第31卷第6期精細(xì)化工中間體Vol 31 No 62001年12月FINE CHEMICAL INTERMEDIATSDecember 2001精餾分離與節(jié)能許世兵,余暉湖南化工研究院,湖南長(zhǎng)沙410007)摘要:結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例和實(shí)際操作數(shù)據(jù),重點(diǎn)敘述了精餾設(shè)計(jì)中分離方案、系統(tǒng)操作壓力的選擇等與節(jié)能的關(guān)系,指出在精餾設(shè)計(jì)中應(yīng)從投資、操作費(fèi)用、節(jié)能等方面優(yōu)化方案。關(guān)鍵詞:精餾;優(yōu)化設(shè)計(jì);節(jié)能中圖分類(lèi)號(hào):TQ028.1·3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B文章編號(hào):1009-9212(2001)06-0038-03Rectification Separation and Energy ConservationXU Shi-bing, YU Hui46(Hunan Research Institute of Chemical Industry, Changsha 410007, China)Abstract: On the basis of designing instances and factoric operation datas, recount the rela-tionship of separation method, system operation, etc with energy conseration on rectify design,and point out we should make the parameters optimized on investment, operate expense, energyconservation while desinge rectify systemKey words: rectify; design optimization; energy conseration盡管近年來(lái)出現(xiàn)了許多新的分離技術(shù),但精餾要求很高組分的分離,宜放在最后進(jìn)行。仍在分離過(guò)程中占有相當(dāng)重要的地位。根據(jù)有關(guān)資3)塔頂和塔底產(chǎn)物的摩爾數(shù)盡可能接近,使每料統(tǒng)計(jì),精餾分離能耗約占單位產(chǎn)品能耗的50%~塊板上的推動(dòng)力和提濃程度相應(yīng)降低,亦即增加板90%,而單位產(chǎn)品的能耗與產(chǎn)品質(zhì)量要求、物系分離上熱能傳遞的可逆性,根據(jù)熱力學(xué)原理塔內(nèi)熱傳遞提純的難易、工藝技術(shù)路線(xiàn)、設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇確定密的可逆性增大,有效能的損失減少。切相關(guān)。因此降低精餾分離的能耗,對(duì)于節(jié)約能源,4)應(yīng)充分考慮盡可能減少熱敏性組分的受熱減少產(chǎn)品成本至關(guān)重要,筆者在此結(jié)合自己的設(shè)計(jì)次數(shù),要求高純化的產(chǎn)品從塔頂蒸出。同時(shí),在方案實(shí)踐,就精餾分離中有關(guān)節(jié)能的問(wèn)題進(jìn)行討論。選擇中,應(yīng)根據(jù)處理物料量的多少,選擇連續(xù)或間歇流程方案的選擇精餾流程,對(duì)于小批量的多組分物系的分離,采用間歇精餾的方法,可以避免物料的多次受熱和冷凝減多元組分精餾分離的方案有多個(gè),其方案數(shù)可少能耗,較之連續(xù)精餾往往更為經(jīng)濟(jì)合理。用表達(dá)式S=[2(m-1)]!/m!(m-1)!