精馏分离与节能

第31卷第6期精细化工中间体Vol 31 No 62001年12月FINE CHEMICAL INTERMEDIATSDecember 2001精馏分离与节能许世兵,余晖湖南化工研究院,湖南长沙410007)摘要:结合设计实例和实际操作数据,重点叙述了精馏设计中分离方案、系统操作压力的选择等与节能的关系,指出在精馏设计中应从投资、操作费用、节能等方面优化方案。关键词:精馏;优化设计;节能中图分类号:TQ028.1·3文献标识码B文章编号:1009-9212(2001)06-0038-03Rectification Separation and Energy ConservationXU Shi-bing, YU Hui46(Hunan Research Institute of Chemical Industry, Changsha 410007, China)Abstract: On the basis of designing instances and factoric operation datas, recount the rela-tionship of separation method, system operation, etc with energy conseration on rectify design,and point out we should make the parameters optimized on investment, operate expense, energyconservation while desinge rectify systemKey words: rectify; design optimization; energy conseration尽管近年来出现了许多新的分离技术,但精馏要求很高组分的分离,宜放在最后进行。仍在分离过程中占有相当重要的地位。根据有关资3)塔顶和塔底产物的摩尔数尽可能接近,使每料统计,精馏分离能耗约占单位产品能耗的50%~块板上的推动力和提浓程度相应降低,亦即增加板90%,而单位产品的能耗与产品质量要求、物系分离上热能传递的可逆性,根据热力学原理塔内热传递提纯的难易、工艺技术路线、设计参数的选择确定密的可逆性增大,有效能的损失减少。切相关。因此降低精馏分离的能耗,对于节约能源,4)应充分考虑尽可能减少热敏性组分的受热减少产品成本至关重要,笔者在此结合自己的设计次数,要求高纯化的产品从塔顶蒸出。同时,在方案实践,就精馏分离中有关节能的问题进行讨论。选择中,应根据处理物料量的多少,选择连续或间歇流程方案的选择精馏流程,对于小批量的多组分物系的分离,采用间歇精馏的方法,可以避免物料的多次受热和冷凝减多元组分精馏分离的方案有多个,其方案数可少能耗,较之连续精馏往往更为经济合理。用表达式S=[2(m-1)]!/m!(m-1)!表示(其减少物料加热和冷凝次数能大大降低能耗的道中m为组分数),如4元、5元组分分别有5个和理,通常都能被设计人员所接受,但在设计或装置实个流程方案,对于组分数较多的物系,对所有可能的施过程中,可能会因这样或那样的原因而被疏忽,造分离方案均—一一加以试验或计算是不现实的,可通成能耗和操作费用不必要的增加,而且可能降低物过比较国内外同类产品精馏流程的优劣确定优化流料的回收率而提高单位产品的成本。现举例说明。程或根据如下一些经验规则进行筛选。例1:对于甲苯氯化生产对氯甲苯工艺,氯化液1)按物系中各组分的挥发度递降的次序,依次为多元混合物,其中有未反应的甲苯,有难分离的异从塔顶分离出各组分,这样各组分仅需经一次汽化甲苯.有高沸物二氯(或多氯)甲苯,并和一次冷凝,能耗最少。中国煤化工≥98%)。国内于19902)物系中相对挥发度接近于1的组分或纯度CNMH成二套生产装置,采用作者简介:许世兵(1971-),女,湖南攸县人,工程师,从事化工设计工作。