化工基础论文《精馏技术的发展及应用》

1、精馏技术的发展及应用XX系 XX班 XX 学号：XX摘要：精馏是利用混合物中各组分挥发度的差异进行分离的操作单元。它被广泛地应用于工业生产中,并且在所有的分离方法中长期占据着主导地位。在化学工程中,最典型和最重要的多级分离过程是精馏过程,各种节能的、特殊的精馏分离流程得到快速的发展。本文将对精馏技术的原理、发展、应用及前景做出讨论,并浅谈几种新型的精馏工艺,旨在使精馏技术得到更广泛的发展和应用。关键词：精馏技术,多级分离过程,优化控制Abstract：Distillation is the use of the difference in the volatile components of

2、the mixture were separated in the operation unit,it is widely used in industrial production,and all the long-term separation dominates.In chemical engineering, the most typical and most important multi-stage separation process is distillation process, a variety of energy-saving, special distillation

3、 separation processes are rapid development.This article will distillation technology principle, the development, application and prospects to make discussions and on several new distillation process,distillation technology has been designed to enable the development and wider application.Keywords:d

4、istillation, multi-stage separation process, optimal control1、 精馏的概念与基本原理1、精馏的概念及发展 精馏过程是分离液体混合物的一种方法,在石油炼制、石油化工及化学工业中占有重要的地位,一般在化工厂的基建投资中通常占有50一90%的比重。为此了解分离过程,选择、设计和分析分离过程中的各参数是非常重要的。1蒸馏是有着悠久的历史的单元操作,早在公元初,人们已应用蒸馏来提浓酒精饮料。9世纪初,相继出现了泡罩塔填料塔和筛板塔。本世纪初,蒸馏技术已从酒精的提浓扩展为化学工业中的主要分离方法,广泛应用于原油分离制取各种油品。随着石油工业、化

5、学工业的发展,特别是石油化工的发展,无论在精馏装置的规模上,还是在分离的难度上,都提出了更高的要求,新型分离设备不断涌现,各种节能的、特殊的精馏分离流程得到发展,精馏的设计方法逐步实现了规范化,先进的精馏优化控制方案不断被开发并获得应用,精馏技术的发展已达到了相当成熟的程度。2、精馏基本原理精馏主要是利用混合物中各组分具有不同的挥发度,即在同一温度下各组分具有不同的蒸汽压,进行分离,挥发度较高的物质在汽相中的浓度比在液相中的浓度高,故借助于多次的部分汽化及部分冷凝,可达到轻重组分分离的目的。2精馏过程中,在精馏塔内气液相进行接触和分离,通过气液两相接触达到热力学平衡的塔板称为“理论塔板”或“平

6、衡塔板”, 一般来说,一个精馏塔的任务就是要使轻关键组分尽量多地进入馏出液,重关键组分尽量多的进入釜液。3其流程图如下图一。4研究精馏过程,需要依照气液两相在理论塔板上达到的热力学平衡及衡算关系来建立由相平衡、物料衡算、热量衡算以及摩尔分数加和所构成的数学模型“气液相平衡”系统的组成及混合物的焙性质,可以由热力学方法求得。精馏分离过程是复杂的传质传热过程。5其具体表现为：过程变量多,被控变量多,可控制的变量多；动态过程和复杂机理。例如,可采用不同的控制方案对同一的被控变量进行控制,控制方案的适应面广等。2、 精馏几种简单分类及特点2.1简单精馏:（l）平衡闪蒸气化和部分冷凝单级分离过程即为一般

7、闪蒸过程和部分冷凝过程,进料以某种方式被加热使其发生部分气化,经过减压装置,在闪蒸塔内使汽液两相迅速分离,得到含易挥发组分较多的蒸气,称为闪蒸过程。若与之相反,把蒸气进料部分冷凝,得到含难挥发组分较多的液体,称为部分冷凝过程。在上述过程中,如果气、液两相有足够的时间与紧密接触而达到了平衡状态,则这种方式称为平衡气化或平衡冷凝,适应于对分离纯度要求不高的场合。(2)逐次气化也称“微分蒸馏”即一定量的混合液体在釜中被加热使之逐渐进行气化,产生的蒸气被引出,并经过冷却后将其收集起来。微分蒸馏是一种非稳态过程,分离程度不高,工业应用很少,一般多在实验室分析中使用。2.1.1连续多级蒸馏多级连续蒸馏即精

