化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講2024/3/30化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講第五章

分離過程的節(jié)能化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講目錄蒸餾過程能量利用現(xiàn)狀及節(jié)能途徑蒸餾操作中的熱能回收利用

回流比對精餾過程節(jié)能的影響多效蒸餾、熱泵蒸餾新型塔板的應(yīng)用第五章

分離過程的節(jié)能吸收過程操作線及適宜液氣比吸收操作與塔設(shè)備精餾操作中的節(jié)能技術(shù)

單段和兩段吸收過程的有效能分析塔設(shè)備性能分析填料類型與性能評價化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講5.1蒸餾過程能量消耗及節(jié)能精餾過程能耗較大，如原油精餾燃料消耗占全廠的15%-40%。精餾系統(tǒng)能量利用率低，95%左右被塔頂冷凝器的冷卻水帶走，能量利用率僅5%左右。涉及的能量項：原料帶入；加熱熱源輸入；塔頂回流帶入；塔頂產(chǎn)品帶出；冷卻水帶出；塔底產(chǎn)品帶出；熱損失，七項?；す?jié)能技術(shù)第五章第一講(1)熱量充分回收利用：據(jù)調(diào)查煉化企業(yè)，小于1000C的余熱占57%，1200C-2000C的占37%，大于2000C的占6%。一般1500C以下的低溫余熱占一半以上，如何加以利用是值得研究的。(2)減少蒸餾過程所需能耗：在很大程度上取決于回流比大小，可能的條件下，盡量減少操作回流比。(3)嚴(yán)格控制產(chǎn)品的質(zhì)量規(guī)格：不盲目的追求高純度。如一座70塊塔板的精餾塔，塔頂輕組分從98%提高到99%，塔底重組分從99.6%到99.7%，則能耗增加8%。再如丙烷-丙烯混合物的精餾操作，生產(chǎn)99.9%及99.7%的產(chǎn)品比生產(chǎn)99.5%的產(chǎn)品能耗分別增加36%及10%。5.1蒸餾過程能量消耗及節(jié)能化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講(4)精餾裝置的技術(shù)改造：選擇高效塔板、高效填料，合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，強(qiáng)化相間傳質(zhì)過程，提高系統(tǒng)的分離效率等。精餾系統(tǒng)精心設(shè)計，使分離效率最高、流體力學(xué)性能最好、操作處于最佳狀態(tài)。

精確測量、計量及計算機(jī)程序控制。一般疏水器容易失靈，如果采用液位指示控制的冷凝水槽代替疏水器，效果較好。(5)采用精餾節(jié)能新技術(shù)：中間加熱-冷卻精餾?？筛淖兙s過程的操作線，合理分布塔內(nèi)傳質(zhì)傳熱推動力，減少過程的不可逆性。如采用中間再沸器。多效精餾。熱泵技術(shù)。5.1蒸餾過程能量消耗及節(jié)能化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講QFQDQWQRQ0QB精餾塔二、蒸餾過程能量消耗及節(jié)能1、熱量利用的熱力學(xué)基礎(chǔ)（1）熱量衡算低溫余熱的回收利用使以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，對體系作熱量衡算：其中：QB與QR為再沸器與冷凝器的熱負(fù)荷；QF、QD與QW為原料液、塔頂餾出液及塔釜產(chǎn)品所含有的熱量；Q0為散失于環(huán)境的熱損失?；す?jié)能技術(shù)第五章第一講（1）熱量衡算再沸器的熱負(fù)荷為假設(shè)塔頂為全冷凝器，則假設(shè)原料液為沸點(diǎn)進(jìn)料，忽略原料液與出料液間的溫度差異，并忽略熱損失，則化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講（2）一般蒸餾過程的有效能損失上式表明，若再沸器所消耗的熱量與塔頂蒸汽冷凝所帶走的熱量相等，似乎有效能并沒有損耗。但實(shí)際兩者溫度并不相同，則有效能不相等。若塔頂冷凝器溫度為T1，塔底再沸器供熱溫度為T2（高），若不計塔內(nèi)流體阻力，則有效能損失為：

