蒸汽可减少到原来单效精馏所需加热蒸汽的I／N左右。实践证明，两效精馏操作所需热量与单效精馏比较，可减少30~40％。图1多效精馏技术Fig.1Multi-effectdistillationtechnology3.2低温热泵精馏技术当塔顶冷凝器采用致冷剂冷却时称为低温精馏。低温精馏可用较低的压力。同时由于低温时相对挥发度较大，可采用较小的回流比，以减小冷凝器和再沸器的热负荷。使用单效精馏并用热泵将热量从冷凝器泵送至再沸器的低温精馏，称为热泵精馏。热泵精馏能使能耗减少。为了使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，使用了膨胀阀和压缩机，以改变冷凝或沸腾的温度。图2为最简单的热泵精馏，在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，致冷剂在塔顶冷凝器中蒸发时吸收热量，然后经压缩机压缩，塔釜再沸器冷凝并放出热量，再经节流阀减压至塔顶冷凝器中蒸发。如此反复，不断将热量从温度较低的冷凝器泵送至温度较高的再沸器。1．精馏塔；2．压缩机；3．再沸器；4．节流阀图2热泵精馏技术Fig.2Distillationheatpumptechnology3.3热耦精馏技术热耦精馏(FullyThermallyCoupledDistillationColumn)是20世纪60年代提出的一种复杂蒸馏技术，主要用于三元混合物的分离。该类型塔已在1989年由德国BASF公司率先实现了工业化，与常规蒸馏塔相比热耦蒸馏可以节省能耗达30％左右。可以用一个全塔和一个副塔代替两个完整的精馏塔，从全塔内引出一股液相物流直接作为副塔塔顶的液相回流，引出一股气相物流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，称为热耦精馏。热耦精馏在热力学上是最理想的系统结构，既可节省设备投资，又可节省能耗。计算表明，热耦精馏比两个常规塔精馏可节省能耗30％左右。日本的住友重工株式会社和KruppUhde建成了工业化的热耦蒸馏塔，美国UOP公司在提纯粗庚烷装置中采用了立式隔板蒸馏塔(热耦蒸馏塔的一种)。它采用多股进料技术，并包括了吸收过程。从近年来的发展趋势看，热耦蒸馏的工业应用有良好的前景。Agrawal和Fidkowski从热力学效率角度出发，分析了分离三元理想饱和液体时热耦蒸馏与常规序列的差异。Schultz等提出了选用热耦蒸馏的一些经验法则，认为选用热耦蒸馏的情况是：进料中间组分的含量比较多，轻关键组分与中间组分之间的相对挥发度和中间组分与重关键组分之间的相对挥发度较接近。吕向红、陆恩锡采用蒸馏计算的严格模型，模拟研究三组分混合物分离的热耦蒸馏塔和常规简单蒸馏序列的能耗，分析热耦蒸馏塔应用的前提条件，从而提出热耦蒸馏塔选用的原则：(1)当分离指数ESII时，如果中间组分的含量较低，则不宜于选用热耦蒸馏的方案；当其摩尔分数超过60％后，选用热耦蒸馏方案则比常规简单方案减少能耗10％。(2)当ESI在0.9～1.1时，无论中间组分的含量高或低，选用热耦蒸馏方案都优于常规方案，既减少能耗，又节省设备投资。(3)当ESI1时，不宜于选用热耦蒸馏方案。(4)如常规蒸馏塔操作压力差较大，亦不宜选用热耦蒸馏方案。3.4内部热集成蒸馏塔内部热集成蒸馏塔(InternallyHeatIntegratedDistillationColumn，简称HIDiC)，指同一塔本身的精馏段和提馏段进行热量集成。它是通过蒸馏塔精馏段和提馏段的热集成实现蒸馏塔的无冷凝器和再沸器操作，从而大幅度降低能耗，与常规蒸馏塔相比节省的能耗可达30~60％；这是迄今所知节能幅度最大、最先进的蒸馏塔型式。这一设想最早于20世纪60年代山Freshwatert提出，其后不断有学者发表研究成果。日本学者M．