精餾過(guò)程節(jié)能技術(shù)

精餾過(guò)程節(jié)能技術(shù)精餾過(guò)程節(jié)能技術(shù)精餾過(guò)程節(jié)能技術(shù)xxx公司精餾過(guò)程節(jié)能技術(shù)文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度精餾過(guò)程節(jié)能技術(shù)簡(jiǎn)述【摘要】如今環(huán)境問(wèn)題逐漸顯露，環(huán)境與能源的保護(hù)越來(lái)越得到社會(huì)的重視。尤其是化工行業(yè)的資源節(jié)約更是在國(guó)際中都得到重視。也因此節(jié)能的技術(shù)、工藝等節(jié)能措施等都得到了新的發(fā)展。本文便針對(duì)其中的化工精餾節(jié)能問(wèn)題進(jìn)行討論?！娟P(guān)鍵詞】化工節(jié)能；精餾技術(shù)1前言在工業(yè)生產(chǎn)中，石油化學(xué)工業(yè)的能耗所占比例最大，而石油化學(xué)工業(yè)中能耗最大者為分離操作，其中又以精餾的能耗居首位。精餾過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過(guò)程，表現(xiàn)為過(guò)程變量多、被控變量多、可操縱的變量多、過(guò)程動(dòng)態(tài)和機(jī)理復(fù)雜。隨著石油化工的迅速發(fā)展，精餾操作的應(yīng)用越來(lái)越廣，分離物料的組分不斷增多，分離的產(chǎn)品純度要求亦不斷提高，但我們同時(shí)又不希望消耗過(guò)多的能量，這就對(duì)精餾過(guò)程的控制提出了要求。作為化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的分離過(guò)程，精餾也是耗能較大的一種化工單元操作。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證產(chǎn)品合格，精餾裝置操作往往偏于保守，操作方法以及操作參數(shù)設(shè)置往往欠合理。另外，由于精餾過(guò)程消耗的能量絕大部分并非用于組分分離，而是被冷卻水或分離組分帶走。因此，精餾過(guò)程的節(jié)能潛力很大，合理利用精餾過(guò)程本身的熱能，就能降低整個(gè)過(guò)程對(duì)能量的需求，減少能量的浪費(fèi)，使節(jié)能收效也極為明顯。因此，在當(dāng)今能源緊缺的情況下，對(duì)精餾過(guò)程的節(jié)能研究就顯得十分重要。近年來(lái)，由于能源的短缺，精餾過(guò)程節(jié)能的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用研究非常活躍。一方面隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與軟件的發(fā)展，大型化工軟件商業(yè)化越來(lái)越多，靜態(tài)模擬軟件如Aspen，proII等已成為化學(xué)工程師的基本設(shè)計(jì)與優(yōu)化工具，動(dòng)態(tài)模擬軟件如gPORMS以及研究物體流動(dòng)性能的CFD等軟件也開始在一定范圍內(nèi)風(fēng)行，這都在一定程度上促進(jìn)了人們對(duì)精餾操作的規(guī)律性認(rèn)識(shí)和本質(zhì)認(rèn)識(shí)，有利于對(duì)精餾過(guò)程的節(jié)能研究。