差压热耦合蒸馏节能技术应用进展

1、差压热耦合蒸馏节能技术应用进展【摘要】化学工业是我国国民经济的支柱产业，为我国社会经济发展和国防建设提供了重 要基础材料和能源，创造了高达20%的GDP，约占工业总产值的30%。但同时它也是我国工业 污染的主要来源和能源消耗大户之一，其废水排放量居全国工业废水排放总量之首位，约占 19.7%，能源消费量约占全国能源消费总量的16.4%。与发达国家相比，我国的化学工业存在“高能耗、高污染和高物耗”的现实问题，严重制约着我国化学工业的可持续发展1。因此 节能、降耗、环保的技术迫在眉睫，全文主要介绍差压热耦合蒸馏节能技术化工行业中的应 用现状和发展趋势。【关键字】差压热耦合蒸馏节能应用快度发展的经济

2、带动了全球石油工业的巨大发展，但是伴随着经济的发展，石油开采 的加大，各国对环境质量要求的提高，人们环保意识的增强和各种环境保护法对环保要求 的不断提高，石油化工面临着环境的挑战，空气污染、酸雨、地球变暖、臭氧层变薄等给我 们带来了不少的忧虑。当前世界各国企业和研究单位均对石油化工产品的生产和石油炼制、 石油化工工艺技术的发展进行了越来越多的重视，并投入较大的人力、物力、财力进行开发。 因此可以说，石油化工工艺的开发与创新很可能是决定石油化工工业未来生存和发展的关 键。因此节能技术成为当今一个大发展趋势。1背景精馏是化工、石化等行业中的重要组成部分，是利用混合物中各组分挥发度的不同进行 分离的

3、操作单元，在所有的分离方法中，其以独特的优势广泛应用于工业生产中，并占据着 主导地位，但精馏对整个流程的生产能力、产品质量、能源消耗与原料消耗、环境保护有 重大影响。石油和化学工业的能耗占工业总能耗的很大部分，其中约60%就用于精馏过程。 精馏投资约占化工、石化项目总投资的30% 40% 句。随着世界能源的日益短缺，精馏过程一直是研究者节能挖潜的热点对象，它的每一个进 展都会带来巨大的经济效益。迄今为止，已经开发了多种精馏节能的工艺流程，如热泵精馏、 热耦精馏、多效精馏等。热耦精馏由于既节能又节省设备投资，引起了人们的广泛关注。最早的热耦精馏是50年 前由Petlyuk提出的：5，热耦精馏塔节

4、能的主要原因有两点：第一，热耦精馏塔较好地解决 了中间组分在塔内的再混合问题；第二，热耦精馏预分塔进入主塔的物料，其组成能够较好 地和主塔进料板上的组成相匹配，符合最佳进料板的要求。图1热耦精馏塔简化法模型6但是，现有的热耦精馏技术，仍摆脱不了精馏过程中所需要的塔顶冷凝液体回流和塔釜 再沸蒸汽上升操作的限制。对于主精馏塔来说，由于塔顶温度要低于塔底温度，因而塔顶冷 凝器和塔底再沸器之间不能简单地进行匹配换热，也就不能实现完全的热耦合。通过对各种 热耦和热集成精馏过程深入研究，为了解决以上问题，一种新型的差压热耦合低能耗蒸馏过 程被提出。2差压热耦合蒸馏差压热耦合低能耗蒸馏过程将普通精馏塔分割为

5、常规分馏和降压分馏两个塔，常规分馏 塔的操作压力与常规单塔时相同，而降压分馏塔采用降压操作以降低塔底温度苗。降压分离 塔段塔顶蒸汽经过压缩机压缩进入常规分离塔段，常规分离塔段塔底液体由压差推动进入降 压分离塔段。降压分离塔段降压操作可以使得其塔釜再沸物料的温度低于常规分离塔段塔顶 物料的温度，利用该两股物料的匹配换热从而实现两塔的完全热耦合，并利用辅助冷凝器和 辅助再沸器实现整个精馏过程能耗的完全匹配，实现精馏过程的大幅度节能。1 常规分馏塔；2一降压分馏塔；3一主换热器；4压缩机；5 辅助冷凝器；6辅助再沸器；7一回流罐；8一进料差压热耦合低能耗蒸馏与现有热耦蒸馏技术相比，具有以下几方面优点