表示(其減少物料加熱和冷凝次數(shù)能大大降低能耗的道中m為組分?jǐn)?shù)),如4元、5元組分分別有5個(gè)和理,通常都能被設(shè)計(jì)人員所接受,但在設(shè)計(jì)或裝置實(shí)個(gè)流程方案,對(duì)于組分?jǐn)?shù)較多的物系,對(duì)所有可能的施過(guò)程中,可能會(huì)因這樣或那樣的原因而被疏忽,造分離方案均—一一加以試驗(yàn)或計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的,可通成能耗和操作費(fèi)用不必要的增加,而且可能降低物過(guò)比較國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品精餾流程的優(yōu)劣確定優(yōu)化流料的回收率而提高單位產(chǎn)品的成本。現(xiàn)舉例說(shuō)明。程或根據(jù)如下一些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行篩選。例1:對(duì)于甲苯氯化生產(chǎn)對(duì)氯甲苯工藝,氯化液1)按物系中各組分的揮發(fā)度遞降的次序,依次為多元混合物,其中有未反應(yīng)的甲苯,有難分離的異從塔頂分離出各組分,這樣各組分僅需經(jīng)一次汽化甲苯.有高沸物二氯(或多氯)甲苯,并和一次冷凝,能耗最少。中國(guó)煤化工≥98%)。國(guó)內(nèi)于19902)物系中相對(duì)揮發(fā)度接近于1的組分或純度CNMH成二套生產(chǎn)裝置,采用作者簡(jiǎn)介:許世兵(1971-),女,湖南攸縣人,工程師,從事化工設(shè)計(jì)工作。收稿日期:2001-07-04第6期許世兵,等:精餾分離與節(jié)能39的合成工藝技術(shù)一樣,但精餾流程不同。湖南廠(chǎng)采也相應(yīng)增高。比較多種化合物的物化數(shù)據(jù),不難發(fā)用5塔流程,即氯甲苯塔、粗苯塔、鄰氯甲苯塔、對(duì)氯現(xiàn),化合物的蒸發(fā)潛熱隨著溫度升高而減少,但是化甲苯塔和精對(duì)氯甲苯塔。江蘇廠(chǎng)采用三塔流程,即合物的熱容卻隨著溫度升高而增加,舉例如表2和鄰、對(duì)氯甲苯塔和精對(duì)氯甲苯塔。項(xiàng)目投產(chǎn)后,雖都表3所示。能達(dá)到主副產(chǎn)品的質(zhì)量要求,但由于采用的流程不同,能耗發(fā)生了很大差異,根據(jù)各自的設(shè)計(jì)參數(shù),統(tǒng)褒2蒹發(fā)灒熱隨溫度變化情況計(jì)能耗詳見(jiàn)表1化合物燕發(fā)潛熱(kcal/kmol)名稱(chēng)0℃20℃60℃8o℃10ot140℃表1湖南與江蘇兩廠(chǎng)能耗對(duì)比結(jié)果甲醇1197,481172.361109561013.25891.83產(chǎn)品純度(%)蒸汽丙烷373.02347.33256.93182.7熱耗冷耗廠(chǎng)地鄰氯對(duì)氯塔數(shù)總塔高耗量MJ/t)(M/t)丙烯373.84338.95244.24159.5丙酮565.25552.68519.19473.13湖南≥97%≥97%5134.8320164222549.75348.01435.45408.23378.9234585江蘇≥97%≥98%93.45655664703.17甲苯431.26414.51397.77注:①蒸汽潛熱按206754kJKg計(jì);②蒸汽未計(jì)熱損;③按主、副產(chǎn)品量相同計(jì)。衰3熱容隨溫度變化情況從表1可以看出:兩裝置產(chǎn)品質(zhì)量相當(dāng),而湖南熱容(kJ/kg℃)廠(chǎng)能耗約增加207.6%,總塔高約增加44.3%,可見(jiàn)名稱(chēng)60℃80℃100℃140℃采用合理的分離流程對(duì)于節(jié)約能源和投資至關(guān)重甲醇2.3742.952要。