精馏节能技术研究

精馏过程中的节能技术综述能源短缺问题引起了各国的关注，同时我国工信部节能与综合利用部门负责人表示：“十二五期间，国家节能减排的指标将分解到企业头上。”“十二五”约束性指标的分配对象将由地方政府转向行业和企业。由此可知，节能减排的工作必须在各行各业中引起足够的重视，企业应采取实际措施努力降低能耗。化工行业能耗高，节能减排工作的任务尤为艰巨。分离是化工生产中非常重要的一个过程单元，它直接决定了最终产品的质量和收率，而占据着主导地位的分离方法就是精馏。精馏通过加热液体混合物建立两相体系，利用溶液中各组分挥发度的差异实现组分的分离或提纯目的的操作单元。精馏作为化工、石化、医药、食品、冶金等行业生产过程的重要单元操作，其能耗约占化工生产的40%-70％，故采取措施降低蒸馏过程中的能耗日益重要，成为研究的重点所在。精馏过程节能的基本途径在于如何减少有效能得损失，从热量供应方面我们可以从热节减方面（降低向再沸器提供的能量）和热回收方面（热能的综合利用）着手进行改进，此外优化控制操作参数、减少操作裕量以及提高塔的分离效率也可降低精馏过程中的能。此外，按照流程是否改变及是否利用过程技术可以将其分为三类：①利用过程技术对精馏塔的操作条件进行优化，以减少精馏塔所消耗的能量，如以产品物流预热进料、增加塔板数、减小回流比、增设中间再沸器和中间冷凝器等；②开发高效节能的特殊精馏工艺流程，如热泵精馏、热偶精馏、多效精馏等；③改进精馏塔的保温材料和开发高效的塔板类型和填料。一、高效节能的精馏技术——热泵技术热泵精馏是依据热力学第二定律，给系统加入一定的机械功，将温度较低的塔顶蒸汽加压升温，作为高温塔釜的热源。因为回收的潜热用于过程本身，又省去了塔顶冷凝器、冷却水和塔釜加热蒸汽，可使精馏的能耗明显降低。根据热泵所消耗的外界能量不同，热泵精馏可分为蒸汽压缩式和蒸汽喷射式两种类型。①蒸汽压缩式热泵精馏蒸汽压缩式热泵精又可以分为塔顶气体直接压缩式热泵精馏和单独工质循环式两种类型，如图1和图2所示。图1，气体直接压缩式热泵精馏的原理是塔顶气体经压缩机压缩升温后进入塔底再沸器，冷凝放热使釜液再沸，冷凝液经节流阀减压后，一部分作为产品出料，另一部分作为精馏塔顶的回流。过程特点是：(1)所需的载热介质是现成的；(2)因为只需要一个热交换器(即再沸器)，压缩机的压缩比通常低于单独工质循环式的压缩比；(3)系统简单，稳定可靠。图2，单独工质循环式热泵技术精馏，通常用于塔顶气体具有腐蚀性或塔顶气体为热敏性产品或塔顶产品不宜压缩的情况。该过程的原理为：用单独封闭循环的工质工作。高压气态工质在凝汽器(即精馏塔的再沸器)中冷凝放热后经节流阀减压降温，人塔顶蒸发器(即精馏塔的凝汽器)中吸热蒸发，形成低压气态工质返回压缩机压缩，进行再循环。特点为：(1)塔中要分离的产品与工质完全隔离；(2)可使用标准精馏系统，易于设计和控制；(3)与塔顶气体直接压缩式相比较，多一个热交换器(即蒸发器)，压缩机需要克服较高的温差和压力差，因此，其效率较低。分析两种热泵技术，核心的思想在于降低向再沸器提供热量，充分利用过程中的塔顶热蒸汽中蕴含的热量，提高了整个过程的有效能效率。②蒸汽喷射泵方式减压精馏在该流程中，塔顶蒸汽是稍含低沸点组成的水蒸汽，其一部分用蒸汽喷射泵加压升温，随驱动蒸汽一起进人塔底作为加热蒸汽。具有如下优点：(1)新增设备只有蒸汽喷射泵，设备费低；(2)蒸汽喷射泵没有转动部件，容易维修，而且维修费低。适合应用在：(1)精馏塔塔底和塔顶的压差不大；(2)减压精馏的真空度比较低的情况。