第六章精餾過程的節(jié)能優(yōu)化綜合

1、DistillationThere is no alternative, we must make it better!CRQQQinputFeed (L/V)BoilupN21fBottomsReflux F, zFD, xDB, xBDistillateQCQR潛熱利用潛熱利用CRQQ Feed (L/V)BoilupN21fBottomsReflux F, zFD, xDB, xBDistillateQCQRBut, TreboilerTcondenser能量驅(qū)動的精餾過程示意圖能量驅(qū)動的精餾過程示意圖 )1 ()1 (00LCHRnetTTQTTQWnetTWW0min,DRHQQQV

2、CR)1 ( 總費用總費用設備費設備費操作費操作費費用費用回流比回流比 RRoptRminminRR0 . 21 . 1 經(jīng)驗回流比范圍經(jīng)驗回流比范圍進料液的摩爾汽化熱的熱進料變成飽和蒸汽所需kmol1LVFVIIIIqqFLLFqVV1ABABA AB BABCABCA ABCBCA AB BC C 能量驅(qū)動的精餾過程示意圖能量驅(qū)動的精餾過程示意圖 空氣源空調(diào)（熱泵）致熱模式空氣源空調(diào)（熱泵）致熱模式蒸發(fā)器蒸發(fā)器壓縮機壓縮機節(jié)流閥節(jié)流閥冷凝器冷凝器致冷劑（氟利昂）循環(huán)致冷劑（氟利昂）循環(huán)低壓液體低壓液體低壓蒸汽低壓蒸汽高壓蒸汽高壓蒸汽高壓液體高壓液體室內(nèi)（高室內(nèi)（高溫熱源）溫熱源）室外（低室

3、外（低溫熱源）溫熱源）空氣源空調(diào)（熱泵）致冷模式空氣源空調(diào)（熱泵）致冷模式冷凝器冷凝器壓縮機壓縮機節(jié)流閥節(jié)流閥蒸發(fā)器蒸發(fā)器致冷劑（氟利昂）循環(huán)致冷劑（氟利昂）循環(huán)高壓液體高壓液體高壓蒸汽高壓蒸汽低壓蒸汽低壓蒸汽低壓液體低壓液體為什么冷凝器在為什么冷凝器在45度高溫下操作？度高溫下操作？室內(nèi)（低室內(nèi)（低溫熱源）溫熱源）室外（高室外（高溫熱源）溫熱源）（1 1）閉式）閉式A A型熱泵精餾型熱泵精餾特點：特點：特點：特點：問題：如塔頂溫度為問題：如塔頂溫度為20 20 ，塔底溫，塔底溫度為度為30 30 ，則壓縮機出口高壓蒸汽，則壓縮機出口高壓蒸汽的溫度不低于多少？節(jié)流閥出口低壓的溫度不低于多少？節(jié)

4、流閥出口低壓液體的出口溫度應為多少？液體的出口溫度應為多少？問題：如塔頂溫度為問題：如塔頂溫度為20 20 ，塔底，塔底溫度為溫度為30 30 ，則壓縮機出口高壓，則壓縮機出口高壓蒸汽的溫度應為多少？節(jié)流閥出口蒸汽的溫度應為多少？節(jié)流閥出口低壓液體的出口溫度應不高于多少？低壓液體的出口溫度應不高于多少？熱泵精餾舉例：分離丙烯熱泵精餾舉例：分離丙烯丙烷混合物丙烷混合物6.1689kPa塔頂?shù)蜏厮數(shù)蜏責嵩粗苯訜嵩粗苯永茫±?！熱泵精餾舉例：分離丙烯熱泵精餾舉例：分離丙烯丙烷混合物丙烷混合物6.1689kPa3-1 3-1 熱泵精餾熱泵精餾 熱泵精餾舉例：熱泵精餾舉例：分離丙烯分離丙烯丙烷混合物