收稿日期:2001-07-04第6期许世兵,等:精馏分离与节能39的合成工艺技术一样,但精馏流程不同。湖南厂采也相应增高。比较多种化合物的物化数据,不难发用5塔流程,即氯甲苯塔、粗苯塔、邻氯甲苯塔、对氯现,化合物的蒸发潜热随着温度升高而减少,但是化甲苯塔和精对氯甲苯塔。江苏厂采用三塔流程,即合物的热容却随着温度升高而增加,举例如表2和邻、对氯甲苯塔和精对氯甲苯塔。项目投产后,虽都表3所示。能达到主副产品的质量要求,但由于采用的流程不同,能耗发生了很大差异,根据各自的设计参数,统褒2蒹发灒热随温度变化情况计能耗详见表1化合物燕发潜热(kcal/kmol)名称0℃20℃60℃8o℃10ot140℃表1湖南与江苏两厂能耗对比结果甲醇1197,481172.361109561013.25891.83产品纯度(%)蒸汽丙烷373.02347.33256.93182.7热耗冷耗厂地邻氯对氯塔数总塔高耗量MJ/t)(M/t)丙烯373.84338.95244.24159.5丙酮565.25552.68519.19473.13湖南≥97%≥97%5134.8320164222549.75348.01435.45408.23378.9234585江苏≥97%≥98%93.45655664703.17甲苯431.26414.51397.77注:①蒸汽潜热按206754kJKg计;②蒸汽未计热损;③按主、副产品量相同计。衰3热容随温度变化情况从表1可以看出:两装置产品质量相当,而湖南热容(kJ/kg℃)厂能耗约增加207.6%,总塔高约增加44.3%,可见名称60℃80℃100℃140℃采用合理的分离流程对于节约能源和投资至关重甲醇2.3742.952要。5塔流程耗能大的主要原因在于重复精馏,加丙烷2.7722.9433.5175.108热冷凝量过大丙烯2.66328223.4073.595例2:湖南某厂的一个产品,采用间歇精馏流丙酮2.0062.2022.842程,由于某种原因,实际塔高比原设计减少约4mo1.6751,7461.8761.9762.103投入生产后,每生产1t合格产品,需返回重蒸的前甲苯1.6201.6961.8721.9382.060后馏分约0.5t,比原设计增加70%左右,虽然在实际生产中出现的这种情况可能不全是填料减少的原比较表2和表3中相同化合物的蒸发潜热和热因,但因返回物料增加而引起能耗增加的现象应尽容可知,在一定的饱和蒸汽压范围内,温度升高引起可能避免。蒸发潜热的降低速率较之引起液体的热容的升高速因此,精馏流程方案的选择及设计过程有关参率大,节能明显,但超过一定温度范围后,由于比热数的确定,关系到能否优化设计、节能降耗,设计人增加速率加剧,节能不明显,且有可能增加能耗,如员应当充分给予关注丙酮混合物分离,体系温度大于40℃后,节能不明显,更高的温度反而会增加能耗。因此,设计时应比系统操作压力的选择较选择适宜的系统设计压力和温度。精馏通常有常压精馏、减压精馏和加压精馏,在另一方面,加压精馏可充分利用廉价资源,由于精馏设计中,系统操作压力的确定虽无明确规定,但精馏塔内饱和蒸汽压的提高,相应的馏出物的露点可遵循以下原则也随着增高,这就为使用廉价循环冷却水或低温水1)仔细权衡设备投资与操作费,尽可能优化设作为冷却介质创造了条件,在很大程度上减少了使计。笔者认为在有利于节能降耗、减少操作费用的用冰盐水或更高档次冷却介质的可能性。比较采用情况下,适当增加一定的投资费用更趋合理水和冰盐水分别作为冷却介质的投资费用的操作费2)加压精馏有利于采用廉价加热介质和冷凝用中国煤化工介质可较大限度降低介质,如蒸汽和水。这可以从以下两方面加以说明。单位CNMHG用,同时由于减少了方面,加压精馏可以减少单位产品的能源消冰盐水的使用量,而相应降低了能耗。耗。