Nakaiwa等在完成实验研究的基础上，已于2000年通过了该塔的中试，目前正朝着工业化的方向进展。内部热集成塔和传统的蒸馏塔有着相当大的区别：传统蒸馏塔必不可少的塔顶冷凝器和塔釜再沸器已不再需要，原有的一个蒸馏塔被分成精馏和提馏2个塔，精馏塔放置在提馏塔内率。该类塔流程如图3所示。图3HIDiC流程Fig.3HIDiCprocess图4常规蒸馏塔的M-T图Fig.4ConventionaldistillationtoweroftheM-T图5HIDiC的M-T图Fig.5M-THIDiCfigureHIDiC的节能原理可以通过McCabe-Thiele(M-T)图解释。图4是常规蒸馏塔的M-T图，精馏段和提馏段的操作线为2条直线。图中，XD为塔顶产品组成摩尔分数，XB为塔釜产品组成摩尔分数，Xf为进料组成摩尔分数，x，y分别为易挥发组分在液相和气相中的组成摩尔分数。传质推动力为操作线和平衡线之间的距离，它沿塔高非等值分布，在进料板处最小，向塔的两端逐步增加。这是高度不可逆性的一个主要原因，操作线和平衡线之间的垂直距离越大，有效能损失越大。而HIDiC塔取消了冷凝器和再沸器，使得操作线变成了一条与平衡线形状相似的曲线，如图5所示。因而HIDiC塔具有较高的热力学效率。3.5采用新型高效分离技术分离技术是通过塔设备实现的。对常规板式塔改造，采用高效导向筛板，可降低能耗，提高生产能力。3.5.1高效导向筛板高效导向筛板是北京化工大学在对包括筛板塔板在内的各种塔板进行深入细致研究的基础，发挥筛板塔结构简单、造价低廉的特点，克服其漏点高、效率低的缺点，并且通过对各种塔板进行深入研究、综合比较，结合塔板上流体力学和传质学的研究开发的一种新型高效塔板，其工作原理如图6所示。高效导向筛板是在高效导向筛板上开设了大量筛孔及少部分导向孔，通过筛孔的气体在塔板上与液体错流，穿过液层垂直上升，通过导向筛板的气体沿塔板水平前进，将动量传递给塔板上水平流动的液体，从而推动液体在塔板上均匀稳定前进，克服了原来塔板上的液面落差和液相返混，提高了生产能力和板效率，解决了堵塔、夜泛等问题。另外，在传统塔板上，由于液面梯度，在塔板的上游总存在个非活化区，在此区域内气流无法穿过液层而上升鼓泡。实验测定，非活化区的面积约占塔截面积的1／3左右。高效导向筛板在液流入口处增加了向上凸成斜台状的鼓泡促进器，促使液体一进入塔板就能产生鼓泡，带来了良好的气液接触与传质。高效导向筛板具有以下特点：(1)生产能力大；(2)效率高；(3)压降低；(4)抗堵能力强；(5)结构简单，造价低廉。图6导向筛板工作原理Fig.6Sieve-orientedprinciple3.5.2板填复合塔板板填复合塔板是北京化工大学对板式塔与填料塔进行深入研究的基础上，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。板填复合塔板的工作原理如图7所示。气体从塔板下方以一定的气速通过塔板上的开孔而进入提液管，液体也通过提液管与塔板间隙被带入提液管中并被拉成液膜，两者并流上升，在上升过程中在液膜表面进行气液传质。然后气液并流进入填料中，在填料表面液体被碰碎，进一步实现与气体的传质。从填料中喷出的气体进入上层填料，而液体下降到下一层塔板，继续进行传质与分离。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。图7板填复合塔板工作原理Fig.7Boardcompositetrayfilledprincipal3.5.3新型高效填料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）新型高效规整填料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