8、馏,是化工装置中常用的蒸馏方法,进料连续地引入某一中间位置的板上,该板液体组成大体与进料组成相同,塔顶、塔底连续引出合格产品，塔顶设有冷凝器使蒸气冷凝并部分回流,塔底有再沸器产生蒸气送回塔内。蒸馏塔内建立温度和浓度梯度连续多级蒸馏的分离效果远优于平衡气化和微分蒸馏。2.1.2分批蒸馏在许多化工过程中,所处理的液体混合物可能要分批进行,或者是产量小,或者是浓度经常改变,或者是要求用同一个塔分离多组分混合物成为几个不同馏分等。此时,需采用分批蒸馏(或称间歇蒸馏)首先将被分离的原料液整批全部装入蒸馏塔的塔釜中,然后通过塔釜加热,使所产生的蒸气进入塔内逐渐上升,然后在塔顶冷凝,部分采出作为塔顶产品,与

9、单级的微分蒸馏不同,分批蒸馏可以是多级的,并采用部分冷凝液作为液体回流,使塔内气!液保持接触,这与连续蒸馏类似。在操作过程中,塔釜中的液体连续减少,塔顶产品在馏出液接收罐中积累。分批蒸馏可以通过改变回流比或压力,以达到馏出不同馏分的目的。它属于一种不稳态过程,适用于小型、多品种产品的工厂。2.2特殊蒸馏2.2.1萃取蒸馏 在化工过程中,有许多溶液组分的沸点很相近或相对挥发度很接近于1,用常规蒸馏的方法需要很多的板数,萃取蒸馏就是用加入第三组分的方法,分离沸点相差微小的溶液,加入的第三组分称为萃取剂。溶剂是萃取精馏技术的关键或核心,不同的分离体系必须采用不同的溶剂,根据被分离体系的性质,溶剂应与

10、被分离体系的某一个组分有较强交互作用、而与另一个被分离组分有较弱交互作用。6萃取剂的选择要考虑以下几点:萃取剂的选择性要大,即萃取剂的加入应使原组分间的相对挥发度有较显著的变化。萃取剂的沸点要适宜,若沸点太低,萃取剂容易被分离产品所带走,增大了萃取剂的消耗量。一般萃取剂的沸点比原组分的沸点都高。不与任一组分形成共沸物或化学反应,否则溶剂回收就比较复杂。萃取剂的溶解性也要好。经典萃取精馏工艺流程如下图。图一 经典的萃取精馏工艺流程2.2.2共沸蒸馏(恒沸蒸馏) 大部分非理想混合物,由于分子间相互作用力的结果,往往有共沸现象产生,用一般的蒸馏方法不能把它们分离,共沸蒸馏是通过加入第三组分的办法,分

11、离最低恒沸物,最高恒沸物或沸点相近的物系,加入的第三组分通常称为共沸剂或挟带剂。从分离和经济角度考虑:共沸剂能与被分离组分形成共沸物,且沸点要与纯组分的沸点有足够大的差别。在共沸物中每份共沸剂所挟带的组分要尽可能高,这样共沸剂的用量少,热耗也少,共沸剂容易分离和回收。2.2.3反应蒸馏 化学反应和蒸馏是化工生产中常用的两个单元操作,它们通常是在单独的设备中完成的,反应过程在各种形式的反应器中进行,而未反应的反应物、产物和副产物则在蒸馏塔中得到分离反应蒸馏过程即伴有化学反应的蒸馏过程,是将反应和蒸馏两个过程结合在于一个设备中进行。降低设备的投资和能耗,但不是所有的反应过程和蒸馏过程都可以合成反应

12、蒸馏过程。反应蒸馏过程仅适合于反应和蒸馏相匹配的情况,而对于高温、高压下的气相反应就不能采用。自七十年代以来,反应蒸馏的研究不再限于均相反应,已扩大到非均相催化反应系统,出现了催化蒸馏过程,即将催化剂粒子布于蒸馏塔中,它既有加速组分间化学反应的作用,还起到了填料的作用,其应用将日益广泛。 反应精馏技术(Reactive Distillation,简称 RD)最早由 Bacchaus 于 1921 年提出,它是将化学反应与精馏分离结合在同一设备中进行的一种耦合过程。7自此项技术提出以来,国内外学者对它的研究经历了纯实验、简单的图解和计算以及在计算机上用严格的数学模型进行模拟等不同阶段。反应精馏最

