第六章化工新技术综合PPT课件

.,1,化工节能新技术综合,第一节隔壁塔精馏至目前为止，所学的均相分离技术有四种，分别是结晶、精馏、萃取和膜分离，其中精馏技术是耗能最多的分离技术，同时也是最为成熟、应用最为广泛的分离单元操作，精馏过程能耗高、设备投资大。在炼油、石化等行业中，其能耗占全过程能耗的比例甚至高达70%，设备投资超过总投资的50%。因此，蒸馏过程节能技术的研究具有极其重要的意义。而隔壁塔精馏技术则是节能技术最为显著的生产技术之一。,.,2,一、热耦合蒸馏塔,对于具有N个组分的混合物，采用传统的分离序列需要N-1个分馏塔才能得到所有组分的产品，组分需经过多次蒸发、冷凝，从能耗上讲并不经济。上世纪40年代提出了热耦合蒸馏技术，因其在节能的同时降低了设备投资，近年来得到迅速发展。,.,3,1、侧线精馏塔SR（SideRectifier）,原料：含有A、B、C三组分的混合物。其中，A组分沸点最低、B组分沸点处于中间值、C组分沸点最高。原料进入主塔进行蒸馏，主塔可以看着是由三段结构组成。进料口以上至塔顶为A组分的精馏段，在精馏段内将组分B全部打下来；进料口与侧线之间为提馏段，其作用是将A组分全部提馏上去，以确保在侧线位置无A组分的存在；侧线至塔底为B组分的提馏段。,.,4,侧线精馏示意图,.,5,塔顶和塔底分别得到轻组分产品A和重组分产品C。侧线采出气相进入侧线精馏塔，而侧线精馏塔可看着是B组分的精馏段，在该精馏段内，把C组分打回到塔底。从而在塔顶得到中间产品B。应用：低温精馏空气的分离过程中氮气、氧气、氩气的分离就是采用此原理。,.,6,2、侧线提馏塔SS（SideStripper）,原料：含有A、B、C三组分的混合物，其中，A组分沸点最低、B组分沸点处于中间值、C组分沸点最高。原料进入主塔进行蒸馏，主塔可以看着是由三段结构组成。塔顶和侧线采出口之间为A组分的精馏段，在精馏段内将组分B全部打回到侧线采出口；进料口与侧线之间为A、B组分特别是B组分的精馏段，其作用是将C组分全部打下来，确保侧线口无C组分存在；进料口至塔底为B组分的提馏段。,.,7,侧线提馏塔示意图,.,8,主塔的塔顶和塔底分别得到轻、重组分产品A和C。从主塔上部侧线采出液相进入侧线提馏塔，而侧线提馏塔可看着是A组分的提馏段，在该提馏段内，把A组分提馏到侧线口位置，不至于进入侧线塔底部而影响产品B的纯度。,.,9,3、完全热耦合蒸馏塔FC（FullyThermallyCoupledDistillationColumn）,最早由Petlyuk提出，因此又称为Petlyuk蒸馏。进料在预分馏塔中进行初步分离，轻、重组分得到彻底分离，中间组分分布于整个预分馏塔中，无重组分的塔顶气相与无轻组分的塔底液相分别进入主塔进一步蒸馏，中间组分B在主塔中间富集提纯，轻、重组分A和C分别在塔顶、塔底得到分离，从而实现三个产品的完全分离。,.,10,热耦合蒸馏与传统的精馏序列分离相比，原来三组分分离需要的四个换热设备（两个蒸发器、两个再沸器）减少为2个，从而达到节能和减少投资的目的。SR与SS的设计及控制相对简单，已经获得广泛应用，FC没有成熟的设计方法，在控制上比较复杂，相当长时间内未能得到工业应用。近年来随着人们对精馏技术及其控制技术的进一步研究，根据完全热耦合蒸馏原理开发的完全热耦合蒸馏塔已经获得成功应用。其工作原理图如图所示。,.,11,完全热耦合蒸馏塔示意图,.,12,3、完全热耦合蒸馏塔FC（FullyThermallyCoupledDistillationColumn）,预分馏塔由两段构成，进料口以上为A、B两组分，特别是B组分的精馏段，能够将C组分打回到进料口即可；进料口以下为A组分提馏段只要确保A组分不进入塔底即可。主精馏塔由四段构成。主塔进气口以上为A组分的精馏段；进气口至B组分的采出口之间为A组分的提馏段；主塔进液口至B组分采出口之间为B组分的精馏段，要求把C组分打回到进液口即可；进液口至主塔塔底为B组分提馏段。,.,13,二、隔板蒸馏塔DWC（DividingWallColumn）,在完全热耦合蒸馏塔的原理图中，可以看出，当缩短预分离塔与主精馏塔之间的气液管线时，会出现何种结构？当管线缩短后，可以看作把预分离塔打入或镶嵌到主塔中，主塔和预分离塔只一板之隔时，即可得到隔板精馏塔这两种结构的差别只是气液管线的合并。