化工节能及过程热集成

1、1精馏过程是一个不可逆过程，火用损失由下列不可逆引起：(1)流体流动阻力造成的压力降（压差）；(2)不同温度物流间的传热或不同温度物流的混合（温度差）；(3)相浓度不平衡物流间的传质或不同浓度物流的混合（浓度差或化学势差）00/lev P TTnv p TT 0()/()HLHLHLDEEQT TTT T 以板式塔为例，从下面上升进入某块板的汽相温度比上面板上流下来的液相温度要高些，而易挥发组分的含量则低于与下降液相浓度相平衡的浓度，两股物料在温度和组成上均不平衡。在塔板上发生的热量和质量传递均是不可逆的，必然造成火用的损失，这是精馏塔内部火用损失的主要部分。 这主要是由于化学位有差异而导致传

2、质过程从而有效能损失。如图所示，在图中平衡线和操作线之间所夹面积表明了塔内传热传质的不可逆程度。因此，操作线越靠近平衡线，精馏过程不可逆损失越小，所需能量也越少，但理论板数会增加，设备投资增大。降低火用损：降低火用损：减小不可逆性，降低推动力减小不可逆性，降低推动力 （压差、温差和浓度差）（压差、温差和浓度差）精馏：精馏：需要推动力需要推动力适当推动力适当推动力精馏塔的热量衡算QS: 再沸器的加热量；QF: 料液带进的热量；QD: 塔顶产品带出的热量；QC: 塔顶冷凝器的冷却量；QW: 塔底产品带出的热量；WCDFSQQQQQ（1）预热进料）预热进料以较低温位的热能 代替再沸器要求的 高温位热

3、能（2） 塔釜液余热的利用塔釜液余热的利用塔釜液的显热变为潜热来利用塔釜排出液废液排出蒸汽驱动蒸汽吸入蒸汽减压罐（3） 塔顶蒸汽余热的回收利用塔顶蒸汽余热的回收利用直接热利用：产生低压蒸汽余热制冷：采用吸收式制冷装置产生冷量余热发电：用塔顶余热产生低压蒸汽驱动透平发电。泵No.1给水加热器 （水）47No.1给水加热器对二甲苯深冷分离工序对二甲苯吸附分离工序凝水泵（蒸汽）169000蒸馏塔蒸发器（排水）116（二甲苯蒸汽）50000476蒸汽透平二甲苯液体）20000142受槽发电机补充水凝汽6600G76DLR/（4） 减小回流比减小回流比回流比减少，操作线上移靠近平衡线，火用损失小；因而热

4、负荷小，但塔板数N,即设备费用加大；回流比增加，能耗上升，塔板数减少；在最小回流比下，过程仍存在不可逆性。最优回流比反应了设备费和操作费用的最佳权衡。最优设计回流比为最小回流比的 1.2 2 倍；最佳回流比与能源价格的关系 对于已定的精馏塔和分离物系，R与产品纯度密切相关。为了确保得到纯度合格的产品，设计时都有一定的回流余量。余量越大，能耗越高。对于回流余量较大的精馏塔，在不降低产品质量等级的情况下，只要降低R，即可降低塔底再沸器的能耗。例如，某炼油厂的铂重整车间，维持产品质量不变，调低6座精馏塔系的R，取得了显著的节能效果。 表一表一 调低回流比的节能效果调低回流比的节能效果精馏塔精馏塔 调

5、整前调整前 调整后调整后回流比回流比R 能耗能耗(KJ/h) 回流比回流比R 能耗能耗(KJ/h) 节能效果节能效果%水分馏塔水分馏塔 2.0 485.7 1.0 242.8 50苯塔苯塔 8.2 352.1 6.2 85.8 76甲苯塔甲苯塔 3.1 364.7 2.0 129.8 65邻二甲苯塔邻二甲苯塔 52.5 561.0 38 154.9 72乙基苯塔乙基苯塔 120.0 1189.8 90.0 297.3 73预分馏塔预分馏塔 4.7 752.8 1.2 560.2 26（1）增设中间再沸器和中间冷凝器）增设中间再沸器和中间冷凝器典型精馏塔的塔顶温度典型精馏塔的塔顶温度TC与塔釜温

