精馏过程节能技术

第26卷,总第147期节能技术》Vol 26. Sum No 1472008年1月,第1期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYJan.2008,No.1精馏过程节能技术岳金彩,闫飞,邹亮,杨霞(青岛科技大学计算机与化工研究所,山东青岛266042)摘要:本文总结了精馏过程主要的节能技术,按照流程是否改变及是否利用过程技术对各类技术的进行分类,即过程技术节能,特殊精馏工艺和精馏塔高效材料等类型,对各个类型的主要节能方法、优缺点和适用范围进行了综述,并介绍了我国精馏过程的节能现状与趋势关键词:精馏过程;节能;热偶精馏;热泵精馏;中间換热器中图分类号:TQ028文献标识码:A文章编号:1002-6339(2008)01-0064-04Energy Savings in Distillation ProcessYUE Jin-cai, YAN Fei, ZoU Liang, YANG Xia(Institute of computer and chemical engineering, Qingdao University of Science and Techndogy, Qingdao 266042, ChinaAbstract: According to that whether process technologies are used and the flowsheet are changed or not,themain energy- saving technologies of distillation process are summarized and classified into three types, that isenergy-saving by process technology, special distillation processes and high-efficient tray or pack columnThe ordinary methods, advantages and disadvantages, and suitable area are rivewed for every types. At last thestatus and development trend are introducedKey words: distillation process; energy saving: thermally coupled; heat pump; intermediate heat exchangers在化工生产过程中,分离是非常重要的一个过减小回流比、增设中间再沸器和中间冷凝器等;②开程单元,它直接决定了最终产品的质量和收率,工业发了许多高效节能的特殊精馏工艺流程,如热泵精生产中占据着主导地位的分离方法就是精馏精馏馏、热偶精馏、多效精馏等;③改进精馏塔的保温材是利用混合物中各组分挥发度的不同利用能量进行料和开发高效的塔板类型和填料。由于第三类没有分离的操作单元,具有独特的优势(。据估计化工利用过程技术,本文只对前两类节能方法进行综述。过程中40%~70%的能耗用于分离,而精馏能耗又占其中的95%2。因此随着世界能源的日益短缺,1过程技术节能精馏过程一直是研究者节能挖潜的热点对象,它的1.1操作条件优化节能每一个进展都会带来巨大的经济效益。该方法主要是利用模拟软件对精馏过程的操作多年来,人们已采用了多种方法和手段对精馏条件进行研究,精馏塔的主要操作条件包括操作压过程进行节能降耗的研究,按照流程是否改变及是力、操作温度、塔板压降,进料位置及温度、理论板否利用过程技术可以将其分为三类:①利用过程技数、回流比以及回流温度、塔顶塔底采出量、关键组术对精馏塔的操作条件进行优化,以减少精馏塔所份的清晰分割程度,塔顶塔底热负荷等等,除塔的操消耗的能量,如以产品物流预热进料、增加塔板数、作压力一般是给定的(在设计双效流程除外),其它的都度分析设计规定中国煤化工收稿日期200-12-06修订稿日期2007-12-16务的最佳值,以获作者简介:岳金彩(19069-),男,副研究员或得CNMHG荷,从而使精馏塔扬霞(1973-),女,博士研究生能耗最少。