精馏过程的节能途径

广

88・

东化

2007年第1l期第34卷总第175期

Ⅵn删.gdchem.COITI

精馏过程的节能途径

边习棉l,朱银惠2,李辉2

(1・河北省产品质量监督检验院,河北石家庄050051;2・河北工业职业技术学院,河北石家庄050091)

【摘要】精馏是化工、石化、医药等过程的重要单元操作,它是一类高能耗的单元过程,其能耗约占化工生产的60%,

其节能途径包括多效精馏、热泵精馏、热耦精馏技术、内部热集成蒸馏塔、新型高效分离技术等。多效精馏由N个并列操作的精馏塔构成,再沸器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;热泵精馏能使能耗减少20%左右;热耦精馏比两个常规塔精馏可节省30%左右;内部热集成蒸馏塔节省的能耗可达30,-,-60%。这些技术已成功地完成

了中试,节能可达到30---60%。

【关键词】精馏;节能

TheEnergySavingApproachinRectificationProcess

BianXimian1,ZhuYinhui2,LiHui2

(1.The

HebeiProvinceProduct

Quality

SurveillanceExamin‘esThecourtyard,Shijiazhuang050051;

2.HebeiInstituteofVocation&Technology,Shijiazhuang050091,China)

Abstract:Rectificationisthe

en

mainunitoperationinchemicalindustry,petrochemicalindustry,medicineand

SO

on,whichis

high

ergy

consumptionunitprocess,theenergyconsumptionis60%inthewholeproduceprocess.Theenergysavingapproachesincluding

multiple-effectrectification,heat-pumprectification,hot

separationre—boiler

tec

ouplerectification,innerhot

integrated

distillation

tower,newhigh—effect

hnologyreduce

andinto

SO

on.Multiple—effectrectificationincludingNparalleloperationrectificationtowers,theheatingsteamofcomparingtheoriginal

can

can

I/N

single-e

ffectrectificationTheenergy

consumption

can

reduce20%inheat-pump

rectification.Thehotcouplerectificationreduce30%energycomparing

to

tothetwoin

commontowers.Theenergysavingreached30~60%

ininnerhotintegrateddistillationtower.Thistechnologiesproved

besuccess

middletest,savingenergyreached30-V60%.

Keywords'.rectification;energyconservation

精馏过程是最重要的化工单元过程之一,它又是一类高能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1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

耗的单元过程。精馏过程节能研究,在塔的结构形式上近十几

年来获得了长足的进步。精馏过程的节能主要有以下几种基本方式:提高塔的分离效率,降低能耗和提高产品回收率;采用多效精馏技术、热泵技术、热耦精馏技术、新塔型和高效填料等。

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,

多效精馏

再拂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1/N左右。实践证明,两效精馏操作所需热量与单效精馏比较,

【收稿日期】2007—07-06

【作者简介】边习棉(1965一),女,河北定州人,工程师,从事产品质量检验认证工作。

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可减少30-,-,40%[11。

热耦精馏(FullyThermally

CoupledDistillationColumn)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。

图1

多效精馏技术

Fig.1

Multi・effectdistillationtechnology

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.2

Distillationheatpumptechno

logy

2低温热泵精馏

.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j!II;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jlI|;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,塔釜再拂器冷凝并放出热量,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拂器【2J。

3热耦精馏技术

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KnappUhde

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Agrawal和Fidkowski【3]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掣4J

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不宜于选用热耦蒸馏的方案;当其摩尔分数超过60%后,选用

0%。(2)当ESI在都优于常规方案,既减少能耗,又节省设备投资。(3)当ESI>1

时,不宜于选用热耦蒸馏方案。(4)如常规蒸馏2塔操作压力差

较大,亦不宜选用热耦蒸馏方案。

4内部热集成蒸馏塔嘀1

4.1概述

内部热集成蒸馏塔(Internally

Heat

Integrated

Distillation

Column,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年代由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。