加压精馏实质上是提高被分离物系自身的饱和3)根据分离物系中组分的物化性质,如馏出物蒸汽压,系统内蒸汽压力的升高,被分离物系的温度的组成泡点温度以及是否存在热敏性化合物等选精细化工中间体第31卷择分离方式。低沸点介质的物料宜采用常压或加压系统压力与顶液湿度对溶剂损耗的影响精馏;高沸点物料或有热敏性化合物的物系宜采用组分损失量(kgh)减压精馏的方式。甲苯邻氯甲苯对氯甲苯减压精馏可以使许多高沸点化合物在分离过程13.3306.42690.00180.000中避免使用高价值的加热介质,如热油等,用蒸汽3.0加热使用方便,价格低,同时由于传热系数大,有利26.6353.37160.00660.008.4024微于减少传热面积、节省投资;同时减压精馏可以避免10.71150.0030.000213.3热敏化合物的分解或聚合,减少物料的损失而降低5.00微355.61930.0110.0013消耗;另外减压精馏可以相应提高混合物之间的相6.60.6707对挥发度,表4为温度变化对物系的饱和蒸汽压、相注:塔顶出料量为42kgh,塔径为800mm,塔高为12.5m,其中对挥发度的影响。填料高9.9m。表4温度对饱和蕪汽压与相对挥发度的彩响进行计算的结果。数据充分说明:精馏塔系统密闭化合物-127℃82.5℃47,8℃20.0℃性越差,泄入空气量越大,由空气形成的分压带走的P(kPa)(kPa) a, P(kPa)物料就越多,物料的损失量与泄入空气量成正比;顶苯3569.745510714.90743322.3636940.325甲苯1604.3636415.7778118.42.411.5液冷却温度越低,物料损失量越少,设计中通常用对氯级冷凝器、冷却到一定温度后,排放尾气再经冰冷1510.2甲苯器,利用低温冰盐水和直接氨冷捕集逃逸物料;组分注:a为相对挥发度。分压与空气分压的比值越大,该组分损失量越多,换入另外系统总压变化对乙醇水恒沸物的影响如话说,系统压力越低(真空度越高),低沸点溶剂的物料的性质、物化数据,计算比较,最终确定系统的压力(kPa)101.350.612.7压力。对于沸点差较大的物料,宜采用分级提高其恒沸物中乙醇0.8940.9150.9940.997分子分率X真空度的办法处理;为充分利用廉价水资源,塔顶馏综上所述减压精馏有很多优点但由于减压需出物宜采用多级冷凝冷却,一级水冷、馏出物料温增加真空系统而引起投资增加;另外,在减压状态下度应控制在该压力下露点20℃以上,有低温水资源对于板式塔,为了减少每块板之间的压降,一般出口的地区应尽可能利用低温水作冷凝介质;装置设计堰高取得较低,可能使板效率下降。对于填料塔,会时,连接法兰宜采用凹凸面法兰(包括容器和管法因气体密度小而造成塔径增大,液体的喷淋密度较兰),以便较好地保证系统的密闭性。小而造成填料的润湿不足,影响传质效率;同时由于精馏分离过程中的节能还涉及许多方面,如产减压精馏,会因泄漏不凝性气体(空气)而增加物料品回收率与顶底分配,回流比、填料类型与塔内构件冷凝捕集的困难而造成物料损失,尤其对于分离物结构型式等等,由于篇幅所限,在此不再叙述。系中既有较高沸点或热敏性组分,又有较低沸点的总之,在精馏设计过程中,设计人员应力求全面溶剂,如苯、甲苯、乙醇时,更应计算所选择的塔内压收集资料及物化数据,通过计算和比较,尽可能优化力是否合适。在很多生产装置中,溶剂回收率很低设计方案,做好精馏节能。甚至回收率仅有70%~90%,这种情况往往由于塔系统密闭性差、选择真空度不当尾气捕集冷凝介质参考文献:温度偏高所致。下面仅以甲苯氯化液回收甲苯塔为1]吴俊生,邵惠鹌.精馏设计、操作和控制[M].北京:中国石化例,加以说明,详见表5。表5数据系根据塔系统压力,顶液组分分子分H中国煤化工基础化学1程(修订版,下册)率,相对挥发度,顶液冷凝、冷却温度及泡点方程式CNMHG社,199.138-139