精馏过程的节能降耗

炼油、石化生产过程中大量存在的分离、换热和反应工序,节能潜力巨大。能源是社会发展和进步的重要物质基础。我国的能源储量以及一次能源的开发和消费量居世界前列,而能源的总利用率则远低于欧美和日本。化学工业是个耗能大户,能耗量约占全国能源总消费的9%-10%,占工业用能的13%-15%,因此,化工节能对缓解我国能源的供需矛盾影响很大。在当前世界性的能源危机面前,化学工业必须首先关注节能降耗和节能新技术的研究应用。本文就我国化学工业中最普通也是能耗较多的分离过程这一领域中的一些节能现状作一粗略介绍。

一精馏过程的节能降耗

精馏技术是化工领域中最为成熟，应用最为广泛且必不可少的单元操作，同时也是工业过程中能耗和设备投资高的设备，在炼油、石化等行业中，其能耗占全过程总能耗的一半以上。因此对精馏过程节能技术的研究具有极其重要的意义。国内外已开发并应用了一些节能型耦合精馏塔，如反应精馏塔（Reactive Distillation Column）、热耦合精馏塔（Petlyuk Column）、隔板精馏塔（Dividi Wall Column，简称DWC）等。

精馏过程的节能主要有以下几种基本方式:提高塔的分离效率,降低能耗和提高产品回收率;采用多效精馏技术;采用热泵技术等。

1.1板式塔

1.1.1高效导向筛板

高效导向筛板具有生产能力大、塔板效率高、塔压降低、结构简单、造价低廉、维修方便的特点,目前已广泛应用于化学工业、石油化工、精细化工、轻工化工、医药工业、香料工业、原子能工业等。

1.1.2板填复合塔板

板填复合塔板充分利用板式塔中塔板间距的空隙,设置高效填料,以降低雾沫夹带,提高

气体在塔内的流速和塔的生产能力。同时气液在高效填料表面再次传质,进一步提高了塔板效率。由于负荷下限未变而上限大幅度提高,因此塔的操作弹性也大为提高。板填复合塔板已在石化、化工中的甲苯、氯乙烯等多种物系中得到成功应用。

1.1.3复杂精馏塔

传统的精馏塔及其精馏序列已不适应当前过程集成、设备集成的发展趋势。武吴宇【1】等进行了复杂精馏塔的研究,与传统精馏塔的一股进料二股产品的精馏塔比较,能够产生相当大的能量消耗及成本上的节约。复杂塔还适合更新设计,因为它经常可以通过对现有塔进行微小的改动来实行。在所有可能的多组分精馏过程新方案中,热偶精馏在能量和投资费用的节约上都非常有前途。他们采用Underwood方程和Vmin分析了多组分热偶精馏的最小能耗;主要探讨了用详细的塔模型来进行多组分热偶精馏塔的设计,所建立的塔模型既能够描述传统塔又可以描述热偶精馏塔,并允许不同的选择结构互相比较:提出了以能量消耗最小为目标的,多组分混合物分离的热偶精馏序列的整体优化方法。他们以四组分烷烃混合物的分离为例,根据详细的热偶精馏塔数学模型,计算了热偶精馏的能耗、年总费用,并比较了各种热偶方案的节能效果。以能量消耗最小为目标,对两种热偶精馏序列进行了整体优化。

1.2填料塔

填料是填料塔最重要的传质内件,其性能主要取决于填料表面的湿润程度和气液两相流体分布的均匀程度。

1.2.1新型高效规整填料

高效导向筛板是北京化工大学科研人员在对包括筛板塔板在内的各种塔板进行深入研究、综合比较的基础上,结合塔板上流体力学、传质学的研究结果。

新型高效规整填料主要包括金属板波纹填料和金属丝网波纹填料两大类,在将其进行物理的和化学的方法处理后,填料的分离效率大为提高。主要优点有:(1)理论塔板数高,通量大,压力降低;(2)低负荷性能好,理论板数随气体负荷的降低而增加,没有低负荷极限;(3)放大效应不明显;(4)适用于减压精馏,能够满足精密、大型、高真空精馏装置的要求,为难分离物系、热敏性物系及高纯度产品的精馏分离提供了有利的条件。

1.2.2新型高效散堆填料

(1)金属鲍尔环填料,它采用金属薄板冲轧制成,由于在环壁上开了许多窗孔,使得填料层

内的气、液分布情况及传质性能比拉西环有较大的改善。(2)金属阶梯环填料,这种填料降低

了环的高度,并在环的2个侧端增加了锥形翻边,使其性能较鲍尔环填料有了较大的进步。在同样液体喷淋密度下,其泛点气速较鲍尔环提高了10%～20%;在同样气速下,压力降较鲍尔

