ProII-蒸馏过程节能与优化

11蒸馏过程节能与优化原理与应用华南理工大学化工学院陆恩锡2蒸馏过程节能与优化Ⅰ、进料状态优化Ⅱ、热泵节能Ⅲ、蒸馏塔最佳进料位置Ⅳ、中间再沸器和中间冷凝器3Ⅰ、进料状态优化4五种进料状态q=0(饱和气相)q=1(饱和液相)0q1(气液混合物)q1(过冷液相)q0(过热气相)热单位流量进料的气化潜蒸气需热单位流量进料变成饱和量Q25五种进料状态进料状态对塔操作的影响？选择进料状态的原则？6进料状态选取易产生的误区许多蒸馏塔设计，进料状态的选取往往不分青红皂白，喜欢一概采用泡点进料；进料状态对能耗的影响，重视不够，了解不多，资料难求；后果蒸馏塔能耗高，白白损失大量能量，十分可惜；7进料状态对能耗影响－1塔顶产品占主要比例案例：某蒸馏塔，进料流量100kgmol，压力16.2atm，泡点温度，组成为乙烷—0.01,丙烷—0.79,丁烷—0.12,戊烷—0.08。要求进料中80kgmol的物料作为塔顶产品，产品中丁烷含量小于0.0005。该塔理论板32块，操作压力16atm，进料位置16块板。8进料状态对能耗影响－1问题:该塔塔顶产品占比例80％，即大部分物料从塔顶采出，应当如何选择进料状态呢？方法：取不同的进料状态，做灵敏度分析，求出塔顶冷凝器和塔釜再沸器的热负荷，比较操作费用大小，从而确定适宜进料状态。39进料状态对能耗影响－177.7285.3693.55102.18111.16178.17操作费用总计(元/时)57.7266.3175.2084.3593.74103.36蒸汽费用(元/时)20.0019.0518.3517.8317.4217.09冷却水费用(元/时)0.33290.38240.43360.48650.54060.5961再沸器热负荷(Mkcal/hr)-0.6665-0.6350-0.6118-0.5942-0.5806-0.5697冷凝器热负荷(Mkcal/hr)72.7067.2763.0560.8058.7457.04进料温度（℃）1（露点）0.80.60.40.20（泡点）进料气化率10进料状态对能耗的影响－1塔顶出料占主要比例0.00.20.40.60.81.03040506070进料气化率热负荷（104kcal/h）冷凝器热负荷再沸器热负荷6080100120140160180操作费用（元/时）操作费用11进料状态对能耗影响－1从上述图表可以看出，当进料气化率从0变化到1时，即从泡点变化到露点时，冷凝器热负荷仅发生中等程度的改变，增加了14.5%，而再沸器的热负荷却有相当大程度的减少，其减少的幅度达44.2%；从操作费用总计可以看出，露点进料时的操作费用只有泡点进料时的43.6％；原因：由于塔顶出料占较大比例，故大部分进料必须气化才有可能从塔顶采出；露点进料降低了使物料气化所需的热量；12进料状态对能耗影响－1结论对于塔顶产品占主要比例的蒸馏塔，只要可能，就应当采用全气相或过热进料。413进料状态对能耗影响－2塔釜出料占主要比例仍以上述蒸馏塔为例，进料组成改为乙烷—0.02,丙烷—0.18,丁烷—0.78,戊烷—0.02。，塔的操作压力18atm，塔釜采出量80kgmol/h；14进料状态对能耗影响－2226.35223.74221.51219.94219.14219.28操作费用总计(元/时)184.61184.15184.06184.49185.63187.65蒸汽费用(元/时)41.7539.5937.4935.4533.5131.63冷却水费用(元/时)1.06471.06201.06151.06401.07061.0823再沸器热负荷(Mkcal/hr)1.39171.31991.24981.18191.11691.0545冷凝器热负荷(Mkcal/hr)102.21101.63100.3298.7496.7293.94进料温度（℃）1（露点）0.80.60.40.20（泡点）进料气化率15进料状态对能耗影响－2从上述数据可知，当进料从泡点变化到露点时，冷凝器的热负荷从1.0545Mkcal/hr上升到1.3917Mkcal/hr，增长了32%。