6、度与塔釜温度TR相差很大，火用损相差很大，火用损也就大，所以热力学效率就不高。也就大，所以热力学效率就不高。在热负荷在热负荷Q不变的情况下，如果能把一部分负荷分配到塔的不变的情况下，如果能把一部分负荷分配到塔的中间，中间，也就是用中间再沸器将部分塔釜热量移到中部，或用也就是用中间再沸器将部分塔釜热量移到中部，或用中间冷凝器将一部分冷凝负荷从塔顶移到中部，则不但可以中间冷凝器将一部分冷凝负荷从塔顶移到中部，则不但可以减少不可逆损失，而且可以利用较低温度的热源加热和减少不可逆损失，而且可以利用较低温度的热源加热和/或或用较高温度的冷却剂（如循环水）冷凝。用较高温度的冷却剂（如循环水）冷凝。从过程原

7、理来看，进料板以下设置中间再沸器，进料板以上从过程原理来看，进料板以下设置中间再沸器，进料板以上设置中间冷凝器（见下页图），则可以使操作线接近平衡曲设置中间冷凝器（见下页图），则可以使操作线接近平衡曲线，使塔两端的回流减少，仅在两个中间换热器之间区域保线，使塔两端的回流减少，仅在两个中间换热器之间区域保持原有回流量。持原有回流量。回流量减少又要保持同样分离程度就需要增加塔板数。回流量减少又要保持同样分离程度就需要增加塔板数。例如，例如，80年代设计的原油常压分馏塔塔板多取年代设计的原油常压分馏塔塔板多取50块左右，比块左右，比60年代的年代的40块增加了块增加了1/4，就是这个道理。，就是这个

8、道理。二级冷凝、二级再沸流程第二蒸馏釜蒸馏釜冷凝器第二冷凝器二级冷凝二级再沸 图增设中间再沸器的条件：有不同温度的热源供用；增设中间冷凝器的条件：中间回收的热能有适当的用户，或者可以用冷却水冷却，减少制冷剂负荷；如果使用同样热源，则没有节能效果，还浪费投资。设计优点：塔两端气液流量减少，可以缩小相应段塔径。（2）多段进料和侧线出料）多段进料和侧线出料两种或多种成分相同但浓度不同的料液进行分离：两 塔 式进 料 液 混 合 一 塔 式二 段 进 料 一 塔 式两段进料的复杂塔计算可分为三段：精馏段、中间段和提馏段多段进料操作线接近平衡线，不可逆损失降低降低，因而能耗降低当需要组成不同的两种或多种

9、产品时，可在塔内安装侧线，抽出产品；抽出产品可为塔板上的泡点液体或饱和蒸汽。侧线出料精馏塔液体出料操作线蒸汽出料操作线存在问题：最适宜侧线采出量受外部变化影响，一般保持侧线采出量一定。操作变量没有增加，故只能对几个组分中的一个组分进行质量控制；操作灵活性小，故必须严密地设定设计条件。（3）多效精馏）多效精馏 将多组分混合物的分离安排在一系列压力依次递减的精馏塔中去完成，高压塔塔顶产品冷凝汽化潜热被用来对较低压力的塔提馏再沸能量。并流逆流平流压力组合方式： 加压-常压、加压-减压、常压-减压、减压-减压SFW低 压 塔高 压 塔W2W1DSFWD低 压 塔高 压 塔D1WW =W1+W2D=D1

10、+D2(a)并 流 型（ 低 沸 点 成 分 高 沸 点 成 分 ） (b)并 流 型（ 低 沸 点 成 分 高 沸 点 成 分 ）SDW低 压 塔高 压 塔WD2D=D1+D2(c)逆 流 型（ 低 沸 点 成 分 高 沸 点 成 分 ）D2SW低 压 塔高 压 塔FF1F2D1W2W1F=F1+F2;D=D1+D2;W =W1+W2(d)平 流 型（ 低 沸 点 成 分 高 沸 点 成 分 ）SFW低 压 塔高 压 塔W2W1DSFWD低 压 塔高 压 塔D1WW =W1+W2D=D1+D2(a)并 流 型（ 低 沸 点 成 分 高 沸 点 成 分 ） (b)并 流 型（ 低 沸 点 成