环低30%～40%。(3)金属环矩鞍填料,国内简称为英特洛克斯填料。这种填料巧妙地把环形和鞍形两类填料的特点综合成为一体,使它既有环形填料通量大的特点,又有鞍形填料液体分布性能好的特点,从而成为当前散堆填料中的佼佼者【2】。

(1)高效导向筛板在甲醇精馏过程中一般可以达到扩产50%～100%,并可提高分离效率,降低塔压降，可用于降低废水中污染物的产生量。

(2)新型高效填料具有通量大、效率高、压降小的特点,在精馏过程技改中可以达到大规模扩产节能、降耗的效果，可用于降低废气中污染物的产生量。

(3)高效导向筛板与新型高效填料已是成熟技术,在化工及甲醇精馏过程中得到了广泛应用,并取得了巨大的经济效益。

高效导向筛板与新型高效填料【12】在化工技改中占有重要的位置,一般可以很容易地达到大幅度扩产、节能、降耗的效果,在甲醇精馏及合成氨技术改造中,已经发挥了巨大的作用。

1.2.3三塔精馏

分别为预精馏塔、加压精馏塔和常压精馏塔。在预精馏塔中除去溶解性气体及低沸点杂质,在加压塔和常压塔中除去水及高沸点杂质,从而制得合格的精甲醇产品。

在三塔精馏中通过应用高效丝网波纹规整填料并配套使用新型气液分布器、蒸发式冷凝器等,基本实现清洁生产“节能、降耗、减污、增效”的目的,符合循环经济“低消耗、低排放、高效率”的基本特征,在节约能源的同时,实现了装置生产污水零排放。（11）

1.3提高热的利用率

首先,增强再沸器和冷凝器中的传热面积可使传热温差下降。增强传热表面有两大类型:(1)多孔相变化传热面:包括微孔沸腾表面及特殊处理的冷疑表面,均可使沸腾或冷凝给热系数较之光管提高10～30倍;(2)扩展的传热面:包括翅片管或开槽沟扩大传热面,可以使传热系数提高不少。其次,采用空气冷却器或蒸发冷却器代替水冷凝器可以避免积垢,水电综合能耗也较低,而且节省用水。再次,如果塔釜液是无关重要的废液,则可以把它的显热变成潜热加以利用。另外,采用低品位热能也是节能的有效方法【3】。

1.4超声波技术【13】

抚顺石油化工研究院已将超声技术成功应用于秸秆燃料乙醇生产时的稀乙醇提浓工艺开发中,替代了传统的精馏—共沸精馏或者精馏—分子筛脱水的工艺。由于纤维路线乙醇的发酵液中乙醇浓度很低(通常低于10%),因此,乙醇的精馏工段成为燃料乙醇生产最大的能耗所在,开发节能型的乙醇提浓工艺非常重要。抚研院已建设了一套乙醇超声提浓装置,在室温,常压和超声频率1.8MHz条件,通过两级超声提浓,可将乙醇浓度从10%提高至45%。日本超声酿酒(Ultra2soundBrewery)公司认为采用超声技术可比精馏法节省能源10%以上。

1.5近年来，国外对隔板精馏技术【14】的研究和应用都十分重视，特别是在三组分混合物分离的工业化应用方面已相当成功，例如合成氨联产甲醇技术中，联醇生产中主要采用两塔精馏流程，两塔分别脱除轻组分杂质和重组分杂质。该流程采用隔板精馏技术同样可以达到分离要求。此外，DWC还有可能应用在以下领域：空气分离流程、直接法合成苯基氯硅烷生产流程等等。而我国在此领域尚处于起步阶段，加快此项技术的开发和工业化应用步伐，并且拥有独立的知识产权，对降低工业生产的能源消耗，推动我国石油和化工行业的发展具有重要意义。德国拜耳（Bayer）公司在隔板精馏技术领域一直处于世界领先地位。拜耳技术服务有限公司（Bayer Technology Service，简称BTS）建立并运行了一套隔板精馏塔实验室装置。

反应隔板精馏【14】（Reactive DiviColumn，RDWC）技术的研究与应用。Mueller提出反应隔板精馏的概念，将反应精馏过程与隔板精馏耦合2在一起。并完成了碳酸二甲酯（DMC）与乙醇酯交换生成碳酸二乙酯（DEC）的反应与分离的过程模拟，高纯度的产品DEC从塔底采出，副产物和未反应的乙醇侧线出料，塔顶为含有甲醇和DMC二元共沸物的流股；研