目前由于通用模拟软件的商品化程度的提高,大型化工企业的操作基本上在最佳条件下进行,一2特殊精馏工艺节能些中小型化工企业的精馏操作还有待于进一步优2.1热泵精馏-7化热泵精馏就是靠补偿或消耗机械功,把精馏塔1.2中间换热节能塔顶低温处的热量传递到塔釜高温处,使塔顶低温对于塔顶塔底温度差别比较大的精馏塔,可以蒸汽用作塔底再沸器的热源。通过增加中间换热器的方式来节省或回收热量(冷2.1.1热泵精馏的类型量)。中间换热的方式有两种:中间冷凝器和中间再根据热泵所消耗的外界能量不同,热泵精馏可沸器。对塔底再沸器来说(以塔底再沸器为基准),分为蒸汽加压方式和吸收式两种类型。蒸汽加压方中间冷凝器是回收热量,中间再沸器是节省热量;而式热泵精馏分蒸汽压缩机方式和蒸汽喷射式两种。对于塔顶冷凝器来说(以塔顶冷凝器为基准),中间蒸汽压缩机方式考虑到冷凝和再沸器热负荷的冷凝器是节省冷量,中间再沸器是回收冷量3平衡以及便于控制,在流程中往往设有附加冷却器中间冷凝器和中间再沸器的负荷如果比较大,和加热器。按照流程的不同,蒸汽压缩机方式又可塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷会降低,这样会分为间接式、塔顶气体直接压缩式、分割式和塔釜液导致精馏段回流比和提馏段蒸汽比(气相回流比)减体闪蒸再沸式等4种流程。其中间接式热泵精馏流少,回流比的减少,应当相应增加塔板数,才能保证程利用单独封闭循环的工质(制冷剂)工作,塔顶气产品的分离纯度,从而使设备投资费用增加。体直接压缩式是以塔顶气体作为工质的热泵;分割式热泵精馏流程分为上下两塔:上塔类似于常规热泵精馏,只不过多了一个进料口;而下塔类似于常规精馏的提馏段即蒸出塔(或汽提塔),进料来自上塔的釜液,蒸汽出料则进入上塔塔底;闪蒸再沸是热泵的一种变型,它直接以塔釜出料为冷剂,经节流后送至塔顶换热,吸收热量蒸发为气体,再经压缩升压升温后,返回塔釜蒸汽压缩机方式适用于下述系统:①塔顶和塔底温差较小的场合,只要塔顶和塔底温差小于36℃,就可以获得较好的经济效果;②被分离物质的图1中间再沸器与中间冷凝器沸点接近,分离困难,回流比高,因此需要大量蒸气Fig. I Middle reboiler and middle condenser的场合;③在低压运行时必须采用冷冻剂进行冷凝图1描述了这两种中间换热方式的示意流程:为了使用冷却水或空气作冷凝介质,必须在较高塔如果精馏塔在塔下方温度分布存在显著的变化,则压下分离某些易挥发性物质的场合。可设中间再沸器使用低品位热源,以减少主再沸器蒸汽喷射式热泵是提高低压蒸汽压力的专门设高品位热量消耗,但中沸器下方塔板分离能力被削备,其原理是借助高压蒸汽(驱动蒸汽)喷射产生的弱;当塔上部的温度分布若存在显著的变化时,则可高速汽流,将低压蒸汽的压力和温度提高,而高压蒸设中间冷凝器,采用较低品位的冷剂,减少主冷凝器汽的压力和温度降低。低压蒸汽的压力和温度提高高品位冷剂的用量,以减少能耗,但其上方的塔板的到工艺能使用的指标,从而达到节能的目的。分离能力有所下降采用蒸汽喷射泵方式的热泵精馏具有如下优将中间换热方式归类于过程技术节能,是因为点:①新增设备只有蒸汽喷射泵,设备费低;②蒸汽原来的精馏塔没有变化,只不过增设的中间换热改喷射泵没有转动部件,容易维修,而且维修费低;③变了操作线斜率,利用了低品位能源。在分离任务吸人蒸气量偏离设计点时发生喘振和阻流现象。这定的情况下,常规精馏塔塔釜再沸器的供热量等点与蒸汽压缩机相同,但由于没有转动部件,就没有于设有中间再沸器的精馏塔塔釜再沸器与中间再沸设备损坏的危险。器供热量之和。设置中间再沸器前后,所需要的总蒸汽吸收式热泵精馏由吸收器、再生器、冷却器的热负荷不变。只是在设置中间再沸器后,部分热和再沸器等设备组成,常用溴化锂水溶液或氯化钙量可以采用低于塔底再沸器的廉价的废热蒸汽提水溶物的M供,塔的热能有效降级,这使得热效率提高。对于给器中国煤仆也是热泵的再沸定的精馏塔,通过合理设置和使用中间再沸器,可以CNMHG向的不同可分为:提供最大的热效率达到最大的节能效果4。冷凝器压力大于蒸发器压力的第一类吸收式热泵(Ⅰ型)和蒸发器压力高于冷凝器压力的第二类吸省设备投资30%。隔板塔精馏塔能广泛地应用于收式热泵(Ⅱ型)。第一类吸收式热泵需要高温热源石油精制、石油化工、化学品及气体精制驱动,但不需要外界冷却水,热量能得到充分利用,主要应用于产生热水;第二类吸收式热泵可利用低品位热能直接驱动,以低温热源与冷却水之间的温差为推动力,可产生低压蒸汽。