热偶精馏技术.doc

热偶精馏技术简介精馏是一种应用广泛的化工分离单元操作, 但精馏过程能耗巨大,据估计分离过程的能耗大约占整个化学工业用能的40，而其中95是精馏过程消耗的 提高精馏过程的能量利用率始终是研究的热点。热偶精馏由于既节能又节省设备投资引起了人们的广泛关注。最早的热偶精馏是50 年前由Petlyuk提出的, 研究发现热偶精馏比常规精馏过程节能至少30%以上, 但受当时的技术条件所限而难以工业化。近年来, 随着对节能要求的提高, 且由于控制技术的提高, 热偶精馏方面的研究又趋于活跃, 一些大公司已将其中的分隔壁精馏塔工业化。1热偶精馏类型 热偶精馏流程主要用于三组分混合物的分离,同时也可用于三组分以上混合物的分离。为了提高能量利用率, Petlyuk 提出了热偶精馏塔的概念, 在此概念下, 发展了一系列的热偶精馏塔流程。 热偶一般可分为以下几种形式：一种是部分热偶精馏，由主塔和侧线塔构成的复杂精馏塔，包括侧线精馏塔(Side rectifier)和侧线提馏塔(Side stripper)；另一种是完全热偶精馏(Fully thermally coupled distillation column)，因为最早由Petlyuk提出，故又称为Petlyuk塔。2热偶精馏原理 在单塔中，塔内两相的流动要靠冷凝器提供回流液再沸器提供提供气体回流来实现，但在设计多个塔时，可以从某个塔内引出一股液相物流来直接作为另一塔的回流液，或引出气相作为另一塔的气相回流，从而可以避免在一些塔中使用冷凝器或者再沸器，从而实现热量的偶合。 完全热偶精馏系统用主塔和副塔组成的复杂塔代替常规精馏塔序列，是具有可逆混合特性的理想热力学系统。副塔的作用是将混合物进行初步分离，轻关键组分全部由塔顶分出，而重关键组分完全由塔釜采出，中间组分在塔顶、塔底之间分配；主塔的作用则是对副塔塔顶和塔底的物料进一步分离，得到符合要求的产物。侧线蒸馏流程是不完全热偶精馏流程，在侧线蒸馏塔流程中，可减少一个再沸器，且关联两塔的汽液相流量相对较易控制，同样，由流程可得到具有工业应用价值的DWC塔,分隔壁从塔顶延伸到塔的下部，将塔分为3部分，塔顶两侧分别有冷凝器，在分隔壁两侧的汽相流量可分别控制，液体流量仍通过液体分配器来控制。侧线提馏流程中可减少一个冷凝器，且汽液相流量较易控制，同样，由侧线提馏流程可得到相应的DWC塔，此时，分隔壁从塔底向上延伸至塔的上部，将塔分为3部分，塔顶有一共用冷凝器，塔釜两侧分别有再沸器，能提供达到分离要求所需的上升蒸汽，液体流量仍需液体分配器来控制。 不论是哪种热偶精馏流程，从设备投资到能量消耗，都比常规精馏流程小，但由于减少再沸器（冷凝器），必然使其使用受到限制。3热偶精馏适用范围 热偶精馏流程并不适用于所有化工分离过程,它的应用有一定的限制, 这是因为, 虽然此类塔从热力学角度来看具有最理想的系统结构, 但它主要是通过对输入精馏塔的热量的重复利用而实现的。当再沸器所提供的热量非常大或冷凝器需将物料冷至很低温度时, 此工艺会受到很大限制。4热偶精馏的影响因素 热偶精馏流程对所分离物系的纯度、进料组成、相对挥发度及塔的操作压力都有一定的要求： 产品纯度: 热偶精馏流程所采出的中间产品的纯度比一般精馏塔侧线出料达到的纯度更大,因此, 当希望得到高纯度的中间产品时, 可考虑使用热偶精馏流程。如果对中间产品的纯度要求不高,则直接使用一般精馏塔侧线采出即可。 进料组成: 若分离A、B 和C三个个组分, 且相对挥发度依次递增时, 采用该类塔型时, 进料混合物中组分B 的量应最多, 而组分A 和C 在量上应相当。 相对挥发度: 当组分B 是进料中的主要组分时, 只有当组分A的相对挥发度和组分B的相对挥发度的比值与组分B的相对挥发度和组分C的相对挥发度的比值相当时, 采用热偶精馏具有的节能优势最明显。如果组分A和组分B与组分B和组分C相比非常容易分离时, 从节能角度来看就不如使用常规的两塔流程了。 塔的操作压力: 整个分离过程的压力不能改变。当需要改变压力时, 则只能使用常规的双塔流程。5主要工艺流程 5.1侧线精馏塔 侧线蒸馏流程是不完全热偶精馏流程，在侧线蒸馏塔流程中，可减少一个再沸器。其精馏流程如图1(a)、(b)所示.图1(a)在第一个塔塔底得到最轻的组分A，塔底采出重组分塔底釜液B和C的的液体混合物，进入第二个塔，完成B和C的精馏过程，第一个塔的气相回流为第二个塔引出的气相B和C的混合物，从而实现三个不同组分的分离。 (a) (b) 图1：侧线蒸馏流程 另一种侧线蒸馏构造如图1(b)所示，在主塔的塔顶的塔底分别得到最轻的组分A和最重的组分C，在加料板下方引出B和C重组分的气相混合物，在侧塔进行分离，得到中间组分B，侧塔的液相回流物流侧塔冷凝器冷凝回流。 在侧线蒸馏塔流程中, 可减少一个再沸器, 且关联两塔的汽液相流量相对较易控制。由侧线蒸馏流程可得到具有工业应用价值的DWC塔, 如图2所示，蒸馏塔由分隔壁从塔顶延伸到塔的下部, 将塔分为三部分, 塔顶两侧分别有冷凝器。在分隔壁两侧的汽相流量可分别控制。液体流量通过液体分配器来控制。 图2：分隔壁精馏塔 5.2侧线提馏流程侧线蒸馏流程也是不完全热偶精馏流程，在侧线蒸馏塔流程中，可减少一个冷凝器，其精馏流程如图3(a)、(b)所示。 (a) (b) 图3：侧线提馏流程 图3(a)在第一个塔塔底得到最重的组分C，塔顶采出轻组分塔底釜液A和B的的气体混合物，进入第二个塔，完成A和B的精馏过程，第一个塔的页相回流为第二个塔引出的液相A和B的混合物，从而实现三个不同组分的分离。另一种侧线提馏构造如图3(b)所示，在主塔的塔顶的塔底分别得到最轻的组分A和最重的组分C，在加料板上方引出A和B轻组分的气相混合物，在侧塔进行分离，得到中间组分B，侧塔的气相回流物流侧塔再沸器加热蒸汽回流。 可以看出，在侧线蒸馏塔流程中, 可减少一个冷凝器, 且关联两塔的汽液相流量相对较易控制。由侧线提馏流程可得到具有工业应用价值的也是DWC塔, 如图4所示，提馏塔由分隔壁从塔底向上延伸到塔的上部, 将塔分为三部分, 塔底两侧分别有再沸器。能提供达到分离要求所需的上升蒸汽, 液体流量仍需液体分配器来控制。图4：分隔壁提馏塔5.3 完全热偶精馏流程 完全热偶精馏系统用主塔和副塔组成的复杂塔代替常规精馏塔序列，是具有可逆混合特性的理想热力学系统。其工艺流程如图5所示，副塔的作用是将混合物进行初步分离，轻关键组分（A和B的混气体）全部由塔顶分出，而重关键组分（和的混合液体）完全由塔釜采出，中间组分在塔顶、塔底之间分配。侧塔塔底液体回流液体由主塔上部引出，气体物流由主塔下部引出，实现对所需分离组分的预精馏，整个流程只有一个冷凝器和一个再沸器。主塔的作用则是对副塔塔顶和塔底的物料进一步分离，在塔顶的到最轻的组分，在塔底部得到最重的组分，中间组分在主塔中部采得，实现了混合产物的分离。图：完全热偶精馏塔在热力学上与完全热偶精馏塔完全相同的是分隔壁精馏塔,如图所示，分隔壁精馏塔在精馏塔中间部分部设一垂直壁, 将精馏塔分成上段、下段及由隔板分开的精馏进料段及中间采出段四部分, 这一结构可认为是完全热偶流程的的主塔和预分塔置于同一塔内，分别位于分隔壁的两侧。图：完全热偶分隔壁精馏塔完全热偶精馏流程虽然比传统的二塔流程减少一个再沸器、一个冷凝器, 但由于预分塔与主塔间的四股汽液相流量难以控制, 在工业上几乎没有使用价值, 但与其热力学上完全相同的分隔壁精馏塔, 它的工业前景却被看好。由于用分隔壁精馏分离三组分混合物时, 得到纯的产物与传统的二塔常规流程相比只需要一个精馏塔、一个再沸器、一个冷凝器。不论是设备投资还是能耗都能节省至少30% , 且可通过加入液体分配器来控制分隔壁两边的液体流量, 通过分隔壁两边的填料高度或分隔壁的形状来控制气体流量, 在当今技术条件下, 这些控制手段都已成熟, 故分隔壁精馏塔已开始工业应用。发展现状和应用前景热偶精馏在热力学上是最理想的系统结构，既能节省设备投资，又能节省能耗。计算表明，热偶精馏比两个常规精馏塔最高可节能达到30%以上, 可省设备投资左右。近年来, 由于能源价格不断上涨, 热偶精馏的研究趋于活跃, 特别是各类分隔壁精馏塔的研究。对于某些给定的物料, 分隔壁精馏塔和常规精馏流程相比需更小的回流比, 故增大了操作容量。壁精馏塔能广泛地应用于石油精制、石油化工、化学品及气体精制。至今, 至少有40 套分隔壁精馏塔进行商业运行,大部分属于德国的BASF公司, 主要用于分离中间产物含量高的三元混合物。Kellogg 公司也和BP公司合作设计建造分隔壁精馏塔,用于改进间歇操作的烷基重整流程。改进后塔的操作能力增加了一倍, 中间产物的产量比原先的简单中间采出流程的产量增加了50%。Sumitomo重工设计了至少6座分隔壁精馏塔,其中和Kyowa Yuka 公司合作开发了乙酸乙酯的装置, 乙酸乙酯为中间产物, 其纯度可达99199%, 采用了单塔流程后除了减小了设备体积, 还节约了30% 40% 的设备费用和能量。LindeAG 公司刚为南非的Sosol 公司建造了世界上最大的分隔壁式精馏塔，塔高107m, 直径