而塔釜热负荷从1.0823Mkcal/hr降低至1.0647Mkcal/hr，变化很小，只减少了1.6%。从操作费用来看，在进料气化率为0.2时最小，因而在这一气化率下操作是最经济的。16进料状态对能耗影响－2塔釜出料占主要比例0.00.20.40.60.81.0100110120130140再沸器负荷气化率热负荷(104kcal/h)冷凝器负荷218220222224226操作费用(元/时)操作费用517进料状态对能耗影响－2结论当塔釜产品占主要比例时，进料气化率愈低，塔顶冷凝器的热负荷愈小；而再沸器热负荷变化很小；可以对进料状态进行优化，求出能耗费用最低时的进料状态；当冷凝器采用水冷时，因水的价格较便宜，故虽然冷凝器热负荷变化较大，但费用增加并不多；当采用冷剂进行冷却时，因价格较贵，必须进行经济分析，此时泡点或过冷进料可能是较经济的；；18Ⅱ、热泵节能19热泵节能什么是热泵？水流自发的从高处流向低处，热量自发的从高温向低温传递。为了解决水流从低处流往高处的问题，发明了水泵，即将水从低压提升到高压的机械设备。与水泵相仿，热泵就是将物料的热量从低温传递到高温的机械设备。热泵是从低温热源吸取热量，并将本身所携带的热量向高温热源释放。20热泵节能热泵的主要部件热泵主要由压缩机、蒸发器、膨胀阀和冷凝器四大部件所构成。热量的传递由一定的工质在这四大部件之间循环来实现。621热泵节能热泵的主要部件对热泵来说，也即对工质而言，蒸馏塔塔顶冷凝器即为热泵的蒸发器；蒸馏塔塔釜再沸器即为热泵的冷凝器；故需要注意的是，凡涉及热泵系统，冷凝器与蒸发器皆是对于工质来说的；和蒸馏塔的相关设备正好相反；22热泵节能热泵的性能系数（COP,coefficientofperformance）热泵的性能系数是衡量热泵性能的重要指标，其定义如下：式中：QH－热泵放出的热量；W－驱动热泵所需的功；WQCOPH23热泵节能热泵的性能系数热泵所能提供的热量理论上等于热泵从热源吸收的热量和驱动热泵所需能量之和。故QHW，COP值必大于1。热泵提供100kwh的热量，仅需消耗20～40kwh的电能；对于工业应用的热泵，可以实现更高的性能，提供同样热量所消耗的电能只有3～10kwh。从上述分析可以看出热泵是一类效率很高的热量转换机械，有着广阔的应用前景。24热泵节能理想热泵的性能系数理想热泵的性能系数等于逆卡诺循环的效率，即理论上的最大效率，由下式给出：式中：TH－工质冷凝温度，oK；TC－工质蒸发温度，oK；CHHTTTCOP725热泵节能热泵的卡诺效率卡诺效率是实际COP值与理想值的比，即：理想实际COPCOP26热泵节能卡诺效率小型电驱动热泵，一般30％～50％之间；大型电驱动热泵系统，可达50％～70％；由于实际过程存在效率问题，故实际卡诺效率多在理想效率的50％以下；27热泵节能热泵应用原则只要存在低温热源，就有可能使用热泵。热源与热阱之间的温差，也即工质蒸发温度与冷凝温度的差值过大，将影响到热泵的性能。一般来说，该温差愈小，所需的压缩功愈小，热泵的性能愈好。当该温差大于36℃时，不宜再使用热泵。28热泵节能－蒸馏过程热泵类型①闭式热泵：工质在系统内循环，和物料无接触。不会对物料造成污染。829热泵节能－蒸馏过程热泵类型②塔顶气相直接压缩式热泵：工质为塔顶气相采出，直接进入压缩机。30热泵节能－蒸馏过程热泵类型③塔釜物料直接节流式热泵：工质为塔釜物料，直接进行节流。31热泵节能热泵应用原则只要存在低温热源，就有可能使用热泵。热源与热阱之间的温差，也即工质蒸发温度与冷凝温度的差值过大，将影响到热泵的性能。一般来说，该温差愈小，所需的压缩功愈小，热泵的性能愈好。当该温差大于36℃时，不宜再使用热泵。