精馏过程的节能研究

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系院：生物与化学工程学院

班级：091612

专业：化学工程与工艺

姓名：***

学号：*********

指导教师：***

精馏过程的节能研究

摘要：精馏过程的节能，对于减少能源消耗，降低生产成本和保护环境具有十分重要的意义。本文从最佳回流比R的选择、进料温度及进料状态的确定以及多效精馏等方面，详细的分析了在精馏塔的设计中，如何实现设计的优化问题，从而实现节能。

关键词：精馏过程节能技术

引言

分离工程所需最小功时，其过程是一个可逆过程。要提高热力学效率只能采取措施尽可能地减少分离过程的净功消耗，使过程尽量接近可逆过程。

精馏是化工企业生产应用最广泛的分离方法，由于其过程根本原因使之存在绝对的热力学不可逆性，所以它是耗能较大的一种化工单元操作，据估计，化工过程中40%~70%的能耗用于分离，而精馏能耗又占其中的95%。因此随着世界能源的日益短缺，有关精馏过程的节能措施一直是人们普遍关注的问题。多年来，人们已尝试并采用很多种方法应用于精馏过程进行节能降耗，按照流程是否改变及是否利用过程技术可以将其分为两类：1）利用过程技术对精馏塔的操作条件进行优化，以减少精馏塔所消耗的能量，如：增加塔板数、减小回流比、增设中间再沸器和中间冷凝器等；2）开发了许多高效节能的特殊精馏工艺流程，如热泵精馏、多效精馏、SRV精馏等。

一、精馏过程的节能

（一）在最适宜回流比下操作

回流比直接影响再沸器和冷凝器的热负荷，决定精馏分离的净功耗，因此大体上确定了操作费用，同时还与塔设备的投资密切相关。在最小回流比R min附近，随着R的增长，操作线与平衡线间的距离增长，达到规定分离要求所需的塔板数减少，使得设备费用下降。如果进一步增加回流比，在塔板数减少的同时，塔中蒸汽流率和换热器负荷的增大，造成塔径、再沸器和冷凝器传热面积增大，从而使设备费用增加。因此，应当根据总费用最小原则来选取适宜回流比R opt。由于总费用在适宜回流比附近变化不大，可取R=（1.2~1.3）R min，这样做总费用仅增加2%~6%，但操作弹性却增大了许多。

（二）采用最佳进料热状态

进料状态（用加料状态参数q表示）的不同，降造成塔中精馏段和提馏段气液相流率的变化，从而影响R，以及达到规定分离要求所需的理论板数和再沸器和冷凝器的热负荷。加料浓度的不同，即D/F的不同，料液预热的效果也不同。高温精馏，当D/F 较大又有适用于加热料液的低温热源时，应尽量采用较低的q值，即以汽相和汽液混合物进料；当D/F较小时，应尽量采用较高的q值，即以液相进料，因为省去料液预热后，塔釜加热量增加甚少。低温精馏时，无论D/F多大，均宜采用较高的q值而以液相进料，因为此时塔顶的冷凝热负荷越小越经济。对于中等温度范围内的精馏操作，即塔釜温度高于大气温度，而塔顶温度低于大气温度，应根据具体情况，确定最佳的进料状态。

（三）直接利用精馏设备中移除的热量

精馏塔顶的镏出液和塔釜残液均具有较高的温度，可以利用这些热量来预热进塔料或其他物料，通过减压使较高温度的釜液闪蒸产生低压蒸汽。对于塔顶是多组分产品且其泡点和露点有明显显著差别时，可以采用两级冷凝，回收高温位的热能。

（四）采用热泵精馏等措施

1.采用热泵精馏

将温度较低的塔顶蒸气经压缩后作为塔底再沸器的热源，称为热泵精馏。对于组分沸点相差较小的低温精馏系统，热泵精馏是一种有效提高热力学效率的方法。热泵精馏有３种典型流程，１）利用外加的工作流体进行操作；２）对塔顶蒸气进行直接压缩，升温后作为塔釜加热剂；３）将釜液进行节流闪蒸后作为塔顶的冷却介质，该介质则受热气化，自身再经压缩升温后回人塔底。在选用热泵精馏使应该注意：1）精馏塔应尽可能地避免压力变动，以防止效率下降，但对于存在加压设备的控制问题，困难很多。2）塔顶和塔底的温差是精馏分离的推动力，而且由于塔板压力损失也加剧了塔釜温度的上升，所以，把塔顶蒸汽加压升温到塔釜热源的水平所需要的能量很大。

2.采用中间冷凝器和中间再沸器

在精馏塔内，温度自塔顶向塔底逐渐升高，如果在塔中部设置中间冷凝器，就可以采用高温度的冷却剂，这意味着可以利用较廉价的冷源，节省有效能。如果在塔的中部设置中间再沸器，对于高温塔，则可以采用较低温度的加热剂。对于二元精馏塔，中间冷凝器和中间再沸器的使用，使操作线向平衡线靠拢，提高了塔内分离过程的可逆程度。当然设置中间冷凝器和中间再沸器是有前提的，设置中间再沸器的前提是有不同温度的热源供给；设置中间冷凝器的前提是中间回收的热能是有合适的用途，或者是可以用冷却水作为冷却剂，以减少塔顶冷凝器所需制冷量负荷。

3.采用多效精馏

为降低能耗，加热剂最高温度略高于塔底温度，冷却温度略低于塔顶温度。而实际情况是，最方便价廉的冷却剂是水或空气，最常用的加热剂是水蒸气。但是，这些热剂或冷剂很难符合上述要求，所以精馏塔经常无为地多消耗了不少有效能。为此可以采用多效精馏，只要精馏塔塔底和塔顶温度之差比实际可用的加热剂和冷却剂间的温差小很

多，就可以考虑采用多效精馏，多效精馏通常可以大幅降低能耗。多效精馏可分为并流、逆流、混流等工艺流程。

多效精馏的基本方式如图：

采用两效或者多效精馏是充分利用能级的一种方法，不论采用哪种方式，其精馏所需的热量与单塔相比，都可以减少30%~40%。

4.采用SRV精馏

SRV精馏（Distillation With Secondary Reflux and Vaporization）是具有附加回流和蒸发的精馏过程的简称，它是综合了中间再沸器、中间冷凝器和热泵精馏技术发展而成的。它的基本原理是将精馏段与提馏段分开，使精馏段的压力高于提镏段精馏段相应位置的温度也高于提馏段，利用精馏段和提馏段之间的温差来进行热交换，把回收的热量用于过程本身，且减少了塔顶冷凝器与塔釜再沸器的热负荷，从而提高了热力学效率。据统计，SRV精馏与常规精馏相比可以节约能耗50%~70%。但是由于设备比较复杂，投资较大，操作控制也较为困难，又一方面其节能潜力大，随着工业技术发展和能源问题的重视，SRV精馏亦将日益受到人们关注。

SRV精馏示意图：