化工分离过程(第21讲)(6.2精馏的节能技术6.3分离顺序的选择)

化工分离过程ChemicalSeparationProcesses第六章分离过程的节能26.1分离的最小功和热力学效率6.2精馏的节能技术6.2.1精馏过程的热力学不可逆性分析6.2.2多效精馏6.2.3低温精馏的热泵6.2.4设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏6.3分离顺序的选择第六章分离过程的节能36.2精馏的节能技术精馏是化工生产中应用最广泛的分离方法，同时也是能耗最大的单元操作。分离过程的能耗大约占整个化工用能的40%，而其中95%是精馏过程消耗的。4万多个精馏塔所消耗的能量相当于每天消耗120万桶石油。由此可见，精馏节能具有重要意义。46.2.1精馏过程的热力学不可逆性分析1净分离WB△B不可改变，若想使η↑，只能降低净功消耗。即：使过程尽可能接近可逆。产生分离净SBW56.2.1精馏过程的热力学不可逆性分析一般精馏过程的不可逆性表现在：（1）在流体流动时产生压力降；（2）塔内上升蒸汽与下降液体直接接触进行热交换时有温差，再沸器和冷凝器中传热介质与物料之间存在温差；（3）上升蒸汽与下流液体进行传质过程时，两相浓度与平衡浓度的差异。减少这些过程的不可逆性，都将降低能耗66.2.1精馏过程的热力学不可逆性分析减小传质两相浓度与平衡浓度的差值使净功减小的方法：降低压差减小温差76.2.1精馏过程的热力学不可逆性分析（1）塔设备若N越多，使△P↑，不可逆性越大可使：气速↓，液层高度↓；使△P↓但是：气速↓，生产能力不变时D↑，投资费↑而且液层高度↓，板效率↓改进方式：1.选择合适的塔径、液层高度2.改板式塔为高效塔或高效填料塔86.2.1精馏过程的热力学不可逆性分析（2）再沸器、冷凝器若传热温差小，不可逆性减小但是：传热面积↑，设备费用↑液层高度↓，板效率↓改进方式：1.采用高效换热器2.改进操作方式96.2.1精馏过程的热力学不可逆性分析（3）减小精馏塔各板的传热和传质推动力精馏操作：Ln-1，Vn+1进入n板，离开n板的Vn，Ln温度、压力相等，呈相平衡。改进方式：1.传热推动力△T=（Tn+1—Tn-1）↓2.传质推动力△y=（Kn-1xi,n-1—yi,n）↓即：在y-x图中，操作线向平衡线靠近△T↓△y↓106.2.1精馏过程的热力学不可逆性分析减小传热和传质推动力“可逆精馏”无限多平衡级、无限多中间再沸器和冷凝器无实用价值（3）减小精馏塔各板的传热和传质推动力参见图［6-6］116.2.2多效精馏两效或多效精馏是重要的精馏节能技术之一。与单效蒸馏比较，两效或多效精馏所需的热量可以降低30-40%。多效精馏原理类似于多效蒸发，即利用若干压力不同的精馏塔，按压力高低顺序给与组合，使相邻两塔之间将高压塔顶的蒸汽作为低压塔底的再沸器的预热介质。从而使该分离系统能耗下降。126.2.2多效精馏并流型（图6-7a）利用高压塔的塔顶物流作为低压塔塔低的热源，在这种形式的组合中，两塔是分别进料的，这种方式可以用于同一种物系的分离操作，在这种情况下，通过改变塔的压力，改变了物系的汽化温度，提高了气相温度，从而使其可以作为低压塔的热源。这种流程也适合于两个不同物系间的组合，此时，利用不同物系的气相温度的不同。利用气相温度高的物系作为另外一个物系的热源。在这种情况下，可以通过物系本身的优化而实现，不一定需要改变操作压力。因为高压设备会提高设备本身的成本。136.2.2多效精馏逆流型（图6-7b）在逆流流型中，只从低压塔进料，将低压塔的塔底物流作为高压塔进料，而将高压塔的塔顶物流作为低压塔塔底热源。146.2.2多效精馏在混流型中，从高压塔进料，将高压塔的塔底物流作为低压塔进料，而将高压塔的塔顶物流作为低压塔塔底热源。混流型（图6-7c）156.2.2多效精馏与前面的混流型不同的是，在该混流型中，从高压塔进料，将高压塔的塔顶物流作为低压塔进料，同时高压塔的塔顶物流也作为低压塔塔底热源。