此式僅作估算，實(shí)際應(yīng)為：化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講綜上可得到如下結(jié)論：提高原料液的焓值或采用汽相進(jìn)料，如沸點(diǎn)進(jìn)料，可減小塔頂再沸器的熱負(fù)荷，減少蒸餾過程對能耗的需求；塔底產(chǎn)品（塔頂產(chǎn)品）、再沸器蒸汽冷凝液溫度均較高，可再利用其顯熱，減少能耗；塔頂冷凝器中相變潛熱，是主要能量損失項。充分利用這部分潛熱在節(jié)能中有明顯的效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講2、熱能利用的節(jié)能方案（1）利用余熱余熱原料液

利用塔釜產(chǎn)品、塔頂蒸汽及蒸汽冷凝水的余熱來余熱原料液，以提高進(jìn)料溫度。（2）利用冷凝水閃蒸產(chǎn)生低壓蒸汽

再沸器消耗大量蒸汽，隨之產(chǎn)生大量冷凝水，將冷凝水減壓，自蒸發(fā)產(chǎn)生的低壓蒸汽可供作其他熱源使用。（3）塔釜液減壓閃蒸回收熱量

利用塔釜液的自蒸發(fā)作用回收熱量。（4）塔頂蒸汽潛熱的回收利用將塔頂冷凝器用作蒸汽發(fā)生器，回收塔頂蒸汽的潛熱，回收的低壓蒸汽可作為補(bǔ)充蒸汽供作熱源使用。（5）一個塔的塔頂蒸汽作相鄰低壓塔再沸器的熱源

將塔頂蒸汽作相鄰低壓塔再沸器的熱源?；す?jié)能技術(shù)第五章第一講三、回流比對精餾過程節(jié)能的影響若塔頂采用全凝器，從塔頂最上一層板(第l層板)上升的蒸氣進(jìn)入冷凝器中被全部冷凝，因此塔頂餾出液組成及回流液組或均與第1層板的上升蒸氣組成相同，即y1=xD=已知值由于離開每層理論板的氣液兩相是互成平衡的，故可由y1用氣液平衡方程求得x1。由于從下一層(策2層)板的上升蒸氣組成y2與x1符合精餾段操作關(guān)系，故用精餾段操作線方程可化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講提餾段操作線方程式化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講精餾過程的不可逆損失圖（a）表示一般的精餾，操作線上某點(diǎn)離開平衡線的距離表示塔的某一界面處的不可逆程度，陰影部分反映了實(shí)際過程的不可逆程度，既不可逆性造成的能量損失。圖（b）表示在最小回流比時的不可逆損失，此時進(jìn)料截面處汽液處于平衡狀態(tài)，傳質(zhì)推動力為零。其他截面處不可逆性仍存在。

在最小回流比時，不可逆性程度較小，所消耗能耗液較小。化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講1、最小回流比時精餾操作熱力學(xué)分析當(dāng)回流從全回流逐漸減小時，精餾段操作線的截距隨之逐漸增大，兩操作線的位置將向平衡線靠近，因此為達(dá)到相同分離程度時所需理論板層數(shù)亦逐漸增多。當(dāng)回流比減小到使兩操作線交點(diǎn)正好落在平衡曲線(如圖1-26上點(diǎn)d所示)時，所需理論板層數(shù)就要無窮多。這是因?yàn)樵邳c(diǎn)d前后各板之間(進(jìn)料板上下區(qū)域)的氣液兩相組成基本上不發(fā)生變化，即無增濃作用，故這個區(qū)域稱為恒濃區(qū)(或稱為夾緊區(qū))，點(diǎn)d稱為夾緊點(diǎn)。此時若在平衡線和操作線之間繪梯級，就需要無限多梯級才能達(dá)到點(diǎn)d，這種情況下的回流比稱為最小回流比，以Rmin表示。化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講最小回流比

即:精餾段與提留段操作線交點(diǎn)e的坐標(biāo)為對于飽和液體進(jìn)料，有q=1,沒有預(yù)熱段，進(jìn)料與精餾段下降的飽和液體一起進(jìn)入提餾段，而兩段上升的蒸汽流量相等?；す?jié)能技術(shù)第五章第一講2、精餾操作最佳回流比