热泵精馏，除了开工阶段以外，可基本上不向再沸器提供另外的热能，节能效果十分显著，但要增加热泵系统的设备费，综合考虑一般一两年内可用节省下的费用收回增加的投资。二、多效精馏多效精采用压力依次降低的若干精馏塔串联操作，前一精馏塔的塔顶蒸汽作为下一精馏塔的再沸器的加热介质。整个过程中，除了两端精馏塔外，中间精馏装置可以不必从外界引入加热剂和冷却剂。具体为由于各塔操作压力不同，塔的操作压力由第l效到第N效逐级降低，前一效的塔顶蒸汽冷凝温度略高于后一效的塔釜液沸点温度。第一效的塔釜由水蒸气加热，其塔顶蒸汽作为热源加热第2效的塔釜，同时被冷凝得到产品。依次逐效进行，直到最后一效塔顶蒸汽被冷却介质冷凝。这样在整个流程中只有第一效加入新鲜蒸汽，在最后一效加入冷却介质，中间各塔则不再需要加热蒸汽和冷却介质，因此多效精馏充分利用了冷热介质之间过剩的温差。尽管总能量降级和单塔一样，但它不是一次性降级的，而是逐塔降低的，这样，每个塔的塔顶、塔底温差减小了，降低了有效能损失，从而达到节能目的。图4多效精馏但多效精馏的投资费用高于常规精馏，故要依据实际生产情况的要求并结合经济因素综合考虑，作出决定。三、采用经济合适的回流比，降低能耗精馏核心在于回流，而回流会造成能耗加大，故可以采用新型板式塔和高效填料塔，降低回流比，使过程能耗降低。①新型板式塔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。高效导向筛的工作原理是：如图5、图6所示。在高效导向筛板上开设了大量筛孔及少部分导向孔，通过筛孑L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、液泛等问题。高效导向筛板在液流人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生产鼓泡，带来了良好的气液接触与传质。高效导向筛板具有下述特点：(1)生产能力大。生产能力达的原因：①克服了液流上游存在的非活化区，使得气流通道增加了1／3以上。②消除了液面梯度，使得气速均匀，生产能力的提高。③从筛孔中上升的气体是垂直向上，从导向孔中上升的气体是水平向前，气体的合成气速是斜向上方的。这样既延长了气体夹带雾滴的运动轨迹，减小了雾沫夹带，提高了气速和生产能力。④由于导向筛板效率高，同样塔板数时回流比可以降低，进而提高塔的负荷与生产能力。(2)效率高①克服了非活化区，使得塔板上鼓泡区域增加，增加了气液传质机会，提高了塔板效率。②高效导向筛板很好地克服了液相返混，提高了塔板效率。③消除了液面梯度，降低了漏液量和雾沫夹带，提高了塔板效率。(3)压降低。与泡罩塔板、浮阀塔板等塔板相比，筛板塔板由于结构简单，气流通道顺畅，因此操作压降最低。(4)抗堵能力强。(5)结构简单，造价低廉。由于高效导向筛板只是在钢板上开些筛孔和导向孔，而无其它组件，因此其结构简单，重量较轻，这样工人在拆装过程中非常方便。相应的造价也降低。②高效填料塔填料是填料塔最重要的传质内件，填料的性能主要取决于填料表面的湿润程度和汽液两相流体分布的均匀程度。因为填料提供了单位体积中较大的表面积，这仅是填料的几何表面，起气液传质作用的表面要比几何表面小，总有一部分填料表面未被湿润，减少了气液有效接触的相界面，从而降低了传质效果。若想达到好的传质效果，必须使液体在整个填料表面充分湿润，形成均匀的液膜。填料表面的湿润性能主要依赖于所处理物料的表面张力、粘度和填料表面的性质等。尤其是对水、甘油等表面张力大的物系，必须对填料表面进行物理处理和化学处理，提高填料表面的湿润性能。