另一方面，各類特殊精餾工藝的技術(shù)日趨成熟，開始在工業(yè)過(guò)程中獲得實(shí)際應(yīng)用，如熱泵精餾在處理丙烯-丙烷系統(tǒng)，乙苯-對(duì)二甲苯過(guò)程中獲得廣泛應(yīng)用，在丁二烯系統(tǒng)中的熱偶精餾的運(yùn)用等，都取得了良好的節(jié)能效果。本文從以下幾方面討論了精餾過(guò)程的節(jié)能技術(shù)：(1)過(guò)程技術(shù)節(jié)能；（2）特殊精餾工藝節(jié)能。2過(guò)程技術(shù)節(jié)能優(yōu)化操作條件從能量的本質(zhì)看，精餾過(guò)程是將物理有效能轉(zhuǎn)化為擴(kuò)散有效能，同時(shí)伴隨物理有效能的降價(jià)損失。精餾過(guò)程有效能損失是由下列過(guò)程的不可逆性引起的：一是流體流動(dòng)的壓降；二是相濃度不平衡物流間的傳質(zhì)或不同濃度物流間的混合；三是不同溫度物流間的傳熱或不同溫度物流間的混合。通過(guò)對(duì)精餾塔傳熱過(guò)程的分析，精餾塔的主要操作條件包括操作壓力、操作溫度、塔板壓降、進(jìn)料位置及溫度、理論板數(shù)、回流比以及回流溫度、塔頂塔底采出量、關(guān)鍵組份的清晰分割程度、塔頂塔底熱負(fù)荷等等。除塔的操作壓力一般是給定的（在設(shè)計(jì)雙效流程除外），其它的都可以作為操作變量，通過(guò)靈敏度分析、設(shè)計(jì)規(guī)定或者優(yōu)化技術(shù)來(lái)確定滿足分離任務(wù)的最佳值，以獲得最小的冷凝負(fù)荷和再沸器熱負(fù)荷，從而使精餾塔能耗最少。因此，可以得到如下節(jié)能途徑：（1）通過(guò)減少最小蒸汽負(fù)荷GMIN來(lái)降低Q消耗。如果塔頂壓力不變，則塔壓降△P愈小，平均相對(duì)揮發(fā)度α愈高，GMIN也就愈小，相應(yīng)所需實(shí)際加熱量就減少。（2）使所需上升蒸汽量G減少來(lái)降低加熱負(fù)荷?；亓鞅萊下降，可以直接使G下降。為了達(dá)到同樣分離程度就應(yīng)使理論塔板數(shù)NT提高。可以采用高效精餾塔內(nèi)件(如高效塔板或高效填料)使每米理論板當(dāng)量數(shù)增大。此外，還可以通過(guò)改進(jìn)自動(dòng)控制，使回流比準(zhǔn)確地控制在設(shè)定點(diǎn)上，從而減少回流比裕量，直接降低回流比。（3）減少塔頂與塔釜溫差，可以使熱傭損下降。除了可以降低塔壓降△P來(lái)達(dá)到外，尚可采用中間再沸器或中間冷凝器來(lái)達(dá)到。（4）提高料液溫度使進(jìn)料部分氣化或全部氣化，可取得良好的節(jié)能效果，而且操作簡(jiǎn)單，控制方便，投資費(fèi)用也很小[1]。中間換熱節(jié)能選擇多效精餾多效精餾的原理類似于多效蒸發(fā)，即將多組分的分離安排在一系列壓力依次遞減的精餾塔中去完成。高壓塔頂產(chǎn)品冷凝汽化潛熱被用來(lái)對(duì)壓力較低的塔提供再沸能量。多效精餾加熱蒸汽的用量與效數(shù)近似成反比，效數(shù)越多，用量越少。但效數(shù)的增加受到第一級(jí)加熱蒸汽壓力及末級(jí)介質(zhì)種類的限制，而且，效數(shù)越多，設(shè)備投資過(guò)大且操作困難，固常采用雙效精餾。