混流型（图6-7d）166.2.2多效精馏图6-8甲醇-水体系逆流双效精馏流程特点总结：2.高压塔顶气相作为低压塔釜热源；1.蒸汽与液体逆流；3.节省热量35%。参见例［6-4］176.2.3低温精馏的热泵热泵是工业上回收低温热源的有效手段。热泵的工作原理与制冷机完全相同，制冷机是制冷，热泵的工作目的是制热。热泵是一组进行热力循环的设备，将低温热不断的输送到高温物体中。它以消耗一部分高质量的能量（电能，机械能等）为代价，通过热力循环，从低温热源取热并将它输送到高温介质中。家用的空调就是一个典型的热泵。186.2.3低温精馏的热泵将温度较低的塔顶蒸汽经压缩后作为塔底再沸器的热源，称为热泵精馏。对组成沸点差别较小的低温精馏，采用热泵精馏流程是一种提高其热力学效率的有效手段。原理是利用热泵中的膨胀阀和压缩机改变冷凝和沸腾温度，将冷凝器中放出的热量用于再沸器中的加热。如果热量不匹配，可以通过辅助冷凝或加热来解决。常用的热泵流程有三种。196.2.3低温精馏的热泵利用外部制冷剂的热泵（闭式热泵）：将外部制冷剂用于由精馏塔的冷凝器和再沸器所构成的封闭循环中，冷凝器作为制冷剂的蒸发器，再沸器作为制冷剂的冷凝器。这类热泵循环用于分离丙烯—丙烷系统的流程。利用丙烷作为外部循环制冷剂，在一定的条件下，可以实现热量的匹配。不需要冷却水和加热蒸汽，只用电（驱动外循环压缩机）。图6-9206.2.3低温精馏的热泵图6-10压缩塔顶蒸汽的热泵（开式热泵）：当塔顶馏出物是一种很好的制冷剂时，将它作为热泵的循环介质，利用热泵压缩机将它压缩，使其冷凝温度高于塔底产物的蒸发温度，冷凝时释放的热量用于再沸器加热，离开再沸器的冷凝液通过膨胀阀闪蒸到塔顶压力，以提供产品和塔顶回流，过剩的蒸汽回到压缩机，这种方案也常被称为蒸汽再压缩。216.2.3低温精馏的热泵用再沸器液体闪蒸的热泵（开式热泵）：当塔底产品是一种很好的制冷剂时，将它作为热泵的介质，塔底釜液通过膨胀阀闪蒸到相当于馏出物饱和温度的压力。塔顶冷凝器又起到再沸器的双重作用，在冷凝器中生成的蒸汽在进塔前被压缩到塔底压力。图6-11226.2.3低温精馏的热泵表6-1低温下丙烯—丙烷分离的热力学效率和日公用费用项目普通低温精馏图6-9图6-10图6-11热力学效率,%2.875.466.218.10公用费用蒸汽980040108冷却水184404040电1928181515351056总计3092185516151204结论：三种热泵精馏的热力学效率高于普通低温精馏，而日公用费用明显低于普通低温精馏。236.2.3低温精馏的热泵热泵精馏是靠消耗一定量的机械功来提高低温蒸汽的能位而加以利用的。因此，消耗单位机械能能回收的热量是一项重要经济指标。显然，对于沸点差小的混合物分离的精馏塔应用热泵精馏效果会更好。由于热泵精馏需要增加压缩机，又要消耗机械能，所以推广应用受到一定限制。使用热泵精馏的几点说明246.2.4设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏在普通精馏过程中，热量从温度最高的再沸器加入，从温度最低的冷凝器中取走，净功的消耗大，热力学效率低。若采用中间再沸器和中间冷凝器，可以使操作向可逆方向趋近，减少净功消耗，提高热力学效率。节省、回收较高品位的热能。它适合于塔顶和塔底有较大温差时的情况。256.2.4设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏图6-12266.2.4设置中间冷凝器和中间再沸器的精馏图6-13SRV精馏SRV精馏特点：塔内压差导致足够的温差；沿全塔布置的换热单元能大大降低塔顶、塔底的负荷。精馏段：液相回流量自上而下稳定增加提馏段：蒸汽流量自下而上稳定增加对于沸点接近的混合物的冷冻分离，SRV精馏可以减少公用费用，很具有吸引力。276.2精馏的节能技术降低精馏过程能耗的途径是多种多样的，无论采用那种措施，均能获得一定程度的节能效果，但是，过程评价的标准应该是过程总的经济效益。