精餾操作，對于一定的工藝條件，F(xiàn)、W、D、r及hF、hD、hW均為定值。若不計精餾過程的熱損失，再沸器的熱負(fù)荷：

表明，熱負(fù)荷與回流比成正變線性關(guān)系。再沸器的熱負(fù)荷反映了操作費(fèi)用，因此操作費(fèi)用與回流比間關(guān)系可用下式表示：回流比越大，塔板數(shù)越少，高度降低，而塔徑則增大，所以設(shè)備費(fèi)用與回流比關(guān)系可寫成：化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講總成本與回流比的關(guān)系：化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講在精餾裝置的設(shè)計中一般需確定最佳回流比。如對于填料塔，，當(dāng)操作費(fèi)用為零時：隨著能源價格的提高，值相應(yīng)增大，最佳回流比適當(dāng)減小。1960年設(shè)計點(diǎn)：目前一般蒸餾設(shè)計中：化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講對帶有中間冷凝器和中間再沸器的精餾塔作物料衡算。精餾段作總物料與熱量衡算，得：四、帶中間加熱-冷卻的精餾過程化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講中間加熱-冷卻精餾的節(jié)能效益常規(guī)精餾塔的有效能損失為：中間加熱-冷卻精餾塔的有效能損失為：采用中間加熱-冷卻的精餾過程，可以充分利用工廠余熱、回收塔頂冷凝潛熱、塔低再沸器溫度低于環(huán)境溫度時可回收冷量等?？捎行У亟档湍芎??；す?jié)能技術(shù)第五章第一講3、S.R.V蒸餾DistillationWithSecondaryRefluxandVaporization基本原理：將精餾段與提餾段分開，使精餾段壓力高于提餾段，利用精餾段與提餾段之間的溫差進(jìn)行熱交換，把回收的能量用于過程本身，減少塔頂冷凝器與塔低再沸器的外加能量，從而達(dá)到節(jié)能的目的。兩段之間，利用壓縮機(jī)將提留段上升蒸汽加壓后送入精餾段。精餾塔頂高壓蒸汽經(jīng)膨脹機(jī)回收部分能量后預(yù)熱原料液。塔頂蒸汽冷凝后部分作產(chǎn)品部分回流。化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講原料D提留段精餾段減壓閥膨脹機(jī)壓縮機(jī)泵熱源冷凝器換熱器W化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講與常規(guī)精餾相比較可以節(jié)約能耗50%-70%。另據(jù)文獻(xiàn)報導(dǎo)：S.R.V的能耗受操作溫度影響較大。如丙烯-丙烷系統(tǒng)，常規(guī)精餾的塔壓0.66MPa，冷凝溫度50C，改用S.R.V蒸餾，操作壓力1.40MPa，冷凝溫度34.5℃，可節(jié)約冷卻水61%，但蒸汽消耗量反而增加71%。乙烯-乙烷系統(tǒng)，常規(guī)精餾塔壓0.3MPa，冷凝溫度-82℃，改后塔壓0.99MPa冷凝溫度-54℃，節(jié)約冷卻水77%，蒸汽消耗量減少54%?？梢姷蜏匦Ч黠@。S.R.V蒸餾設(shè)備較復(fù)雜，投資較大，操作控制較困難，但節(jié)能潛力大。隨著工業(yè)技術(shù)和能源問題的重視，將日益受到人們的普遍關(guān)注?；す?jié)能技術(shù)第五章第一講五、多效蒸餾多效精餾的原理與多效蒸發(fā)相似，有不同壓力的精餾塔組成，利用壓力高的塔頂蒸汽依次作為相鄰壓力低的塔的再沸器熱原，汽化潛熱被精餾系統(tǒng)本身回收利用，節(jié)能效果顯著。近年來作為節(jié)能的新工藝在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，不僅蒸汽消耗量下降，而且冷卻水的用量也減少。