優(yōu)化多塔精餾的排列順序采用精餾系列將N個(gè)組分分離開來(lái)應(yīng)需N+1個(gè)塔，而其排列順序可以有多種方案，例如3個(gè)組分就有2個(gè)排列方案，6個(gè)組分就有42個(gè)方案，選擇好壞將對(duì)能耗產(chǎn)生重大影響。根據(jù)研究結(jié)果，可參考以下結(jié)論：(1)產(chǎn)品按塔頂產(chǎn)品的揮發(fā)度依次遞減順序逐個(gè)回收；(2)最難分離的組分放在最末分離。因?yàn)殡y分離組分精餾分離時(shí)要求的回流比很大，塔內(nèi)蒸汽及液流量也很大，放在上游分離能耗必然很大；(3)將進(jìn)料按塔頂與塔底各占50%的分餾比例安排；(4)純度要求高的產(chǎn)品放在最后分餾。因?yàn)榧兌纫馕吨亓鞅却?，塔?nèi)氣流量大，放在上游分離能耗則高。待大部分進(jìn)料組分都分離后，最后的進(jìn)料少了，采用大回流比能耗也就少了[2]。增設(shè)中間再沸器和中間冷凝器對(duì)于塔頂塔底溫度差別比較大的精餾塔，可以通過(guò)增加中間換熱器的方式來(lái)節(jié)省或回收熱量（冷量）。中間換熱的方式有兩種：中間冷凝器和中間再沸器。對(duì)塔底再沸器來(lái)說(shuō)（以塔底再沸器為基準(zhǔn)），中間冷凝器是回收熱量，中間再沸器是節(jié)省熱量；而對(duì)于塔頂冷凝器來(lái)說(shuō)（以塔頂冷凝器為基準(zhǔn)），中間冷凝器是節(jié)省冷量，中間再沸器是回收冷量。中間冷凝器和中間再沸器的負(fù)荷如果比較大，塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負(fù)荷會(huì)降低，這樣會(huì)導(dǎo)致精餾段回流比和提餾段蒸汽比（氣相回流比）減少，回流比的減少，應(yīng)當(dāng)相應(yīng)增加塔板數(shù)，才能保證產(chǎn)品的分離純度，從而使設(shè)備投資費(fèi)用增加。將中間換熱方式歸類于過(guò)程技術(shù)節(jié)能，是因?yàn)樵瓉?lái)的精餾塔沒(méi)有變化，只不過(guò)增設(shè)的中間換熱改變了操作線斜率，利用了低品位能源。在分離任務(wù)一定的情況下，常規(guī)精餾塔塔釜再沸器的供熱量等于設(shè)有中間再沸器的精餾塔塔釜再沸器與中間再沸器供熱量之和。設(shè)置中間再沸器前后，所需要的總的熱負(fù)荷不變。只是在設(shè)置中間再沸器后，部分熱量可以采用低于塔底再沸器的廉價(jià)的廢熱蒸汽提供，塔的熱能有效降級(jí),這使得熱效率提高。對(duì)于給定的精餾塔,通過(guò)合理設(shè)置和使用中間再沸器，可以提供最大的熱效率、達(dá)到最大的節(jié)能效果。改進(jìn)熱的利用強(qiáng)化再沸器和冷凝器中的傳熱溫差下降，由于傳熱溫差減小還可使塔頂冷卻劑溫度提高，塔釜的加熱溫度下降。改進(jìn)熱的利用主要包括增強(qiáng)傳熱面積、采用空氣冷卻器或蒸發(fā)冷卻器和利用塔釜余熱三種方式。增強(qiáng)傳熱面積有以下兩種類型：①多孔相變化傳熱面積：包括微孔沸騰表面及特殊處理的冷凝表面，均可使沸騰或冷凝給熱系數(shù)比光管提高10~30倍；②擴(kuò)散傳熱面積：包括翅片管或開槽溝擴(kuò)大傳熱面積，可以是傳熱系數(shù)提高不少。采用空氣冷卻器或蒸發(fā)冷卻器代替水冷卻器可以避免結(jié)垢，水電綜合消耗也較低，而且節(jié)省用水。