5、丙烷混合物3-1 3-1 熱泵精餾熱泵精餾 1204161518553092總計總計1084010564040153504018159801841982費用，費用，美元美元/日日蒸汽蒸汽冷卻水冷卻水電電8.106.215.462.87熱力學效率，熱力學效率，%用塔底液體閃用塔底液體閃蒸的熱泵蒸的熱泵壓縮塔頂蒸壓縮塔頂蒸汽的熱泵汽的熱泵用外部致冷用外部致冷劑的熱泵劑的熱泵普通低溫普通低溫精餾精餾項目項目低溫下丙烯低溫下丙烯丙烷分離的熱力學效率和公用工程費用比較丙烷分離的熱力學效率和公用工程費用比較由數(shù)據(jù)可見，三種熱泵系統(tǒng)的熱力學效率均高于普通低溫精由數(shù)據(jù)可見，三種熱泵系統(tǒng)的熱力學效率均高于普通低

6、溫精餾，其公用工程費用明顯低于普通精餾，其中用塔底液體閃餾，其公用工程費用明顯低于普通精餾，其中用塔底液體閃蒸的熱泵具有最高的熱力學效率和最低的公用工程費用。蒸的熱泵具有最高的熱力學效率和最低的公用工程費用。二二次次蒸蒸汽汽加熱蒸汽加熱蒸汽冷卻水冷卻水完成液完成液料液料液一一效效多效蒸發(fā)多效蒸發(fā)冷凝水冷凝水水水二二效效三三效效二二次次蒸蒸汽汽二二次次蒸蒸汽汽三效蒸發(fā)舉例三效蒸發(fā)舉例采用多效蒸發(fā)的目的是什么？采用多效蒸發(fā)的目的是什么？（1）高壓塔的冷凝器）高壓塔的冷凝器也是低壓塔的再沸器。也是低壓塔的再沸器。（2）低壓塔再沸器不）低壓塔再沸器不需要外加能量，其熱需要外加能量，其熱量直接由高壓塔塔

7、頂量直接由高壓塔塔頂蒸汽冷凝提供。蒸汽冷凝提供。（3）高壓塔不需要外）高壓塔不需要外加冷卻介質(zhì)，其冷量加冷卻介質(zhì)，其冷量直接由低壓塔液體再直接由低壓塔液體再沸提供。沸提供。并流并流(a)型型并流并流(b)型型逆流型逆流型平流型平流型minTTTBD低高普通精餾普通精餾1%1%甲醇廢水甲醇廢水設計出逆流兩效設計出逆流兩效精餾流程，確定精餾流程，確定操作參數(shù)。操作參數(shù)。1001007070ABAB95%95%甲醇甲醇95%95%甲醇甲醇1%1%甲醇廢水甲醇廢水minTTTBD低高DT高BT低p p2 2=?=?結(jié)果表明：采用結(jié)果表明：采用兩效精餾可節(jié)約兩效精餾可節(jié)約能量達能量達35%35%在精餾塔

8、中精餾段適當位在精餾塔中精餾段適當位置增設中間冷凝器提供部置增設中間冷凝器提供部分低質(zhì)的冷量（如冷卻分低質(zhì)的冷量（如冷卻水），可降低塔頂高品位水），可降低塔頂高品位制冷劑的用量。制冷劑的用量。在精餾塔中提餾段適當位在精餾塔中提餾段適當位置增設中間再沸器提供部置增設中間再沸器提供部分低質(zhì)的熱量（如廢熱），分低質(zhì)的熱量（如廢熱），可降低塔底高品位加熱介可降低塔底高品位加熱介質(zhì)的用量。質(zhì)的用量。Q總總=QC1+QC2+QR1+QR2Q總總=QC+QR200QR=4.0 GJ/hCost=600$/h200QR=3.0 GJ/hCost=450$/h100QR=1.0 GJ/hCost=50$/hn

9、nn+1n+1Vn+1,yn+1V Vs s, ,y ys sVn,ynLn-1,xn-1Ls,xsQsL Ln n, ,x xn nsteam過程集成技術過程集成技術（Process integration technology)采用這種形式的熱泵采用這種形式的熱泵同連接塔頂和塔底的同連接塔頂和塔底的熱泵具有什么優(yōu)越性？熱泵具有什么優(yōu)越性？Freshwater的思想的思想Freshwater D C. Thermal economy indistillation, Trans. Inst. Chem. Eng, 1951, 29: 149 具有附加回流和汽相蒸發(fā)的精具有附加回流和汽相蒸發(fā)的精