13、大优势在于反应过程的进行和反应产物的转移是在同时进行的。对可逆反应来说,反应产物及时转移出反应区可以驱动反应向正方向进行,另外对于平衡反应,也会得到较高的转化率。反应精馏的优点可以总结为：更高的选择性、转化率、设备集成；更短的反应时间；更低的能耗与投资。82.2.4分子蒸馏与短程蒸馏分子蒸馏是在高真空条件下,蒸发面和冷凝面的间距小于或等于被分离物料的蒸气分子的平均自由程,由蒸发而逸出的分子,不与其它分子碰撞,毫无阻碍地奔射到并凝集在冷凝面上。通常,分子蒸馏在10-3-10-4J/(mm Hg)的真空下操作。若操作真空度有所降低(即绝对压力略增加),则冷、热两面的距离有时就略大于蒸气分子平均自由

14、程,这种蒸馏称为短程蒸馏。短程蒸馏与分子蒸馏一般相差不大,但在设计计算时需加入校正系数。2.2.5催化精馏催化精馏（Catalytic Distillation,简称 CD）是反应精馏（Reactive Distillation,简称 RD）的一个重要分支,它将催化反应过程和精馏分离过程这两种常见的化工操作单元结合在同一个设备即催化精馏塔中进行,是一种有效的化工过程强化技术。9-10催化精馏耦合了催化反应和精馏分离两个过程,使反应物的反应和反应产物的分离同时进行,二者彼此强化。与将催化反应过程与精馏分离过程分开进行的传统流程相比,催化精馏具有以下工艺特点：（1）选择性好。对于连串反应,当目标产

15、物为中间产品时,催化精馏过程可以使中间产品及时离开催化剂床层,避免其发生进一步反应,使选择性得到了提高；（2）转化率高。对于可逆反应,反应产物被及时分离,驱使反应向正反应方向进行,打破热力学平衡限制,甚至可能出现完全转化,从而最大程度地提高反应转化率；（3）能耗低。对于放热反应,催化精馏可以充分利用反应放出的热量,将其作为精馏分离所需热量的一部分,从而减少再沸器的热负荷,降低生产能耗。对于吸热反应,催化反应和精馏分离所需的热量统一由催化精馏塔塔釜供给,也可以降低分别供热时产生的能量损失；（4）设备投资省。催化精馏技术使用单一的催化精馏塔代替传统的反应器后串联精馏塔的结构,简化了工艺流程,节省了

16、设备投资。这方面最典型的实例是醋酸甲酯的合成工艺,传统的工艺需要 1 个反应器和 9 个蒸馏塔,而采用催化精馏技术,在相同的生产任务要求下,只需要 1 个催化精馏塔即可。11（二）精馏分离的特点精馏分离过程是一个复杂的传质传热过程。12其具体表现为：过程变量多,被控变量多,可控制的变量多；动态过程和复杂机理。例如,可采用不同的控制方案对同一的被控变量进行控制,控制方案的适应面广等。因此在设计控制方案或控制系统时,需要熟悉精馏分离过程及其内在特性。 精馏除了应用历史悠久,技术比较成熟以外,还具有如下特点:（1）通过精馏操作,可以直接获得所需要的产品,不像吸收、萃取等分离方法,还要外加吸收剂或萃取

17、剂,并需进一步使所提取的组分与外加组分分离,因而精馏操作流程通常较为简单。(2)精馏分离的适用范围广泛,它不仅可以分离液体混合物,而且可以通过改变操作条件使常温常压下是气态或固态的混合物在液化后得以分离。而吸收、萃取等操作,只有当被提取组分含量较低时才比较经济。（3）精馏是通过对混合液加热建立汽液两相体系,汽相还需要再冷凝液化,因此需要消耗大量的能量(包括加热介质和冷却介质)。精馏过程的能耗占化学工业液体分离总能耗95%,占全球能量总消耗3%。13（4）另外,加压或减压将消耗额外的能量,精馏过程中的节能是个值得重视的问题。在下面将着重讨论。3、 改进精馏高能耗的措施精溜能耗之所以大,是因为它消

18、耗能量分离剂(ESA),而其他过程往往消耗质量分离剂(MSA)。14能量分离剂虽然能避免质量分离剂所存在的传质极限和种类选择等局限,却需要投入大量的能耗。因此,精馏过程虽然非常适用于高纯产品生产,但是必须通过改进设备和优化控制来降低能耗。过去的精馏操作中,为了得到很纯的产物,往往利用的是单塔串联的形式,这样的方法虽然能的到高纯的的产物,但是由于能量利用率不高,极易导致能耗徒增。近几年来,随着复杂精馏过程的出现,这样的能耗被降低了下来。（1）解决方式：为了降低精馏塔的能耗,人们采取了各种措施。这些措施大体可以分为以下两类:第一类是对精馏塔本身设备的结构改进或采用高效的精馏塔内件。15提高分离效率