蒸發(fā)冷卻器可比空冷器冷卻更低溫度，由于推動(dòng)是外界濕球溫度，而且傳熱系數(shù)比干式空冷器更高，當(dāng)工藝流股入口溫度比夏日干球溫度高28℃以上，而且出口溫度至少高于外界干球溫度110℃以上時(shí)，采用空氣冷卻器是經(jīng)濟(jì)的。如果塔釜液是無(wú)關(guān)重要的廢液，則可以把它的顯熱變成潛熱加以利用[3]。方法是：使塔釜液先進(jìn)入減壓罐，在真空作用下閃蒸成蒸汽，然后通過(guò)中壓蒸汽驅(qū)動(dòng)的蒸汽噴射泵將此部分蒸汽升壓，用于其他用戶。改變塔的進(jìn)料板位置若進(jìn)塔的物料成分與加料板的成分差別較大，則應(yīng)更換進(jìn)料位置(一般塔都有幾個(gè)進(jìn)料口可供調(diào)節(jié))。在保持產(chǎn)品同一質(zhì)量品質(zhì)的前提下，進(jìn)料中重組分增加，可降低進(jìn)料口位置，減小提餾段可降低塔釜加熱熱量。如果被分離的物料來(lái)源不同，各組分的含量差異較大，可將各種物料混合后進(jìn)行單塔處理或一塔多股進(jìn)料。實(shí)際證實(shí)多股進(jìn)料完成相同的分離任務(wù)，能耗較低。這是因?yàn)榛旌线^(guò)程是增熵的過(guò)程，各組分不同的幾段進(jìn)料的混合，增加了過(guò)程的不可逆性，必須增加精餾過(guò)程的能耗。新型塔板和高效填料塔板和填料是精餾塔最為重要的傳質(zhì)內(nèi)件，新型塔板和高效填料具有效率高、壓降低的優(yōu)點(diǎn)。如采用傘形氣帽、浮動(dòng)篩板、新垂直篩板及穿流式浮板等新型塔板，可以降低精餾塔的操作壓力，使被分離物系各組分間的相對(duì)揮發(fā)度增大，有利于提高分離效率和降低能耗。填料性能主要取決于填料表面的濕潤(rùn)程度和氣液兩相流體分布的均勻程度。目前的高效填料有：新型高效規(guī)整填料；新型高效散堆填料；階梯環(huán)填料；金屬環(huán)矩鞍填料等。新型高效填料在精餾塔器中的應(yīng)用，均可以達(dá)到擴(kuò)產(chǎn)、節(jié)能、降耗的效果[4]。3特殊精餾工藝節(jié)能熱泵精餾熱泵精餾就是靠補(bǔ)償或消耗機(jī)械功，把精餾塔塔頂?shù)蜏靥幍臒崃總鬟f到塔釜高溫處，使塔頂?shù)蜏卣羝米魉自俜衅鞯臒嵩?。根?jù)熱泵所消耗的外界能量不同，熱泵精餾可分為蒸汽加壓方式和吸收式兩種類型。蒸汽加壓方式熱泵精餾分蒸汽壓縮機(jī)方式和蒸汽噴射式兩種。蒸汽壓縮機(jī)方式考慮到冷凝和再沸器熱負(fù)荷的平衡以及便于控制，在流程中往往設(shè)有附加冷卻器和加熱器。按照流程的不同，蒸汽壓縮機(jī)方式又可分為間接式、塔頂氣體直接壓縮式、分割式和塔釜液體閃蒸再沸式等4種流程。其中間接式熱泵精餾流程利用單獨(dú)封閉循環(huán)的工質(zhì)（制冷劑）工作，塔頂氣體直接壓縮式是以塔頂氣體作為工質(zhì)的熱泵；分割式熱泵精餾流程分為上下兩塔：上塔類似于常規(guī)熱泵精餾，只不過(guò)多了一個(gè)進(jìn)料口；而下塔類似于常規(guī)精餾的提餾段即蒸出塔（或汽提塔），進(jìn)料來(lái)自上塔的釜液，蒸汽出料則進(jìn)入上塔塔底；閃蒸再沸是熱泵的一種變型，它直接以塔釜出料為冷劑，經(jīng)節(jié)流后送至塔頂換熱，吸收熱量蒸發(fā)為氣體，再經(jīng)壓縮升壓升溫后，返回塔釜。蒸汽壓縮機(jī)方式適用于下述系統(tǒng)：塔頂和塔底溫差較小的場(chǎng)合，只要塔頂和塔底溫差小于36度，就可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效果。