4.2结构与原理

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

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。

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接近。吕向红、陆恩锡【5】采用蒸馏计算的严格模型,模拟研究原则:(1)当分离指数ESI<I时,如果中问组分的含量较低,则热耦蒸馏方案则比常规简单方案减少能耗10.9---1.1时,无论中间组分的含量高或低,选用热耦蒸馏方案

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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。

部。由于实施了内部热集成,故该类塔具有非常高的热力学效

压缩机

节流阀

图3

HIDiC流程

图4常规蒸馏塔的M—T图

图5

HIDiC的M—T图Fig.3

HIDiCprocess

Fig.4

ConventionaldistillationtoweroftheM-T

Fig.5

M—THIDiCfigure

HIDiC的节能原理可以通过McCabe.Thiele(M—T)图解释。

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

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、造价直线。图中,xD为塔顶产品组成摩尔分数,xB为塔釜产品组成

低廉的特点,克服其漏点高、效率低的缺点,并且通过对各种摩尔分数,xf为进料组成摩尔分数,x,Y分别为易挥发组分在

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

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

的研究开发的一种新型高效塔板,其工作原理如图6所示。

之间的距离,它沿塔高非等值分布,在进料板处最小,向塔的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

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,穿过液层垂平衡线之间的垂直距离越大,有效能损失越大。而HIDiC塔取

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

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,

似的曲线,如图5所示。因而HIDiC塔具有较高的热力学效率。

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5采用新型高效分离技术

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,在此区域内气分离技术是通过塔设备实现的。对常规板式塔改造,采用

流无法穿过液层而上升鼓泡。

高效导向筛板,可降低能耗,提高生产能力【7J。实验测定,非活化区的面积约占塔截面积的l/3左右。高

5.1高效导向筛板

效导向筛板在液流入El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

川受液龠液流方向-降液管

川触与传质。

卜卜高效导向筛板具有以下特点:(1)生产能力大;(2)效率高;|III

【lI|

(3)压降低;(4)抗堵能力强;(5)结构简单,造价低廉。

I:

导向孔

●●●

5.2板填复合塔板

上升气体

・__■●

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一恨埘‘月IHJ

、U’●、■‘~一I=lH_

髟彩缓黝磁绷麓l};|Ⅵ期懈秽髦彩缓移彩移缓|i;;L

陀陀陀陀么

1吨

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_●

坩仪

截曲取他健Ⅱ俯

●__

■●__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■■__I■■-

■_

上升气体

●■■—●■

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。

图6导向筛板工作原理

Fig.6

Sieve-orientedprinciple

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一般开孔的总面积为整个环面积的35%左右。由于在环壁上开了许多窗孔,使得填料层内的气、液分布情况及传质性能比拉西环有较大的改善。5.3.2.2金属阶梯环填料

阶梯环填料是20世纪70年代初由英国传质公司应用价值分析技术开发出来的一种改进的开孔环填料。这种填料降低了环的高度,并在环的2个侧端增加了锥形翻边,使其性能较鲍

尔环填料有了较大的进步。在同样液体喷淋密度下,其泛点气

速较鲍尔环提高了10---20%;在同样气速下,压力降较鲍尔环低30-,--40%。

图7板填复合塔板工作原理

5.3.2.3金属环矩鞍填料

Fig.7

Board

compositetrayfilledprincipal

这是美国诺顿(Norton)公司率先研究开发的一种新型填料,国内简称为英特洛克斯填料。这种填料巧妙地把环形和鞍形两

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

类填料的特点综合成为一体,使它既有环形填料通量大的特点,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

又有鞍形填料液体分布性能好的特点,从而成为当前散堆填料液膜,两者并流上升,在上升过程中在液膜表面进行气液传质。中的佼佼者。

然后气液并流进入填料中,在填料表面液体被碰碎,进一步实新型高效填料已经在几十家企业的塔器中得到应用,均取

现与气体的传质。从填料中喷出的气体进入上层填料,而液体得了扩产、节能、降耗、大幅度提高经济效益的成绩。

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。

参考文献

5・3新型高效填料

[1】郁浩然。化工分离工程【M】。北京:中国石化出版社,1

999.271・28t.

