第六章精馏过程的节能优化综合

化学工程与工艺专业本科生专业课化工分离工程第六章分离过程的节能、优化及综合第一节：精馏过程用能特性及热力学分析第二节：分离过程操作参数的优化第三节：精馏过程节能技术第四节：分离过程的综合•蒸馏只需要提供能量和冷却剂就能得到高纯度的产品，操作简单成熟，是石油和化工等过程工业中应用最广的分离操作（据估计，90%~95%的产品提纯和回收由蒸馏来实现）。然而，正是因为蒸馏的实现需要以能量作为过程进行的推动力，其能量消耗在整个过程工业中占有重要的位置。有人估计，分离过程的能耗中95%是蒸馏过程消耗的。引言、分离过程节能的重要性•在石油化工企业中，分离过程不仅设备投资费用大（一般占总投资50一90%），并且能耗高（大约占整个化学工业用能的40%）。特别是以能量为过程推动力的分离单元（蒸馏、汽提、蒸发、蒸出等），能耗占化工过程总能耗的60%以上。•美国曾经统计（1999年）全国40，000多个精馏塔所消耗的能量相当于每天1.9亿升石油，几乎占全国能耗的3%。•我国目前精馏塔的数目已超过10万个（2003年数据）。DistillationThereisnoalternative,wemustmakeitbetter!引言（三）、什么是分离过程节能、优化和综合通常所说的节能主要指降低能量消耗或操作费用。任何过程节能是基于系统热力学分析提出的（热力学第一定律和第二定律），节能不仅表现在数量上，更表现在品位上，同时要明确节能和节钱的概念。分离过程的优化包括分离方法的选择、流程结构的优化和操作参数的优化等。优化的目标通常是系统的经济性，还包括多个目标的优化（安全性、操作性、对环境的影响等）。优化不仅可能节能，同时一定节钱。过程综合（过程合成，Processsynthesis）是按照规定的设计要求，寻求所需系统的结构及各子系统的性能，并使系统按规定的目标进行最优组合。在设计新建工厂时，运用系统综合方法可以从众多的方案中选择、设计出一个或几个较优的流程结构方案供设计参考。过程综合是当今工程节能的主要手段。第一节精馏过程用能特性及热力学分析1-11-2热力学第一定律分析热力学第二定律分析从热力学第一定律分析(能量的数量），精馏中再沸器加入的热量QR又同时被塔顶冷凝器的冷却剂取走，所以能量的浪费非常大(只利用5%)。据此，回收和利用塔顶蒸汽的冷凝热是精馏过程节能需要考虑的重点问题之一。此外，显热利用和加强塔的保温绝热等也是需要考虑的重要环节。1-1热力学第一定律分析CRQQQinputFeed(L/V)BoilupN21fBottomsRefluxF,zFD,xDB,xBDistillateQCQR对精馏系统做热量衡算得：潜热利用第一节精馏过程用能特性的热力学分析1-2热力学第二定律分析第一节精馏过程用能特性的热力学分析CRQQFeed(L/V)BoilupN21fBottomsRefluxF,zFD,xDB,xBDistillateQCQRBut,TreboilerTcondenser1-2热力学第二定律分析精馏过程是一个不可逆过程，再沸器输入高品位的能量而冷却水带走的为低品位能量,即能量贬值。从热力学第二定律（能量的品位）分析，节能的关键在于提高系统的有效能（火用）或热力学效率。能量驱动的精馏过程示意图过程所消耗的有效能Wnet（或净功耗）和热力学效率η为：)1()1(00LCHRnetTTQTTQWnetTWW0min,由于实际的分离过程都是不可逆的，所以热力学效率总是小于1。可逆过程分离需要的最小功第一节精馏过程用能特性的热力学分析(a)流体流动阻力造成的压降损失;(b)相浓度不平衡物流间的传质或不同浓度物流间的混合造成的有效能损失。(c)不同温度两相物流间的传热或不同温度物流间的混合造成的有效能损失等。第一节精馏过程用能特性的热力学分析造成精馏过程有效能损失的原因：由以上分析可知，利用精馏过程的汽体冷凝潜热、构造可逆的分离塔结构、减少流体流动的阻力、减少每块板上传质、传热推动力等都是提高精馏系统能量效率的主要途径。