被分離物質(zhì)的沸點(diǎn)接近，分離困難，回流比高，因此需要大量蒸氣的場(chǎng)合；在低壓運(yùn)行時(shí)必須采用冷凍劑進(jìn)行冷凝，為了使用冷卻水或空氣作冷凝介質(zhì)，必須在較高塔壓下分離某些易揮發(fā)性物質(zhì)的場(chǎng)合。蒸汽噴射式熱泵是提高低壓蒸汽壓力的專門設(shè)備，其原理是借助高壓蒸汽（驅(qū)動(dòng)蒸汽）噴射產(chǎn)生的高速汽流,將低壓蒸汽的壓力和溫度提高，而高壓蒸汽的壓力和溫度降低。低壓蒸汽的壓力和溫度提高到工藝能使用的指標(biāo)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。采用蒸汽噴射泵方式的熱泵精餾具有如下優(yōu)點(diǎn)：新增設(shè)備只有蒸汽噴射泵，設(shè)備費(fèi)低。蒸汽噴射泵沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，容易維修，而且維修費(fèi)低，吸入蒸氣量偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)發(fā)生喘振和阻流現(xiàn)象。這點(diǎn)與蒸汽壓縮機(jī)相同，但由于沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，就沒(méi)有設(shè)備損壞的危險(xiǎn)。蒸汽吸收式熱泵精餾由吸收器、再生器、冷卻器和再沸器等設(shè)備組成，常用溴化鋰水溶液或氯化鈣水溶液為工質(zhì)。精餾塔的冷凝器也是熱泵的再沸器。吸收式熱泵按照機(jī)內(nèi)循環(huán)方向的不同可分為：冷凝器壓力大于蒸發(fā)器壓力的第一類吸收式熱泵（Ⅰ型）和蒸發(fā)器壓力高于冷凝器壓力的第二類吸收式熱泵（Ⅱ型）。第一類吸收式熱泵需要高溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)，但不需要外界冷卻水，熱量能得到充分利用，主要應(yīng)用于產(chǎn)生熱水；第二類吸收式熱泵可利用低品位熱能直接驅(qū)動(dòng)，以低溫?zé)嵩磁c冷卻水之間的溫差為推動(dòng)力，可產(chǎn)生低壓蒸汽[5][6]。熱偶精餾熱偶精餾主要用于三組份混合物分離或?qū)⒒旌衔锓譃槿N產(chǎn)物，可分為以下幾種形式：側(cè)線蒸餾塔，由主塔和側(cè)線蒸餾塔組成；側(cè)線提餾塔，由主塔和側(cè)線提餾塔組成；完全熱偶精餾，由主塔和預(yù)分餾塔構(gòu)成，預(yù)分塔的作用是將混合物進(jìn)行初步分離,輕關(guān)鍵組份全部由塔頂分出，重關(guān)鍵組份完全由塔釜采出，中間組份在塔頂、塔底之間分配，主塔的作用則是對(duì)預(yù)分塔塔頂和塔底的物料進(jìn)一步分離，得到符合要求的產(chǎn)物；立式隔板塔，在塔內(nèi)部采用立式隔板將塔從中間隔開分成兩部分，這一結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上可認(rèn)為是將petlyuk蒸餾塔的主塔和預(yù)分塔組合于同一塔內(nèi)。對(duì)于某給定的物料，隔板塔精餾和常規(guī)精餾流程相比需更小的回流比，增大了操作容量，節(jié)能最高可達(dá)到60%以上，可省設(shè)備投資30%。