2.1.2热泵技术应用需注意的几个问题热泵技术以其高效节能的特性,得到了普遍应用,但并非任何条件下都适宜采用热泵技术,应从以下几个方面进行可行性判定:(1)是否存在优质的热源,通常热源应温度较高稳定量大,与热泵设置点距离较近,且不具有腐蚀性,不易结垢,对设备磨损较小图2立式隔板蒸馏塔(DwC)(2)是否有合适的用热需求,应根据所采用的热热偶精馏塔节能的主要原因有两点:①热偶精泵类型,确定合适的供热温度,使热泵系统经济性较馏塔较好地解决了中间组分在塔内的再混合问题;②热偶精馏预分塔进入主塔的物料,其组成能够较(3)运行成本是否低。由于供热方式的改变相好地和主塔进料板上的组成相匹配,符合最佳进料应增加了其它消耗,应探讨是否具有经济效益,一般板的要求热泵节能率达30%以上时,才能比锅炉供热成本热偶精馏流程并不适用于所有化工分离过程低它的应用有一定的限制,这是因为,虽然此类塔从热(4)还应当注意采用热泵技术后,是否对原系统力学角度来看具有最理想的系统结构,但它主要是产生其它影响,如意外故障的应变性、负荷变化时的通过对输入精馏塔的热量的“重复利用”而实现的适应性,以及系统整体的热量平衡等。当再沸器所提供的热量非常大或冷凝器需将物料冷22热偶精馏(8-1至很低温度时,此工艺会受到很大限制。热偶精馏由于既节能又节省设备投资引起了人此外,热偶精馏流程对所分离物系的纯度、进料们的广泛关注。最早的热偶精馏是50年前由Pet-组成、相对挥发度及塔的操作压力都有一定的要求:Jyk提出的,研究发现热偶精馏比常规精馏过程节①产品纯度:热偶精馏流程所采出的中间产品能至少30%以上,但受当时的技术条件所限而难以的纯度比一般精馏塔侧线出料达到的纯度更大,因工业化。近年来,随着对节能要求的提高,且由于控此,当希望得到高纯度的中间产品时,可考虑使用热制技术的提高,热偶精馏方面的研究又趋于活跃,一偶精馏流程。如果对中间产品的纯度要求不高,则些大公司已将其中的分隔壁精馏塔工业化。本文主直接使用一般精馏塔侧线采出即可。要介绍热偶蒸馏的特点以及各种流程和应用现状②进料组成若分离A、B和C三个组分,且相对以期促进我国对该项技术的研究和应用。挥发度依次递增时,采用该类塔型时,进料混合物中热偶精馏主要用于三组份混合物分离或将混合组分B的量应最多,而组分A和C在量上应相当物分为三种产物,可分为以下几种形式5-14):①侧③相对挥发度:当组分B是进料中的主要组分线蒸馏塔,由主塔和侧线蒸馏塔组成;②侧线提馏时,只有当组分A的相对挥发度和组分B的相对挥塔,由主塔和侧线提馏塔组成:③完全热偶精馏,发度的比值与组分B的相对挥发度和组分C的相最早由 Petlyuk提出,故又称为 Petlyuk蒸馏塔,由主对挥发度的比值相当时,采用热偶精馏具有的节能塔和预分馏塔构成,预分塔的作用是将混合物进行优势最明显。如果组分A和组分B(与组分B和组初步分离,轻关键组份全部由塔顶分出,重关键组分C相比)非常容易分离时,从节能角度来看就不份完全由塔釜采出,中间组份在塔顶、塔底之间分如使用常规的两塔流程了。配,主塔的作用则是对预分塔塔顶和塔底的物料进④塔的操作压力:整个分离过程的压力不能改一步分离,得到符合要求的产物;④立式隔板塔(图变。当需要改变压力时,则只能使用常规的双塔流2),在塔内部采用立式隔板将塔从中间隔开分成两程。部分,这一结构从本质上可认为是将 petlyuk蒸馏塔2.3多效精1518的主塔和预分塔组合于同一塔内。对于某给定的物中国煤化工子塔的能量品位料隔板塔精馏和常规精馏流程相比需更小的回流级别CNMHα用于品位较低比,增大了操作容量,节能最高可达到60%以上,可的塔,从而达到节能的目的。多效精馏的工艺流程根据加热蒸汽和物料的流用研究,尤其是对当前最具前途的隔板精馏塔的应向不同,可分为平流、顺流和逆流三种;按效数可分用研究。为两效(双效)、三效、四效……等,最常见的是两效(双效)。4结论双效精馏是把原来的一个精馏塔分成两个分别精馏过程在化工单元操作中由于能耗大,节能在不同压力操作下的塔,通过两效之间的压力不同,潜力高而倍受关注,本文总结了精馏过程主要的节使前一效的冷凝器与后一效的再沸器相匹配。与普能技术,对各类技术的类型优缺点和适用范围进行通精馏塔精馏相比双效精馏可以充分利用冷热剂了综述,对化学工程师在进行精馏过程的设计和优固有温差减少传热的不可逆性减少公用工程消化时有一定的指导意义,并指出了当前节能技术开耗但同时增加了设备费用。双效精馏的4种基本发研究的重点。