32热泵节能－案例1空调热泵，若TH=40℃，TC=5℃；理想COP=313/(313－278)＝8.94；空调厂公布的实际COP大多在2.8～3.2左右；即相当于理想过程的33％左右。933热泵节能－案例2丙烯精馏塔例丙烯精馏塔由于要获得高纯度的丙烯产品（纯度达99.6％），回流比极大，一般可达15～20，且塔板数众多，通常在200块左右，国外最高达256块。采用热泵流程可以较大降低塔的能耗，故此许多厂家均在丙烯塔上设置了热泵，以节省能耗、提高经济效益。34热泵节能－案例2丙烯塔工艺条件理论板数171块；进料位置116块；操作压力1.44Mpa；分离要求：塔顶丙烯99.6％；塔釜丙烷97％；35热泵节能－案例2基本工况计算291623303744515865727986931001071141211281351421491561631701171T1S1S2S3ColumnNameColumnDescriptionCondenserDutyReboilerDutyM*KCAL/HRM*KCAL/HRT1-5.57225.028036热泵节能－案例2基本工况计算基本工况计算结果StreamNameStreamDescriptionPhaseTemperaturePressureFlowrateCompositionETHANEPROPENEPROPANEIBUTANEIBUTENECMPAKG-MOL/HRS1Vapor70.1001.520141.0000.0000.7620.2350.0020.000S2Liquid33.5411.440107.2870.0000.9960.0040.0000.000S3Liquid45.5961.57033.7130.0000.0180.9700.0100.0021037热泵节能－案例2流程图热泵流程釜液节流式热泵16111621263136414651566166717681869196101106111116121126131136141146151156161166170171T1E1SP1C1SP2V1S1S2S3S21S22S23S32S31S34S35S3338热泵节能－案例2流程说明流程说明釜液采出后一股作为产品，另一股作为热泵工质进入节流阀，从1.57Mpa膨胀到0.9Mpa，温度降低到22.8℃；膨胀后的气液混合物进入塔顶冷凝器，吸收热量使塔顶气冷凝，本身变为气相；遂进入压缩机，压力升高到1.64Mpa，温度提高到61.8℃；压缩后高温气体作为热源进入塔釜进行加热，于是完成了工质的一次循环。39热泵节能－关键工艺参数确定热泵关键工艺参数确定原则①塔顶采出量：该量分为两股，一是产品，二是回流；故该采出量必须满足产品和回流的要求。而回流要求又取决于塔的分离要求。②循环工质流量：循环工质的流量必须满足塔顶冷凝器的负荷要求，即必须有足够的工质能够保证将塔顶气相按照要求进行冷凝；同时还必须满足塔釜再沸器的热负荷要求，能够向塔釜提供足够的热量，使之产生足够数量的塔釜蒸气。40热泵节能－关键工艺参数确定热泵关键工艺参数确定原则③压缩机出口压力：压缩机出口压力必须满足压缩后的温升能够达到加热塔釜物料的要求，即压缩后气相温度要高于釜温，一般希望高10℃以上。④工质膨胀后压力：工质膨胀后的压力取决于塔顶物料的冷凝温度，即膨胀后温度需低于该温度，通常希望低10℃以上。1141热泵节能－案例2参数比较经济分析经济分析主要取冷凝器、再沸器、压缩机的操作费用进行比较。公用工程价格及相关参数如下：循环水－0.65元/吨；电－0.8元/度；蒸气－90元/吨；蒸气潜热取507.2kcal/kg；循环水温升取8℃；年操作时数：8000小时；压缩机效率取80％；泵功率消耗暂略；42热泵节能－案例2参数比较11.115.915.1回流比108.04107.8107.3塔顶采出量(kgmol/h)120017161616回流量(kgmol/h)18.2545.745.6釜温(