10、餾簡稱，由中間再沸、中間冷餾簡稱，由中間再沸、中間冷凝和熱泵精餾技術發(fā)展形成的凝和熱泵精餾技術發(fā)展形成的過程集成技術。過程集成技術。汽體汽體液體液體產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品這種節(jié)能流程目前的這種節(jié)能流程目前的研究現(xiàn)狀如何？是否研究現(xiàn)狀如何？是否已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化？已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化？ 另塔提供液相回流另塔提供液相回流另塔提供汽相回流另塔提供汽相回流帶有側(cè)線精餾的熱偶合帶有側(cè)線精餾的熱偶合復雜塔復雜塔(Column with side (Column with side rectifier)rectifier)帶有側(cè)線汽提的熱偶合帶有側(cè)線汽提的熱偶合復雜塔復雜塔(Column with (Column with

11、 side stripper)side stripper)-25.17x106Kcal/hrHSR : 921 T/D (4.39 wt%)STM1 : 1313 Kg/hrKERO : 1,333 T/D (6.35 wt%)STM2 : 1243 Kg/hrLGO : 3,822 T/D (18.2 wt%)STM3 : 3418 Kg/hrRESIDUE : 11,375 T/D (54.16 wt%)11015283138434956STM4 : 11603 Kg/hr161oC1.41K364oC358oC349oC, 1.85K180oC, 1.53K219oC, 1.68K209

12、oC169oC265oC273oC, 1.76K192oC132oC228oC168oCLSR : 3,549 T/D (16.9wt%)OFF GASCRUDE : 21,000 T/D-13.94x106Kcal/hr 376,130 Kg/hr-9.14x106Kcal/hr 234,857 Kg/hr-12.25x106Kcal/hr 298,087 Kg/hr 123oC0.97K60oC0.97K-27.80 x106Kcal/hr-16.50 x106Kcal/hr268oC15oC221oC281oC完全熱偶合塔完全熱偶合塔(Full thermally (Full therm

13、ally coupled column)coupled column)帶有預分餾器的三帶有預分餾器的三產(chǎn)品精餾塔產(chǎn)品精餾塔Dividing-Wall Dividing-Wall Column (Kaibel, Column (Kaibel, 1987)1987) 直接順序（直接順序（A|BCB|C）間接順序（間接順序（AB|CA|B）BABCCA1324BABCCA1234問題：用簡單塔分離問題：用簡單塔分離ABCDABCD四組分混合物為純組分，需要四組分混合物為純組分，需要多個精餾塔，共有哪些方案？多個精餾塔，共有哪些方案？A|BCDB|CDABC|DCDABC|DAB|CABA|BCDAB

14、|CDA|BABC|DCDABC|DA|BCABCDB|CA|BCDBC|DABCDB|C 用簡單精餾塔分離不同組分的方案數(shù)用簡單精餾塔分離不同組分的方案數(shù)組分數(shù)組分數(shù)方案數(shù)方案數(shù)組分數(shù)組分數(shù)方案數(shù)方案數(shù)21713232842945914305141048626421116796)!1( !)!1(2NNNSN組組合合爆爆炸炸問問題題研研究究方方法法1、經(jīng)驗規(guī)則法、經(jīng)驗規(guī)則法5、數(shù)學規(guī)劃法、數(shù)學規(guī)劃法4、熱力學分析法、熱力學分析法2、進化調(diào)優(yōu)法、進化調(diào)優(yōu)法3、人工智能技術、人工智能技術6、隨機優(yōu)化方法、隨機優(yōu)化方法 ？共需要幾個共需要幾個塔？共有多塔？共有多少種可行的少種可行的分離方案？分離方案？C3，iC4，nC4，iC5，nC5塔塔1 1塔塔4 4iC4C3nC41 12 23 34 4最易分離的前面分離最易分離的前面分離次易分離，近等摩爾分配次易分離，近等摩爾分配最優(yōu)序列最優(yōu)序列C3，iC4，nC4，iC5，nC5最難分離的最后分離最難分離的最后分離 注意與多效精餾的區(qū)別。注意與多效精餾的區(qū)別。T=380KT=380K1010組分混合物分離問題組分混合物分離問題進料流率（進料流率（Feed flow）= 1000 kmol/h0.050.100.100.050.150.200.150.050.100.05n-propane (丙烷丙烷)n-butane