19、,降低回流比来实现节能,其中分壁塔就是对精馏塔本身设备结构改进的一大成果。完全热藕精馏塔的结构如图1-1所示,16它由预分离塔和主塔组成,与传统流程相比,完全热藕精馏流程结构更加简单,减少了一个冷凝器和一个再沸器。在热藕精馏塔中完全没有组分再混合的问题,而且预分塔塔顶以及塔底中组分B的浓度是完全与主塔中者两股物流在进料板上的浓度相一致的,但是由于主塔和预分塔之间的四股物流的流量不可控性,难以实现工业应用。与完全热藕合精馏流程具有相同热力学性质和结构的分隔壁精馏塔将这两个塔合并进一个设备,中间加入分隔壁隔开,对于气液量分配量有隔板的位置和形状来决定,设备结构更加简单,操作初性大,且可控性强,有着

20、非常好的工业应用前景。实现相同分离任务时,设备费用和操作费都比常规精馏要省。17但由于减少了再沸器(冷凝器),必然使其使用受到限制。 分壁塔是完全热偶精馏塔的一种特殊的结构形式,假如分隔壁是理想的,即没有热量传递,那么其在热力学上是等价于Petlyuk结构序列的。到目前为止,对分割壁塔的控制研究水力学研究还不成熟,使得分壁塔的工业化应用也只有在国外少数几家公司得以实现,国内至今还没有出现将分壁塔用于工业生产的例子。图二 分离三组分的完全热偶精馏塔示意图（2）潜热利用：精馏塔的显热回收量通常较小,对高温精馏过程,常回收塔顶蒸汽的潜热。从精馏塔出来的高温物料本身携带大量的热量,若对塔顶物料的余热进

21、行充分回收利用,还可减少塔顶冷凝器冷量的使用量。一般对塔顶具有一定压力、温度的液体物料,可通过减压室将其显热转换成潜热进行回收,方法是：使塔釜液先进入减压罐,在真空作用下闪蒸成蒸汽,然后通过中压蒸汽驱动的蒸汽喷射泵将此部分蒸汽升压,用于其他设备,其流程见下图2。18图三 塔釜余热利用流程4、 结语 综上所述,随着世界范围内的能源紧缺,精馏过程节能愈来愈引起人们的重视,节能型精馏流程对降低石油化工过程的能耗起到非常重要的作用。如何合理充分利用精馏过程的热能,降低整个过程对能量的需要,做到增产不增能耗,在工业生产中有着重要的现实意义。在精馏过程中可以从充分利用精馏过程热能,提高蒸馏系统的热力学效率

22、,减少蒸馏过程对能量的需要等几个方面着手,采取最适宜回流比、操作压力、最佳进料状态,合理安排多塔排列顺序,使用中间冷凝器和中间再沸器,或采用多效精馏、热泵精馏等措施。尽管每种措施都能达到一定的节能效果,但降低精馏系统能耗应考虑多种因素的影响,对多种方案进行综合比较优化,才能使节能效果达到最佳。 本论文新颖点在于首先概括了精馏的发展及其特点,并介绍了几种常见的精馏技术,但由于时间关系,有许多不足的地方,希望在以后的时间里能有较大的提高,为化工领域贡献绵薄之力。参考文献：l化学工程手册编委会.化学工程手册第H篇,北京:化学工业出版社,1979.2李天一,用同伦算法模拟复杂精馏过程D天津大学化工学院

23、,2004,11.3袁传敏,多元物系中分离异松油烯精馏塔的研究D昆明理工大学,2001,3.4 王梦华.精馏过程节能技术探讨J齐鲁石油化工,2003,31(9)：324-3265贾邵义,柴诚敬,化工传质与分离过程J,北京：化学工业出版社,2001,158-160.6王文华.萃取精馏技术强化与应用D天津大学化工学院,2006,6.7Doherty M F ,Buzard G.Reactive distillation by designJChem Eng Res, Des. 1992,70 (A5): 448.8宁亚南.反应精馏应用于内部热耦合精馏以及差压热耦合精馏技术的模拟研究D中国石油大学,2011,5.9 Lei Z G, Chen B H, Ding Z W. Special D