填料是填料塔最重要的传质内件,其性能主要取决于填料[2]冯霄,李勤凌.化工节能原理与技术[M].北京:化学工业出版表面的湿润程度和气液两相流体分布的均匀程度。社.1998.34-36.5.3.1新型高效规整填料

[3]Agrawal

R,FidkowskZF.Are

thermallycoupled

distillationcolumnsalways

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thermo—dynamically

more

efficient

forternary

distil

lations[J】.IndEngChem

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Res,1998,37(8),3444—3454.的分离效率大为提高。主要优点有:(1)理论塔板数高,通量大,

[4]SchutzM,Stewart

D.Reducethecostswithdividing—wall

colurrms[J].Chem

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

Eng

Prog,2002,98(5):64—7

1.

加,没有低负荷极限。(3)放大效应不明显。(4)适用于减压精馏,

[5]吕向红,陆恩锡.热耦蒸馏技术进展[J].化工进展・2004,23(8):83

7—840.

能够满足精密、大型、高真空精馏装置的要求,为难分离物系、

【6】李娟娟.无冷凝器及再沸器的热集成蒸馏塔技术进展[J】。化学工程,2006,热敏性物系及高纯度产品的精馏分离提供了有利的条件。(9):1-4.

5.3.2新型高效散堆填料【7]李群生.精馏过程的节能降耗及新型高效分离技术的应用[J].化肥工业,

5.3.2.1金属鲍尔环填料

2003,(1):3-6.

金属鲍尔环填料是20世纪40年代德国BASF公司在拉西环填料的基础上开发的。它采用金属薄板冲轧制成,在环壁上(本文文献格式:边习棉・朱银惠,李辉.精馏过程的节能途开出了2排带有内伸舌叶的窗孔,每排窗有5个舌叶弯入环内径【J】.广东化工,2007,34(11):88-91)

指向环心,在中心处几乎相搭,上下2层窗孔的位置相互错开,

(上接第133页)

【4】刘振江,陈海新.聚丙烯纤维混凝土主要性能及在工程中的应用【J】.山【2】高培伟,卢小琳,唐明述.膨胀剂对混凝土变形性能的影响[J].南京航东建材,2006,(2):29-3

1.

空航天大学学报,2006,38(2):25

1・254.

【3】潘宏彬.粉煤灰掺量对混凝土强度的影响(J].试验技术与试验机,2006,

(本文文献格式:任根宽.浅谈混凝土开裂的原因及防止措施l(3):4l_42.

[J1.广东化工,2007,34(11):132-133)

精馏过程的节能途径

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:

边习棉, 朱银惠, 李辉, Bian Ximian, Zhu Yinhui, Li Hui

边习棉,Bian Ximian(河北省产品质量监督检验院,河北,石家庄,050051), 朱银惠,李辉,Zhu Yinhui,Li Hui(河北工业职业技术学院,河北,石家庄,050091)广东化工

GUANGDONG CHEMICAL INDUSTRY2007,34(11)0次

参考文献(7条)

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2.冯霄.李勤凌 化工节能原理与技术 1998

3.Agrawal R.Fidkowsk Z F Are thermally coupled distillation columns always thermo-dynamically moreefficient for ternary distillations 1998(08)

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6.李娟娟 无冷凝器及再沸器的热集成蒸馏塔技术进展[期刊论文]-化学工程 2006(09)7.李群生 精馏过程的节能降耗及新型高效分离技术的应用[期刊论文]-化肥工业 2003(01)

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5.期刊论文 曹新波.周荣琪.段占庭.CAO Xinbo.ZHOU Rongqi.DUAN Zhanting 塔内换热精馏的节能原理与数学模型

-化工学报2006,57(6)

基于热力学第二定律提出了一种新型精馏节能技术--塔内换热精馏.对塔内换热精馏的概念及其节能原理进行了详细的阐述.分析表明,它尤其适合于塔顶、塔釜温差较大的场合.指出实现塔内换热精馏的关键是寻找既有良好的传热性能、又有良好的传质性能的内构件,并介绍了一种内构件--垂直翅片管,建立了塔内换热精馏的平衡级模型--MESHQ方程组,提出一种利用PRO/Ⅱ计算塔内换热精馏的简化方法.