本章内容围绕此分析结论展开！第二节分离（精馏）过程操作参数的优化1-11-21-31-4选择合适的操作压力选择合适的回流比选择合适的进料热状态选择合适的组分回收率第二节精馏过程操作参数的优化1选择合适的操作压力在分离多组分混合物时，调节压力还是解决精馏塔之间、塔和过程其它部分之间进行热集成的最有效手段。操作压力对精馏过程的影响表现：（1）塔顶蒸汽冷凝温度和塔釜加热温度（2）组分间的相对挥发度（3）塔的操作费用和造价操作压力的确定在第二章多组分精馏塔的简捷设计中已有详细说明！第二节精馏过程操作参数的优化2选择合适的回流比DRHQQQVCR)1(总费用设备费操作费费用回流比RRoptRminminRR0.21.1经验回流比范围此值已从原来平均的1.2降低到现在的1.12!第二节精馏过程操作参数的优化3选择合适的进料热状态当塔的能量受提馏段支配（再沸器负荷）时，进料的预热使q变小，从而可以减小提馏段的蒸汽负荷和节省再沸器中蒸汽加入量。当塔的能量受精馏段支配（冷凝器负荷）时，进料的冷却使q增大，从而可以减小冷凝器中冷却剂的加入量。对于具体的分离问题，最佳进料热状态需要根据经济效益来确定。进料液的摩尔汽化热的热进料变成饱和蒸汽所需kmol1LVFVIIIIqqFLLFqVV1对乙烯精馏塔，进料预热好还是冷却好？第二节精馏过程操作参数的优化4选择合适的组分回收率组分回收率和要求的产品纯度有直接关系。对于单个塔来说，若用户对塔顶和塔底产品的纯度都有要求，则产品的回收率也已确定，若用户仅指定一种产品的纯度，则设计人员可以根据经济分析决定产品的回收率。对于多塔分离过程，虽然对产品的纯度有具体要求，但每个塔的产品回收率并不是唯一的，此时正确选定各塔的回收率有重大的经济意义。此外，在精馏过程中考虑预分馏塔等结构时，常采用非清晰切割代替清晰切割，这时组分的回收率的优化更为重要。ABABABCABBCABC第二节精馏过程操作参数的优化综上，在已有塔（建成）的基础选择适当的操作条件均可取得一定程度的节能效果（节能最多达20%）。研究还表明，在某些情况下优化操作参数比改变分离流程的节能效果更为显著！说明：过程技术水平的高低主要取决于过程设计的水平。一般而言，一套装置的经济效益，在设计阶段可能有30％以上的改进空间，而在运行阶段只可能有5～20％的改进空间，即依靠优化装置的操作参数实现过程节能毕竟是有限的，更多情况需要从塔的结构（流程）设计方面达到优化和节能。第三节精馏过程的节能技术3-13-23-33-4热泵精馏多效精馏增设中间换热器采用复杂塔结构说明：本节讲述的节能技术（方法）是指在单一简单塔的基础上，通过改变塔的结构或改变流程来实现能量合理利用的技术，即改变结构或工艺的节能技术，并且节约的程度是同简单塔进行比较得出的。3-1热泵精馏热泵（HeatPump）是一种靠消耗外部功将低温位的热源提高到高温位来使用的装置，或从低温热源吸收热量，而到高温热源放出热量的装置。在现实生活中，热泵技术广泛应用于空调领域。能量驱动的精馏过程示意图外部功问题:家用户式空调为什么称之为空气源热泵?空调的主要部件有哪些?空调中的致冷剂(工质)的作用是什么?常用的致冷剂是什么?空调实现供热(供冷)的原理是什么?空调的效率（COP）主要取决于什么？什么是水源热泵?地源热泵?海水源热泵？为什么这些热泵的COP要比空气源热泵高？空气源空调（热泵）致热模式蒸发器（-10℃）压缩机节流阀冷空气（-5℃）冷空气（-8℃）冷凝器（50℃）冷空气（5℃）热空气（35℃）致冷剂（氟利昂）循环低压液体低压蒸汽高压蒸汽高压液体室内（高温热源）室外（低温热源）问题：能否用其它热源？空调的效率（COP）主要由什么确定？空气源空调（热泵）致冷模式冷凝器（45℃）压缩机节流阀热空气（33℃）热空气（40℃）蒸发器（10℃）热空气（30℃）冷空气（20℃）致冷剂（氟利昂）循环高压液体高压蒸汽低压蒸汽低压液体问题：能否用其它冷源？