6、营。差压热耦合精馏过程的常规分馏塔塔顶冷凝的负荷可以与降压分馏塔底再沸器 的负荷相匹配，实现热耦精馏，匹配换热。与常规的单塔精馏过程不同，差压热耦合精馏过程的常规分馏塔顶上升蒸汽能 够用于加热降压分馏塔塔底物料，满足塔底再沸的要求。热消耗是精馏操作中的主要能耗所在，用差压降温手段实现了最小的热消耗， 甚至实现冷热负荷完全匹配，热消耗为零。而实现该目的的手段仅仅是在设备 中增加一台压缩机，该动力消耗相对于原有的热消耗小很多。3技术应用3.1三氯氢硅差压耦合精馏系统多晶硅是制造集成电路衬底、太阳能电池等产品的主要原料。多晶硅可以用于制备单晶 硅，其深加工产品被广泛用于半导体工业中，作为人工智能、自

7、动控制、信息处理、光电转 换等器件的基础材料。三氯氢硅差压耦合精馏系统包括低压精馏塔、加压精馏塔、塔釜再沸器、塔顶冷凝器和 辅助冷凝器；在两个精馏塔段之间设置有冷凝再沸器，加压精馏塔塔顶的气相物料出口连接 到冷凝再沸器加热介质入口，加热介质出口再返回到加压精馏塔塔顶；低压精馏塔塔底的液 相物料出口连接到冷凝再沸器受热介质入口，受热介质出口再返回低压精馏塔塔底。原料采 用不同的塔进料，所以可以采用两套工艺流程，工艺流程A采用低压塔作为前塔脱氢，加压 塔进料需加进料泵；工艺流程B采用加压塔作为前塔脱氢，低压塔进料可无需加进料泵。三 氯氢硅差压耦合精馏系统大幅度降低生产成本和能耗，精馏节能40%左右

8、，显著的提高了多 晶硅材料的市场竞争力。图4三氯氢硅差压耦合精馏工艺流穆示意图8图5三氯氢硅差压耦合精馏工艺流程示意图81-三氯氢硅原料进入口； 2-低压精馏塔；3-塔顶冷凝器；4冷凝再沸器；5-加压精馏塔；6-辅助冷凝器；7- 塔釜再沸器；8-泵；9-塔顶组分土 10-采出物料入；11-回流物料入；12-塔底脱氢海；13-再沸蒸汽4； 14- 高沸液A； 15-三氯氢硅气相A； 16-料液A； 17-冷凝料液A； 18-三氯氢硅产品A； 19-塔顶组分B； 21-塔釜脱 氢液B； 22-再沸蒸汽B； 23-冷凝料液B； 24-塔釜重组分；27-三氯氢硅产品B； 28-三氯氢硅产品B与传统的技

9、术相比，此方法有以下优点：（1）加压塔顶冷凝的负荷可以与低压塔底再沸器的负荷相匹配，实现热耦合精 馏，匹配换热。（2）能量消耗是精馏操作中的主要能耗所在，本技术与传统相比，基本用差热耦 合手段实现了最小的能量消耗。（3）部分工业兼顾差压节能和差压省泵的特点。根据三氯氢硅精馏过程全塔组成接近、温度接近的特点，此技术能够大幅度降低生产成 本和能耗，精馏节能40%左右。该技术显著提高多晶硅材料的市场竞争力，推动光伏和信息 材料产业链的发展。3.2回收处理含二甲基乙酰胺废水二甲基乙酰胺作为优良的有机溶剂，在其应用过程中，产生大量的含DMAC废水，质量 分数一般在20%35%。对此类废水进行处理回收DM

10、AC具有重要的意义。由于DMAC的沸点 比水高，采用蒸馏方法进行回收时，需要蒸发大量的水；由于水的热容较大，因此用常规 蒸馏法处理该废水能耗很大。目前该类废水的回收除了用常规精馏法外，还有萃取精馏法9 但能耗也比较大。采用节能型差压热耦合精馏工艺，可以充分利用塔顶水蒸气潜热，以达到 大幅度节能的目的。该工艺还具有工艺简单、不引入第3组分等优点。差压热耦合精馏流程是将常规精馏塔分割为2个精馏塔，将原来的精馏段作为常压塔 （T1 ）,提馏段作为负压塔（T2 ）。T2塔采用负压操作的目的是为了降低塔釜温度，因此 就可以利用常压塔塔顶蒸汽的潜热来加热该塔塔底的再沸器，进行两塔塔顶和塔底的热耦 合，实现