在化工生产中精馏是应用最广泛的化工分离单元操作,也是主要的能源耗费场所。精馏塔的热集成是精馏过程节能的重要途径,而热集成中的热泵精馏更是最具有节能潜力的技术之一。因此,在精馏过程中采用热泵精馏降低能耗和成本来提高经济效益具有重要的现实意义。

热泵精馏是既向塔底供热又向塔顶供冷的逆卡诺循环系统,节能的效果显著,但如何在生产中应用热泵精馏是过程集成和过程强化的难点。为此本文基于对热泵精馏原理及各种类型热泵精馏特点的分析,通过实例研究,应用将复杂问题分解为相对独立的子问题然后逐一求解的思想,提出了一个六层次策略来求解较优热泵精馏流程,并对每一层次分别求解,使构建较优热泵精馏流程的复杂性得到较好的解决。

通过分析常规和热泵精馏系统的热力学特性,建立了热泵精馏流程数学模型及优化设计方法,针对不同的热泵精馏流程结构采用不同的优化设计方法以获得最大的经济效益;为验证热泵精馏流程的可行性提供有利依据,建立了用于确定热泵精馏热集成方案的经济评价标准;将策略与优化设计算法相结合应用于热泵精馏流程,以实现构建较优热泵精馏流程。

根据提出的构建热泵精馏的策略和规则,以粗苯乙烯精馏塔和乙苯回收塔为例,进行了热泵精馏流程的构建及模拟与优化设计。结果表明:粗苯乙烯塔应采用A型开式热泵精馏流程,采用此热泵精馏流程一次性投资增加577.5万元,但可节约能耗83.74%,总经济效益每年可增加1607.8万元;乙苯回收精馏塔的塔底与塔顶温差(41.7℃)较大,不适合应用热泵精馏流程,采用热泵精馏流程后不具备好的经济效益。结果验证了本文所提出的策略及建立的优化设计算法,能够产生较优的热泵精馏流程。

7.期刊论文 胡菊.马俊林.刘平.HU Ju.MA Jun-lin.LIU Ping 试论精馏和反应过程的节能 -十堰职业技术学院学报2006,19(5)

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9.期刊论文 张薇薇.刘龙.Zhang Weiwei.Liu Long 精馏过程的节能和优化设计的探讨 -化工科技市场2008,31(3)

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10.学位论文 朱平 分割式热泵精馏的理论分析与实验探讨 1996

该文从节能目的出发,以常规热泵精馏的理论研究和实际应用为基础,结合酒精精馏中实际存在的问题,给出大温差精馏中应用热泵的完善的可操作性节能方案:分割式热泵精馏(也叫双塔式热泵精馏).深入分析此流程的特点,并首次对此流程的关键参数-分割点的确定给出以年总操作费用最小为目标函数的数学模型和求解框图.通过实例的理论计算,对分割式热泵精馏与常规精馏进行了对比.结果表明,分割式热泵精馏具有显著的节能效果和经济效益.该文结合实际条件,对此工艺节能流程进行了热力学实验探讨.改造原有的精馏塔作为分割式热泵精馏的下塔,并搭建了分割式热泵精馏的重要部分即上塔.首先以水为工质检验装置的可靠性,然后对酒精热泵精馏的工艺计算进行了验证.实验结果表明,设计要求的基本参数达到了预期的结果,分割式热泵精馏在技术上是切实可行的.此外,在实验中还积累了丰富的实际操作经验.理论和实践两方面的工作都表明,分割式热泵精馏基本上解决了大温差精馏的热泵应用问题.

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