在多数情况下，采用节能技术会使操作费用降低，而对应的设备费用可能增加，而且操作会变得复杂，要求较高的控制水平。因此，在对具体的节能问题进行研究时，需要综合评价，优化方案。286.3分离顺序的选择一、分离顺序数：完成一个分离任务的分离方案的所有可能的组合的数目。将混合物ABCDE···(按挥发度降低排列）分离为纯组分。ABAB二元：一个塔一种方案三元：ABCABCABABCABCBC二个塔二种方案296.3分离顺序的选择四元：顺序流程三个塔五种方案ABCDABCDBCCDD按相对挥发度递减采出ABCDAABCBCABD按相对挥发度递增采出AABCDABCBCBCDABCDABCDBCDBCAABCDABBCCDD按相对挥发度交错采出逆序流程306.3分离顺序的选择图6-14分离四组分混合物的五种流程316.3分离顺序的选择分离C个组分，采用（C-1）个塔，分离顺序数记为SC：296!1!!1228611CCCSSSSCCjjCjC用简单分离塔分离时的分离塔数和分离顺序数见表6-2326.3分离顺序的选择3061CCSTS对于特殊精馏：例如：萃取精馏，加质量分离剂，且数目多。总序数S为：T——不同质量分离剂对相同组分分离的方法数；C——系统组分数；SC——简单塔计算顺序数。336.3分离顺序的选择二、确定分离顺序的经验法经验法（启发法）优点：利用这种方法可以在初选中除去许多不合理的分离方案，能在不作设计和设备费估算的情况下很快选出合理的有价值的分离顺序。利用经验法决定一个普通精馏塔所组成的塔序时可以根据以下的几点原则来确定：346.3分离顺序的选择1、按挥发度递减的顺序依次从塔顶分离出各组分依据Underwood公式：imiDimmimiDixDVRx)(1)(馏出物中：1.组分数少，Vm少，热负荷低；2.若混合物中含低沸点物质，使之不进入后面的塔中。356.3分离顺序的选择2、最困难的分离应放在塔序的最后关键组分的相对挥发度接近1，应该在没有非关键组分的情况下分离这对关键组分。这样的好处是可以降低级间流率，进而减小塔径。此外，由于分离相对挥发度接近1的物系需要跟多的塔板。因此，这样的选择可以使塔的设备投资最低。366.3分离顺序的选择3、尽可能对分（使各塔尽可能的实现等摩尔分割）4、分离很高回收率的组分的塔序的最后5、进料中含量高的组分尽量提前分出L/V→1，使操作线→对角线，则有N→Nm。分离要求↑，N↑，放在后面分离，无非关键组分，则塔径↓，设备投资费用↓。可以减少后继塔的流率及其再沸器的负荷，因而节约能耗和设备费。376.3分离顺序的选择6、特殊组分先分特殊组分：热敏性、强腐蚀性、易燃、易爆等。注意：1.以上经验互相冲突，要综合考虑主要方面；2.不需要得到纯组分时，可以采用侧线采出来减少所需塔数目。386.3分离顺序的选择理想流程的特点1.保证产品质量满足工艺要求，生产能力大；2.分离流程短，设备投资费用少；3.能耗低、收率高、操作费用低；4.操作管理方便396.3分离顺序的选择将一烃类混合物送入精馏装置进行分离，各组分的流率为:组分丙烷异丁烷正丁烷戊烷己烷庚烷合计流率10101010101060要求产品的指标：丙烷馏分——含丙烷94%（摩尔）；异丁烷馏分——含异丁烷94%（摩尔）；正丁烷馏分——含丁烷94%（摩尔）；戊烷馏分——含戊烷以上94%（摩尔）；试比较可行的分离方案。P198例6-6406.3分离顺序的选择解：根据要求，作粗略的物料衡算：组分丙烷馏分异丁烷馏分正丁烷馏分戊烷馏分kmol/hC39.80.2i-C40.58.90.20.4n-C40.10.38.51.1C50.39.7C610.0C710.0合计10.49.49.031.2416.3分离顺序的选择426.3分离顺序的选择436.3分离顺序的选择如附图所示，烃类混合物被分离为四个馏分，可以有五种不同的分离方案。根据沸点差及产品纯度考虑，异丁烷和正丁烷之间分离要求最高，应将其分离放在最后，故(a)、(d)、(e)三种流程可不予考虑。根据产品组成