对金属材质填料，采用物理方法、化学方法及联合方法，对金属丝网波纹填料与金属板波纹填料进行表面处理，大大提高了液体在填料表面的成膜和填料的分离效率，甚至使有的分离过程由不可能成为可能，强化了分离技术与工艺。在塑料填料方面，对于聚丙烯、聚乙烯等材质的填料，用一定技术改进表面性质（如北京化工的表面接枝技术），提高填料表面的湿润性，进而提高了填料的传质效率。经在恶劣环境下(酸、碱环境下)应用表明：塑料填料同样具有很高的传质性能和流体力学性能，且价格便宜。高效填料塔的填料的分离效率大为提高。主要优点有：(1)理论塔数高、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。四、操作条件优化节能该方法主要是利用模拟软件对精馏过程的操作条件进行研究，精馏塔的主要操作条件包括操作压力、操作温度、塔板压降，进料位置及温度、理论板数、回流比以及回流温度、塔顶塔底采出量、关键组份的清晰分割程度，塔顶塔底热负荷等等，除塔的操作压力一般是给定的(在设计双效流程除外)，其它的都可以作为操作变量，通过灵敏度分析、设计规定或者优化技术来确定满足分离任务的最佳值，以获得最小的冷凝负荷和再沸器热负荷，从而使精馏塔能耗最少。此外进料热状况对精馏的能耗会产生影响．在一定的操作条件下，通过改变进料热状况，可取得良好的节能效果，且操作简单、控制方便、投资费用小，是一种很好的精馏节能措施五、中间换热节对于塔顶塔底温度差别比较大的精馏塔，可以通过增加中间换热器的方式来节省或回收热量(冷量)。中间换热的方式有两种：中间冷凝器和中间再沸器。对塔底再沸器来说(以塔底再沸器为基准)，中间冷凝器是回收热量，中间再沸器是节省热量；对于塔顶冷凝器来说(以塔顶冷凝器为基准)，中间冷凝器是节省冷量，中间再沸器是回收冷。中间冷凝器和中间再沸器的负荷如果比较大，塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷会降低，这样会导致精馏段回流比和提馏段蒸汽比(气相回流比)减少，回流比的减少，应当相应增加塔板数，才能保证产品的分离纯度，从而使设备投资费用增加。图6中间再沸器与中间冷凝器图6描述了这两种中间换热方式的示意流程：如果精馏塔在塔下方温度分布存在显著的变化，则可设中间再沸器使用低品位热源，以减少主再沸器高品位热量消耗，但中沸器下方塔板分离能力被削弱；当塔上部的温度分布若存在显著的变化时，则可设中间冷凝器，采用较低品位的冷剂，减少主冷凝器高品位冷剂的用量，以减少能耗，但其上方的塔板的分离能力有所下降。将中间换热方式归类于过程技术节能，是因为原来的精馏塔没有变化，只不过增设的中间换热改变了操作线斜率，利用了低品位能源。在分离任务一定的情况下，常规精馏塔塔釜再沸器的供热量等于设有中间再沸器的精馏塔塔釜再沸器与中间再沸器供热量之和。设置中间再沸器前后，所需要的总的热负荷不变。只是在设置中间再沸器后，部分热量可以采用低于塔底再沸器的廉价的废热蒸汽提供，塔的热能有效降级，这使得热效率提高。对于给定的精馏塔，通过合理设置和使用中间再沸器，可以提供最大的热效率、达到最大的节能效。我国在精馏过程节能的理论研究和技术开发与应用方面与国外都存在着比较大的差距，国外现在已开展对多种方式相结合的节能研究，国内尚未见有报导，尤其在工业实用方面差距明显，这也与我国工业生产中的工艺技术水平整体比较落后有关。因此我国应该加强节能技术的研究并将其应用于实际生产中，这也是我们每个化工人为之奋斗的目标。