5塔流程耗能大的主要原因在于重復(fù)精餾,加丙烷2.7722.9433.5175.108熱冷凝量過(guò)大丙烯2.66328223.4073.595例2:湖南某廠(chǎng)的一個(gè)產(chǎn)品,采用間歇精餾流丙酮2.0062.2022.842程,由于某種原因,實(shí)際塔高比原設(shè)計(jì)減少約4mo1.6751,7461.8761.9762.103投入生產(chǎn)后,每生產(chǎn)1t合格產(chǎn)品,需返回重蒸的前甲苯1.6201.6961.8721.9382.060后餾分約0.5t,比原設(shè)計(jì)增加70%左右,雖然在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的這種情況可能不全是填料減少的原比較表2和表3中相同化合物的蒸發(fā)潛熱和熱因,但因返回物料增加而引起能耗增加的現(xiàn)象應(yīng)盡容可知,在一定的飽和蒸汽壓范圍內(nèi),溫度升高引起可能避免。蒸發(fā)潛熱的降低速率較之引起液體的熱容的升高速因此,精餾流程方案的選擇及設(shè)計(jì)過(guò)程有關(guān)參率大,節(jié)能明顯,但超過(guò)一定溫度范圍后,由于比熱數(shù)的確定,關(guān)系到能否優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)能降耗,設(shè)計(jì)人增加速率加劇,節(jié)能不明顯,且有可能增加能耗,如員應(yīng)當(dāng)充分給予關(guān)注丙酮混合物分離,體系溫度大于40℃后,節(jié)能不明顯,更高的溫度反而會(huì)增加能耗。因此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)比系統(tǒng)操作壓力的選擇較選擇適宜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力和溫度。精餾通常有常壓精餾、減壓精餾和加壓精餾,在另一方面,加壓精餾可充分利用廉價(jià)資源,由于精餾設(shè)計(jì)中,系統(tǒng)操作壓力的確定雖無(wú)明確規(guī)定,但精餾塔內(nèi)飽和蒸汽壓的提高,相應(yīng)的餾出物的露點(diǎn)可遵循以下原則也隨著增高,這就為使用廉價(jià)循環(huán)冷卻水或低溫水1)仔細(xì)權(quán)衡設(shè)備投資與操作費(fèi),盡可能優(yōu)化設(shè)作為冷卻介質(zhì)創(chuàng)造了條件,在很大程度上減少了使計(jì)。筆者認(rèn)為在有利于節(jié)能降耗、減少操作費(fèi)用的用冰鹽水或更高檔次冷卻介質(zhì)的可能性。比較采用情況下,適當(dāng)增加一定的投資費(fèi)用更趨合理水和冰鹽水分別作為冷卻介質(zhì)的投資費(fèi)用的操作費(fèi)2)加壓精餾有利于采用廉價(jià)加熱介質(zhì)和冷凝用中國(guó)煤化工介質(zhì)可較大限度降低介質(zhì),如蒸汽和水。這可以從以下兩方面加以說(shuō)明。單位CNMHG用,同時(shí)由于減少了方面,加壓精餾可以減少單位產(chǎn)品的能源消冰鹽水的使用量,而相應(yīng)降低了能耗。耗。加壓精餾實(shí)質(zhì)上是提高被分離物系自身的飽和3)根據(jù)分離物系中組分的物化性質(zhì),如餾出物蒸汽壓,系統(tǒng)內(nèi)蒸汽壓力的升高,被分離物系的溫度的組成泡點(diǎn)溫度以及是否存在熱敏性化合物等選精細(xì)化工中間體第31卷?yè)穹蛛x方式。低沸點(diǎn)介質(zhì)的物料宜采用常壓或加壓系統(tǒng)壓力與頂液濕度對(duì)溶劑損耗的影響精餾;高沸點(diǎn)物料或有熱敏性化合物的物系宜采用組分損失量(kgh)減壓精餾的方式。甲苯鄰氯甲苯對(duì)氯甲苯減壓精餾可以使許多高沸點(diǎn)化合物在分離過(guò)程13.3306.42690.00180.000中避免使用高價(jià)值的加熱介質(zhì),如熱油等,用蒸汽3.0加熱使用方便,價(jià)格低,同時(shí)由于傳熱系數(shù)大,有利26.6353.37160.00660.008.4024微于減少傳熱面積、節(jié)省投資;同時(shí)減壓精餾可以避免10.71150.0030.000213.3熱敏化合物的分解或聚合,減少物料的損失而降低5.00微355.61930.0110.0013消耗;另外減壓精餾可以相應(yīng)提高混合物之間的相6.60.6707對(duì)揮發(fā)度,表4為溫度變化對(duì)物系的飽和蒸汽壓、相注:塔頂出料量為42kgh,塔徑為800mm,塔高為12.5m,其中對(duì)揮發(fā)度的影響。