类型即参考文献1)平流型:原料被分成大致均匀的两股分别送[1]Bravo J L, Fair JR, Humphrey J L, et al, Fluid mixture人高、低压两塔中,其中以高压塔塔顶蒸汽向低压塔 separation technologies for cost reduction and process improvement塔釜提供热量,两塔均从塔顶、塔釜采出产品[M]. NJ: Noyes Publications, Park Ridge, 198(2)顺流型LCH型:流程从高压塔进料,高压塔[2]Humphrey J L, Seibert A F Separation technologies: an op-塔顶产品作为低压塔进料,两塔塔釜均采出产品,而 portunity for energy savings[J. Chem Eng Prog,1928(3):32塔顶产品全由低压塔塔顶采出。(3)顺流HGL型:此流程也只从高压塔进料,高[3]http://jpke.qust.educn/index/qiuruchen/pages/file/压塔塔底产品作为低压塔进料,两塔塔顶均釆出产multimedia/HanBC/GI-5/G1-5-2 HIM(4)逆流型:所有原料都进人低压塔其塔底采分析(门.金山油化纤,04⊕"沸器的精馏塔热力学品,塔底产品只从低压塔采出。〔5〕许维秀,朱圣东,李其京.化工节能中的热泵精馏工出作为原料送入高压塔,两塔塔顶均有产品采出,而艺流程分析〔.节能,200,10:19-24.塔底只有高压塔有产品采出。〔6〕朱玉琴,李迓红.高效节能的热泵精馏技术[J.发3我国精馏过程节能现状与趋势电设备,2003,3:48-50〔7〕朱平,梁燕波秦正龙.热泵精馏的节能工艺流程分近年来,由于能源的短缺精馏过程节能的技术析,节能技术2037-9开发和应用研究非常活跃。〔8〕叶青,裘兆蓉,韶晖,钟秦,热偶精馏技术与应用进展[J.天然气化工,006,31(4):53方面随着计算机技术与软件的发展,大型化〔9〕钱宏义,韩方煜.分隔型热耦合精馏塔的优化设计工软件商业化越来越多,静态模拟软件如Aspn,(.青岛科技大学学报,204,25(3):214-218,pro等已成为化学工程师的基本设计与优化工具,〔10〕何莉,樊希山.热偶精馏过程模拟与优化的改进动态模拟软件如 gPORMS以及研究物体流动性能的.计算机与应用化纤,201,205):611-614CFD等软件也开始在一定范围内风行,这都在一定〔11〕王延敏姚平.经热偶精馏过程模拟优化方法的改程度上促进了人们对精馏操作的规律性认识和本质进一人工神经网络-遗传算法(J.化工学报,200,54认识,有利于对精馏过程的节能研究。(9):1146-1150另一方面,各类特殊精馏工艺的技术日趋成熟〔12〕高维平,杨莹,热偶精馏过程的研究[J.吉林化工开始在工业过程中获得实际应用,如热泵精馏在处学院学报,1994,1(1):14-29〔13〕吕向红,陆锡恩,热耦蒸馏技术进展[刀〕.化工进理丙烯-丙烷系统,乙苯-对二甲苯过程中获得广展,204,2(8):837-840泛应用,在丁二烯系统中的热偶精馏的运用等,都取〔14〕周爱月,王瑜,崔玉林.用同伦延拓算法模拟热偶得了良好的节能效果。精馏过程[J〕.化工学报,199,50(1):1-7我国在精馏过程节能的理论研究和技术开发与〔15〕高维平,杨莹,刘文艳.平流双效精馏过程的模拟应用方面与国外都存在着比较大的差距,国外现在与优化[J.计算机与应用化学,19,12(1):55-57已开展对多种方式相结合的节能研究(9,国内尚未〔16〕武昊宇,项曙光韩方煜.多效精馏优化设计的研见有报导,尤其在工业实用方面差距明显这也与我充进展[J.计算机与应用化学,206,2)49149国工业生产中的工艺技术水平整体比较落后有关〔17〕王以清.双效精馏流程的节能分析[J.化学工程如对热偶精馏中的分隔壁精馏塔的研究。迄今为师,2002,92(5):47-49〔18〕张秀玲,荣本光,陈玉琴.对双效精馏过程节能影止,至少有40套分隔壁精馏塔进行商业运行,大部分属于德国的BASF公司,主要用于分离中间产物中国煤化工1-stillation for Thermal含量高的三元混合物。而我国目前尚未见有隔板塔CNMHG20,06(1):211的工业应用报导。因此我国应该加强节能技术的应2467