隔板塔精餾塔能廣泛地應(yīng)用于石油精制、石油化工、化學(xué)品及氣體精制。熱偶精餾塔節(jié)能的主要原因有兩點(diǎn)：熱偶精餾塔較好地解決了中間組分在塔內(nèi)的再混合問(wèn)題。熱偶精餾預(yù)分塔進(jìn)入主塔的物料，其組成能夠較好地和主塔進(jìn)料板上的組成相匹配，符合最佳進(jìn)料板的要求。熱偶精餾流程并不適用于所有化工分離過(guò)程，它的應(yīng)用有一定的限制，這是因?yàn)殡m然此類塔從熱力學(xué)角度來(lái)看具有最理想的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但它主要是通過(guò)對(duì)輸入精餾塔的熱量的重復(fù)利用而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)再沸器所提供的熱量非常大或冷凝器需將物料冷至很低溫度時(shí)，此工藝會(huì)受到很大限制。此外，熱偶精餾流程對(duì)所分離物系的純度、進(jìn)料組成、相對(duì)揮發(fā)度及塔的操作壓力都有一定的要求。（1）產(chǎn)品純度：熱偶精餾流程所采出的中間產(chǎn)品的純度比一般精餾塔側(cè)線出料達(dá)到的純度更大，因此，當(dāng)希望得到高純度的中間產(chǎn)品時(shí)，可考慮使用熱偶精餾流程。如果對(duì)中間產(chǎn)品的純度要求不高，則直接使用一般精餾塔側(cè)線采出即可。（2）進(jìn)料組成：若分離A、B和C三個(gè)組分，且相對(duì)揮發(fā)度依次遞增時(shí)，采用該類塔型時(shí)，進(jìn)料混合物中組分B的量應(yīng)最多，而組分A和C在量上應(yīng)相當(dāng)。（3）相對(duì)揮發(fā)度：當(dāng)組分B是進(jìn)料中的主要組分時(shí)，只有當(dāng)組分A的相對(duì)揮發(fā)度和組分B的相對(duì)揮發(fā)度的比值與組分B的相對(duì)揮發(fā)度和組分C的相對(duì)揮發(fā)度的比值相當(dāng)時(shí)，采用熱偶精餾具有的節(jié)能優(yōu)勢(shì)最明顯。如果組分A和組分B（與組分B和組分C相比）非常容易分離時(shí)，從節(jié)能角度來(lái)看就不如使用常規(guī)的兩塔流程了。（4）塔的操作壓力：整個(gè)分離過(guò)程的壓力不能改變。當(dāng)需要改變壓力時(shí)，則只能使用常規(guī)的雙塔流程[7]。多效精餾多效精餾是以多塔代替單塔，各塔的能量品位級(jí)別不同，品位較高的塔排出的能量用于品位較低的塔，從而達(dá)到節(jié)能的目的。多效精餾的工藝流程根據(jù)加熱蒸汽和物料的流向不同，可分為平流、順流和逆流三種；按效數(shù)可分為兩效（雙效）、三效、四效等，最常見的是兩效（雙效）。雙效精餾是把原來(lái)的一個(gè)精餾塔分成兩個(gè)分別在不同壓力操作下的塔，通過(guò)兩效之間的壓力不同，使前一效的冷凝器與后一效的再沸器相匹配。與普通精餾塔精餾相比，雙效精餾可以充分利用冷熱劑固有溫差，減少傳熱的不可逆性，減少公用工程消耗，但同時(shí)增加了設(shè)備費(fèi)用。雙效精餾的4種基本類型：(1)平流型：原料被分成大致均勻的兩股分別送入高、低壓兩塔中，其中以高壓塔塔頂蒸汽向低壓塔塔釜提供熱量，兩塔均從塔頂、塔釜采出產(chǎn)品。(2)順流型LGH型：流程從高壓塔進(jìn)料，高壓塔塔頂產(chǎn)品作為低壓塔進(jìn)料，兩