11、分 高 沸 点 成 分 ）SDW低 压 塔高 压 塔WD2D=D1+D2(c)逆 流 型（ 低 沸 点 成 分 高 沸 点 成 分 ）D2SW低 压 塔高 压 塔FF1F2D1W2W1F=F1+F2;D=D1+D2;W =W1+W2(d)平 流 型（ 低 沸 点 成 分 高 沸 点 成 分 ）不论采用哪种多效方式，其两效精馏操作所需热量与单塔不论采用哪种多效方式，其两效精馏操作所需热量与单塔精馏相比较，精馏相比较，可减少可减少30%40%。存在问题存在问题； 1、效数受投资的限制、效数受投资的限制 2、效数受操作条件的限制、效数受操作条件的限制 因此，除了发酵醪液制乙醇有五效精馏外，日本联氨因

12、此，除了发酵醪液制乙醇有五效精馏外，日本联氨食盐食盐水体系脱水精馏采用三效外，一般为水体系脱水精馏采用三效外，一般为2效效。（4）热泵精馏）热泵精馏热泵：把冷凝器的热“泵送”到再沸器里去的制冷系统。(1).依据热力学第二定律，给系统加入一定的机械功，塔顶蒸汽加压升温，作为再沸热源。因为回收的潜热用于过程本身，又省去了塔顶冷凝器、冷却水和塔釜加热蒸汽，故可使精馏的能耗明显减少。(2).把塔顶蒸汽加压升温到塔底热源的水平，所需能量很大。因此，目前热泵精馏只适用于沸点相近的组分的分离，其塔底和塔顶温差不大。适用于沸点相近组分的分离，其塔底和塔顶温差不大的场合。(3).两种方式：蒸汽压缩机方式和蒸汽喷

13、射泵方式。适用范围： 塔顶和塔底温度接近 被分离物质沸点接近，分离困难，回流比高，需大量加热蒸汽的场合。在低压运行时，必须采用冷冻剂进行冷凝，为了使用冷却水或空气冷却，必须在较高塔压下分离某些易挥发物质的场合。 考虑到冷凝和再沸器负荷的平衡及便于控制，在流程中往往没考虑到冷凝和再沸器负荷的平衡及便于控制，在流程中往往没有附加冷却器或加热器。有附加冷却器或加热器。又分为三种形式：气体直接压缩式又分为三种形式：气体直接压缩式、单独工质循环式和闪蒸再沸流程、单独工质循环式和闪蒸再沸流程 膨胀阀压缩机塔顶气体经压缩升温升塔顶气体经压缩升温升压后进入塔底再沸器，压后进入塔底再沸器，冷凝给热使釜液再沸，冷

14、凝给热使釜液再沸，冷凝液经节流阀减压后冷凝液经节流阀减压后一部分作为产品采出，一部分作为产品采出，另一部分作为回流。另一部分作为回流。气体直接压缩式：气体直接压缩式： 单独工质循环式：单独工质循环式： 膨胀阀压缩机进 料塔 顶 产 物塔 底 产 物高压气态工质在再沸器中冷高压气态工质在再沸器中冷凝给热后经节流阀减压降温凝给热后经节流阀减压降温，入塔顶冷凝器中吸热蒸发，入塔顶冷凝器中吸热蒸发，形成低压气态工质返回压，形成低压气态工质返回压缩机压缩，开始新的循环。缩机压缩，开始新的循环。闪蒸再沸闪蒸再沸以釜掖为工质以釜掖为工质 ；在塔压高时有利；在塔压高时有利 蒸汽喷射泵方式优点：(1). 新增的设备只有蒸汽喷射泵，设备费低(2). 蒸汽泵射泵没有转动部件，容易维修(3). 发生喘振和阻流现象，但没有设备损坏的危险适用场合：(1). 精馏塔塔底和塔顶的压差不大；(2). 减压精馏的真空度比较低蒸汽喷射泵方式塔顶蒸汽加压升温后，也可作为其他系统的热源。（5）热偶精馏）热偶精馏三元混合物A、B、C分离可用一个全塔和一个副塔代替两个完整的塔。