为什么冷凝器在45度高温下操作？室内（低温热源）室外（高温热源）通过热泵（输入电功），将塔顶蒸汽物料（低温热源）提高到适当温位来直接作为再沸器的加热热源，以此来减少外部加热和冷却的公用工程消耗。热泵精馏常有三种方式。（1）闭式A型热泵精馏特点：（I）使用外部工质（致冷剂）。致冷剂和塔顶蒸汽换热，并经压缩升温后作为再沸器的热源。（II）一个冷凝器（蒸发器），一个再沸器（冷凝器）问题：如塔顶温度为20℃，塔底温度为30℃，则压缩机出口高压蒸汽的温度不低于多少？节流阀出口低压液体的出口温度不高于多少？3-1热泵精馏（2）开式A型热泵精馏特点：（I）塔顶汽相产品直接作为工质（致冷剂），即塔顶汽相蒸汽经压缩后直接作为再沸器的热源，换热后液体经过减压后直接作为塔顶液相回流。亦称塔顶蒸汽压缩热泵系统。（II）一个再沸器（冷凝器）问题：如塔顶温度为20℃，塔底温度为30℃，则压缩机出口高压蒸汽的温度不低于多少？节流阀出口低压液体的出口温度应为多少？3-1热泵精馏（3）开式B型热泵精馏特点：（I）塔底产品直接作为工质（致冷剂），经过减压减温后直接作为塔顶蒸汽的冷却介质,换热后经过压缩后直接作为塔的汽相回流。亦称塔底液体闪蒸热泵系统。（II）一个冷凝器（蒸发器）问题：如塔顶温度为20℃，塔底温度为30℃，则压缩机出口高压蒸汽的温度应为多少？节流阀出口低压液体的出口温度应不高于多少？3-1热泵精馏热泵精馏举例：分离丙烯—丙烷混合物常压沸点：丙烯（-47.5℃丙烷（-42.1℃）3-1热泵精馏（1）塔为什么带压操作？（2）塔为什么操作回流比很高？（3）塔采用何种冷却介质和加热介质？（4）要得到常压丙烯气体产品，需要哪些步骤？（5）要得到常压丙烷气体产品，需要哪些步骤？（6）为什么可以考虑采用热泵精馏？如何实现？6.1℃689kPa普通精馏系统：塔顶低温热源直接利用！热泵精馏举例：分离丙烯—丙烷混合物方案I：用外部丙烷致冷剂的热泵循环低温精馏流程6.1℃689kPa3-1热泵精馏（1）在热泵蒸发器中，哪两股流体换热？传热温差？（2）在塔底再沸器中，哪两股流体换热？传热温差？方案II：塔顶蒸汽直接压缩的热泵精馏流程热泵精馏举例：分离丙烯—丙烷混合物3-1热泵精馏（1）热泵的工质是什么？（2）在塔底再沸器（热泵冷凝器）中，哪两股流体换热？传热温差？（3）为什么精馏塔需另加一个再沸器？方案III：塔底液体闪蒸的热泵精馏流程热泵精馏举例：分离丙烯—丙烷混合物3-1热泵精馏（1）热泵使用何种工质？（2）在热泵蒸发器（塔冷凝器）中，哪两股流体换热？传热温差？（3）为什么精馏塔需另加一个再沸器？1204161518553092总计1084010564040153504018159801841982费用，美元/日蒸汽冷却水电8.106.215.462.87热力学效率，%用塔底液体闪蒸的热泵压缩塔顶蒸汽的热泵用外部致冷剂的热泵普通低温精馏项目低温下丙烯—丙烷分离的热力学效率和公用工程费用比较由数据可见，三种热泵系统的热力学效率均高于普通低温精馏，其公用工程费用明显低于普通精馏，其中用塔底液体闪蒸的热泵具有最高的热力学效率和最低的公用工程费用。3-1热泵精馏第三节精馏过程的节能技术3-13-23-33-4热泵精馏多效精馏增设中间换热器采用复杂塔结构二次蒸汽加热蒸汽冷却水完成液料液一效多效蒸发冷凝水水二效三效二次蒸汽二次蒸汽三效蒸发举例采用多效蒸发的目的是什么？3-2多效精馏多效精馏（MultieffectDistillation）是从多效蒸发的概念中引伸出来，并根据塔内能量流动的热力学分析提出的一种节能型精馏结构。用两个塔分离混合物，一个为低压塔，一个为高压塔，可以用高压塔的塔顶汽相产品直接作为低压塔再沸器的热源！对于一个分离任务无论如何优化操作参数，其能量消耗都不会显著降低，而如果把这一分离任务“切割”，使原来的精馏塔分为多个（多效）分别在不同的压力