,.,14,二、隔板蒸馏塔DWC（DividingWallColumn）,隔板蒸馏塔DWC（DividingWallColumn）的原理与完全热耦合蒸馏FC的分离原理一样，只是利用隔板把塔的中段部分成两部分，进料侧相当于FC中的预分馏塔，另一侧以及塔未分隔的上下部合起来相当于FC中的主塔。隔板塔巧妙地使单塔实现了多塔分离功能。从理论上讲，N个隔板可以把一个单塔分隔成N+1个塔，实现N+1组分的分离，而总共只需要一对冷凝器与再沸器。其工作原理图如图所示。,.,15,隔板精馏塔的原理示意图,.,16,二、隔板蒸馏塔DWC（DividingWallColumn）,与传统的精馏序列相比，能耗与设备投资都能降低30%左右，一些特殊的物系，节能幅度甚至达到50%60%。此外，结构紧凑还带来占地面积小、管线短等相关的优势。目前广泛应用的商用过程模拟软件都可以用来精确计算隔板蒸馏塔，比如ASPENPLUS和HYSYS等，前者有现成的隔板蒸馏塔模块，HYSYS则需要用两个塔并联来实现。无论采用哪种方法来模拟计算，其自由度都有五个：冷凝器、再沸器、三个产品。典型的设计指定（DesignSpecification）为三个产品的浓度（或产量）、隔板塔上部液体进入隔板两侧的比例以及隔板下部气体进入隔板两侧的比例。隔板蒸馏塔的模拟计算并不是十分困难，但是其优化却相对困难得多，只有隔板两侧流体的比例分配得合理才能够真正达到节能的目的。,.,17,二、隔板蒸馏塔DWC（DividingWallColumn）,除了设计和优化外，更大的难点在于对隔板蒸馏塔的控制，因此研究隔板蒸馏塔的动态特性才能确定其控制方案：参数、控制点及方法，并进一步优化塔的设计，调整其理论板数在不同部位的合理分布及余量。对于许多物系，与传统蒸馏塔一样，温度灵敏板仍然是一个很好的控制选择。隔板蒸馏塔的传质单元可以采用塔板，也可以采用填料。由于隔板部位的截面不再是对称的圆形，因此必须采用专门设计的塔板。填料只要恰当处理好壁流即可。填料隔板塔的结构如图3所示。隔板下部气体按照设计的比例，通过计算两侧填料阻力，调整两侧的截面积之比来实现；隔板上部液体的分配通过液体再分布器实现，并设置液体分流器来调控隔板两侧的气液比。,.,18,隔壁塔的优势,隔板蒸馏塔并非适合所有物系的分离，以下两种情况下隔板塔具有明显的优势1）中间产品浓度要求高的物系如果从隔板蒸馏塔侧线采出的中间产品的纯度要高于侧线塔分离得到的中间产品的浓度，则应优先选用隔板塔。即使中间产品浓度要求不高，在对能耗和投资有限制的情况下，隔板蒸馏塔仍然有优势。2）进料组成中中间组分含量高，轻、重组分含量相当的物系。进料中的中间组分浓度达到2/3左右，则是非常理想的物系，当然相对挥发度也会影响隔板塔的分离难度，轻组分/中间组分与中间组分/重组分的相对挥发度差异比较大，则隔板蒸馏塔就没有显著的优势。,.,19,二、隔板蒸馏塔DWC（DividingWallColumn）,虽然隔板蒸馏塔早在1949年Wright就申请了美国专利，但直到近年来才得到实际应用。蒸馏技术专业公司Montz公司为BASF等公司提供了60多座隔板蒸馏塔，KBR，Uhde、UOP、Linde等公司也都采用了此项技术，其中Linde公司建造的最大规模的隔板塔直径5m、塔高107m。国内天津大学化学工程研究所蒸馏与填料研究室也已成功地把此项技术应用于工业生产。,.,20,第二节热泵技术,世界各国的能源消耗中,以热能消耗量为最大。在一次能源变成热能再转换成各种形式能量的过程中,约有58.5%的能量是以排气、蒸汽、热水(低温)等排热形式而损失的。而这些排热损失中,低于100的热能占很大比重。热泵技术的开发为利用低温热能提供了有力的手段，满足了节约能源和保护生态环境的要求。它是一种在外界能量的协助下,把热能从低温物体转移到高温物体的设备。热泵的分类有多种,按原理来分有:压缩式热泵、吸收式热泵、化学热泵、吸附式热泵。,.,21,热泵技术的发展历程,热泵技术的发展经历了一个多世纪。1824年卡诺首先提出热力学循环理论之后,1852年开尔文具体提出了热泵的设计思想,当时由于条件所限并没有立即得以实现。