填料高9.9m。表4溫度對(duì)飽和蕪汽壓與相對(duì)揮發(fā)度的彩響進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。數(shù)據(jù)充分說(shuō)明:精餾塔系統(tǒng)密閉化合物-127℃82.5℃47,8℃20.0℃性越差,泄入空氣量越大,由空氣形成的分壓帶走的P(kPa)(kPa) a, P(kPa)物料就越多,物料的損失量與泄入空氣量成正比;頂苯3569.745510714.90743322.3636940.325甲苯1604.3636415.7778118.42.411.5液冷卻溫度越低,物料損失量越少,設(shè)計(jì)中通常用對(duì)氯級(jí)冷凝器、冷卻到一定溫度后,排放尾氣再經(jīng)冰冷1510.2甲苯器,利用低溫冰鹽水和直接氨冷捕集逃逸物料;組分注:a為相對(duì)揮發(fā)度。分壓與空氣分壓的比值越大,該組分損失量越多,換入另外系統(tǒng)總壓變化對(duì)乙醇水恒沸物的影響如話(huà)說(shuō),系統(tǒng)壓力越低(真空度越高),低沸點(diǎn)溶劑的物料的性質(zhì)、物化數(shù)據(jù),計(jì)算比較,最終確定系統(tǒng)的壓力(kPa)101.350.612.7壓力。對(duì)于沸點(diǎn)差較大的物料,宜采用分級(jí)提高其恒沸物中乙醇0.8940.9150.9940.997分子分率X真空度的辦法處理;為充分利用廉價(jià)水資源,塔頂餾綜上所述減壓精餾有很多優(yōu)點(diǎn)但由于減壓需出物宜采用多級(jí)冷凝冷卻,一級(jí)水冷、餾出物料溫增加真空系統(tǒng)而引起投資增加;另外,在減壓狀態(tài)下度應(yīng)控制在該壓力下露點(diǎn)20℃以上,有低溫水資源對(duì)于板式塔,為了減少每塊板之間的壓降,一般出口的地區(qū)應(yīng)盡可能利用低溫水作冷凝介質(zhì);裝置設(shè)計(jì)堰高取得較低,可能使板效率下降。對(duì)于填料塔,會(huì)時(shí),連接法蘭宜采用凹凸面法蘭(包括容器和管法因氣體密度小而造成塔徑增大,液體的噴淋密度較蘭),以便較好地保證系統(tǒng)的密閉性。小而造成填料的潤(rùn)濕不足,影響傳質(zhì)效率;同時(shí)由于精餾分離過(guò)程中的節(jié)能還涉及許多方面,如產(chǎn)減壓精餾,會(huì)因泄漏不凝性氣體(空氣)而增加物料品回收率與頂?shù)追峙?回流比、填料類(lèi)型與塔內(nèi)構(gòu)件冷凝捕集的困難而造成物料損失,尤其對(duì)于分離物結(jié)構(gòu)型式等等,由于篇幅所限,在此不再敘述。系中既有較高沸點(diǎn)或熱敏性組分,又有較低沸點(diǎn)的總之,在精餾設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員應(yīng)力求全面溶劑,如苯、甲苯、乙醇時(shí),更應(yīng)計(jì)算所選擇的塔內(nèi)壓收集資料及物化數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算和比較,盡可能優(yōu)化力是否合適。在很多生產(chǎn)裝置中,溶劑回收率很低設(shè)計(jì)方案,做好精餾節(jié)能。甚至回收率僅有70%~90%,這種情況往往由于塔系統(tǒng)密閉性差、選擇真空度不當(dāng)尾氣捕集冷凝介質(zhì)參考文獻(xiàn):溫度偏高所致。下面僅以甲苯氯化液回收甲苯塔為1]吳俊生,邵惠鵪.精餾設(shè)計(jì)、操作和控制[M].北京:中國(guó)石化例,加以說(shuō)明,詳見(jiàn)表5。表5數(shù)據(jù)系根據(jù)塔系統(tǒng)壓力,頂液組分分子分H中國(guó)煤化工基礎(chǔ)化學(xué)1程(修訂版,下冊(cè))率,相對(duì)揮發(fā)度,頂液冷凝、冷卻溫度及泡點(diǎn)方程式CNMHG社,199.138-139