11、精馏过程的大幅度节能。图6差压热耦合精馏流程图：10DltfAC1-预热器；2-常压塔T1; 3-冷凝器；4-再沸器；5-负压塔T2;6-压缩机采用差压热耦合精馏工艺，通过把常规精馏塔分割成串联的常压塔和负压塔两个塔， 可以实现塔顶蒸汽与塔底再沸器热量的耦合匹配，大幅度降低精馏过程的能耗。与常规的单 塔精馏工艺比较，差压热耦合精馏工艺可以节约能量约73.14%,节能效果显著。3.3丙烷-丙烯的分离烯烃的提纯在石化工业中为蒸馏中耗能大户，采用常规蒸馏方法时，能耗很高。运用差 压热耦合蒸馏技术，总能耗降低了 92.3%，大幅度削减了丙烯-丙烷精馏分离过程中的能量 消耗，真正实现了用蒸馏塔顶蒸汽的潜

12、热加热塔底再沸器的目的，大幅度降低了蒸馏过程的 能耗营。3.4混合C4气体分离过程C4资源主要来自炼厂催化裂化（FCC）装置和乙烯蒸气裂解装置。混合C4通常含 有丁二烯、异丁烯、1-丁烯、2-丁烯、异丁烷、正丁烷等组分。将异丁烷从混合C4分离出 后进行1-丁烯的异构化，其中分离的关键组分异丁烷沸点为一11.73 C，1-丁烯沸点为一 6.3 C，两者之间沸点差5.43 C，采用常规精馏操作一般需要高压操作，需要好多的理论 板数和很高的回流比才能实现严格的高纯度分离要求卫。使用差压热耦合蒸馏技术，总能耗 降低了 87.1%，大幅度降低了混合C4分离过程的能耗。3.4其他应用除上述几种应用外，差压

13、热耦合蒸馏技术在酒精行业中也起着重要的作用，例如在生产 燃料乙醇的工业中，双粗塔差压热耦合蒸馏技术合理地利用了热能，实现了蒸馏过程热能的 耦合匹配，比两塔差压蒸馏能耗降低30%:n，节能效果显著。同时，还具有产品质量稳定、 蒸馏率高等优点，在燃料乙醇生产企业值得推广应用。山东省龙口市振龙酒精有限公司在2005年对酒精制造的工艺进行了研究，在2006年成 功的通过优级酒精多塔差压热耦合技术，以多塔代替原先的单塔，使各塔在不同的压力下操 作，并有效地利用了固定的冷、热介质之间的温差，使总能量逐塔、逐级降低，充分地利用了 各级的能量，从而降低了有效能的损失，提高了热力学效率124结语21世纪化学工业

14、在我国国民经济中仍然占有不可或缺的支柱地位。在地球资源日趋枯 竭，环境污染日益严重的今天，我国化学工业迫切需要向资源节约型和环境友好型发展模式 转变，高效、节能、降耗、环保的技术是现代化工的热门话题，也是科学研究者积极研究的 话题。参考文献：1孙宏伟，陈建峰.我国化工过程强化技术理论与应用研究进展J.化工进展.2011，30 (1):1-15.吕永天.石油化工工艺的研究J.科技论坛中国高新技术企业.2007:65-66.Bravo J L，Fair J R，Humphrey J L，et al. Fluid Mixture Separation Technologies for Cost Re

15、duction And Process Improvement M. NJ： Noyes Publications， Park Ridge，1986.李群生.精馏过程的节能降耗及新型高效分离技术的应用J.化肥工业，2003, 30(1): 3-9，57.Petlyuk F B， Platonov V M， Slavinskii D M. Thermodynamically optimal method forseparating multicomponent mixturesJ. Int. Chem.Eng. 1965， 5： 555-561.吕向红，陆恩锡.热耦蒸馏技术进展J.化工进展.2004, 23(8):837-840.李洪，李鑫钢，罗铭芳.差压热耦合蒸馏节能技术J.化工进展.2008, 27:1125-1128.8黄国强，王红星，李鑫刚，张敏革.三氯氢硅差压耦合系统及操作方法P,CN:200910068557.8,2009-09-23.林泉，朱慎林，戴猷元