直到1917年德国卡赛伊索达制造厂首次把热泵应用于工业生产上。70年代以来,欧洲各国和苏(前苏联)、日、美、澳等国对热泵研究工作十分重视,各工业国均投入了大量的资金致力于更经济、输出温度更高、工业更为先进的新型热泵的开发。吸收式热泵、吸附式热泵、化学式热泵均得到了较大的发展,并进入了商品化生产阶段。,.,22,热泵技术的发展历程,20世纪80年代初,随着经济发展和人们生活水平的提高,能源问题变得突出,为了节约能源和有效利用能源,国内部分高校、研究所掀起了对热泵研究的热潮。89年中国科学院广州能源所举行的“热泵在我国的应用发展专家研讨会”肯定了热泵在我国应用发展的可能性和重要性,从而进一步将热泵研究推向高潮。但研究的种类多限于压缩式热泵,而且只有有限的几种应用形式：干燥去湿热泵、蒸发蒸馏热泵、热水型热泵。近年来,以热源为动力的吸收式热泵、化学热泵、吸附式热泵才有了一定的发展。一些科研院所已经开始着眼于新型热泵技术的研究,如太阳能热泵的研究、地源热泵、吸收压缩复合式热泵等。目前，热泵技术已与我们的生活息息相关。,.,23,一、热泵技术的类型,1、压缩式热泵压缩式热泵结构：压缩式热泵通常由4大件构成：压缩机，压缩倍数高于35即可。冷凝器。节流阀，也叫限流器，可使用阀门，也可用毛细管代替。蒸发器。携带热量的介质选择：相变热大的介质，相变热大，在同样压缩量的条件下，可传递更多的热量。介质应有适宜的沸点范围，且熔点低。综合考虑，以氟利昂最为合适。,.,24,压缩式热泵的原理图,.,25,（3）压缩式热泵的工作原理,氟利昂气体经压缩机增压后送入冷凝器，由于节流阀的限流作用，气体氟利昂在冷凝器中液化放热，热量传给周围的空气。节流阀有效地限制液体氟利昂的流量，确保了蒸发器与冷凝器之间存在一个较大的压差。由于压缩机（也可以看作是抽气机）的对氟利昂蒸汽的抽吸作用，使蒸发器中的压力降低，低压下液体氟利昂可以在低压下气化，气化吸热，热量来自周围的空气。仅起到抽吸氟利昂气体，将其加压的效果。,.,26,1、压缩式热泵,（4）压缩式热泵的驱动形式：按驱动源来分,可分为电动型和动力型两种。电动型蒸气压缩式热泵是依靠马达(电动机)驱动的。而动力型蒸气压缩式热泵是直接由柴油机、煤气机驱动的。它由电动型热泵发展而成。动力型热泵的性能系数比电动型的大,（5）压缩式热泵的优点：具有转移能量较大、调节简单、部分负荷性能良好等优点。目前,国内外研究开发工业上用的高温蒸气压缩式热泵重点放在选择和改进现有的制冷机和制冷剂上,对于制热量较小的热泵系统通常选用往复式压缩机,以及在一定工作压力下提高换热器的换热性能。此外,还研制用气体来润滑的压缩机组,选择性能良好的制冷剂等。,.,27,2、吸收式热泵,吸收式热泵是单纯以热能为补偿热能,在吸收式制冷循环基础上发展起来的。常用的制冷剂是溴化锂水溶液。它又分为两种类型:型吸收式热泵它是借消耗一部分高温热量将低温热量的温度提高到可以利用的中温程度的一种热泵,其性能系数大于1;型吸收式热泵不需要消耗高温热能就能使低温热量的温度提高,性能系数小于1。,.,28,吸收式热泵的工作原理,.,29,3、化学热泵,化学热泵是利用物质化学反应时产生的吸热和放热来组成热力循环的一种热泵,它可用于加热、制冷及提高能量的品位,具有其它类型热泵所没有的优点,即当化学反应停止时,它具有蓄能的功能。在80年代初,化学式热泵还处于实验阶段,近年来发展很快。能把废热提高到165的化学热泵已在美国、日本、俄罗斯和一些欧洲国家商品化,美国火箭研究所工业化学热泵公司研制成了44kW的硫酸水溶液化学热泵,而瑞典则研制了称之为“TEPIDUS”硫化钠水溶液化学热泵。国内近年来尽管已开展了对化学热泵的研究,但由于已开发工质的化学性能不很稳定,且腐蚀性较强,对热泵系统材料要求较高,增加了热泵的投资费用,故至今实例化例子不多。,.,30,化学热泵的工作原理,.,31,二、热泵技术的应用,.,32,三、复叠制冷,.,33,四、冷箱,冷箱它是利用节流制冷,分离甲烷和氢气并回收乙烯的一个装置,为防止散热,常装在一个绝热的方形容器中,俗称冷箱。图5-1-17是冷箱的工作原理图。由脱甲烷塔顶来的温度为-95.5摄氏度,压力为3.39MPa的甲烷-氢混合气进入第一冷箱,被冷却到-103摄氏度,使其中所含的一部分甲烷