一般雙效精餾可節(jié)能30%-50%，三效精餾可節(jié)能405-60%，四效精餾節(jié)能效果可達(dá)70%左右。一般不大于四效，否則效果變差?；す?jié)能技術(shù)第五章第一講六、熱泵精餾熱泵是消耗一定的能量，將熱量由低溫?zé)嵩磦鬟f給高溫?zé)嵩?，這種裝置稱之為“熱泵”。在精餾系統(tǒng)中，塔頂蒸汽用熱泵提高它的溫位，并作為再沸器的熱源，有效的回收蒸汽的冷凝潛熱，用于過程本身，提高了熱效率。因此，熱泵精餾是一種很有前途的有效節(jié)能技術(shù)。用于化工生產(chǎn)中的熱泵，主要是蒸汽壓縮式熱泵，低溫蒸汽借助于壓縮裝置來提高其溫位。分為兩類：機(jī)械壓縮式熱泵，螺桿式壓縮機(jī)或離心式透平壓縮機(jī)。由于壓縮比大，余熱溫位提高較大，熱泵精餾多采用此種型式；蒸汽噴射式熱泵，利用0.8MPa以上的較高壓蒸汽從噴嘴處高速噴出，所產(chǎn)生的卷帶抽吸作用，降低溫位的蒸汽吸入，混合后以0.4MPa以下的低蒸汽從噴射器中噴出，作為熱原使用，設(shè)備簡單，但節(jié)能效果不如壓縮式熱泵?；す?jié)能技術(shù)第五章第一講熱泵精餾的熱力學(xué)性能提供給再沸器的熱量與輸入系統(tǒng)的機(jī)械能之比值是衡量熱泵效率的基準(zhǔn)，稱為熱泵的性能系數(shù)（Coeffcientofperformance）或供熱系數(shù)（Coeffcientofheating）用COP表示。熱泵的最小供熱系數(shù)：假設(shè)由燃料直接產(chǎn)生蒸汽的鍋爐效率為g，蒸氣管道的供熱效率為v，所消耗的燃料為B1，燃料的熱值為H，則供給塔底再沸器的熱量：化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講熱泵精餾的熱力學(xué)性能若驅(qū)動熱泵所消耗的燃料為B2，電廠的發(fā)電效率為e，電網(wǎng)的輸配電效率為p，電機(jī)及其傳動效率為m，則實(shí)際壓縮功為從節(jié)約能源的觀點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)B1=B2時為熱泵的最小供熱系數(shù)，則由上式：化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講若取上效率依次為:0.75、0.95、0.28、0.9、0.9則：熱泵精餾的熱力學(xué)性能上式表明采用熱泵精餾，實(shí)際供熱系數(shù)大于3.14方能達(dá)到節(jié)能的目的。一般熱泵的有效供熱系數(shù)取?；す?jié)能技術(shù)第五章第一講熱泵精餾的熱力學(xué)性能設(shè)：EQ2—熱泵提供給再沸器熱量Q2的有效能；EQ1—塔頂蒸汽供給熱量Q1的有效能；W—輸入壓縮機(jī)的電能。則：有效能衡算式：則：化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講熱泵的經(jīng)濟(jì)性評價。熱泵精餾的熱力學(xué)效益取決于熱泵的供熱系數(shù)，從節(jié)約燃料的觀點(diǎn)出發(fā)實(shí)際供熱系數(shù)COPeff必須大于COPmin。但在經(jīng)濟(jì)上是否合算，還要看獲得相同熱量時當(dāng)?shù)氐碾娒罕葍r。若再沸器所需提供的熱量為Q2，蒸汽的價格為Sv，壓縮機(jī)所消耗的功為WP，電價為Se，則熱泵系統(tǒng)獲得經(jīng)濟(jì)效益的條件是：熱泵精餾的熱力學(xué)性能化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講（3）熱泵精餾的熱力學(xué)及經(jīng)濟(jì)性分析若用S表示電熱比價，則：要全面衡量是否經(jīng)濟(jì)，還必須考慮熱泵系統(tǒng)所增加的設(shè)備投資與回收期限。熱泵系統(tǒng)全年能節(jié)省的操作費(fèi)用為：設(shè)熱泵系統(tǒng)增加的設(shè)備投資為Cap，償還期限為R，一般取R=1-1.5年，元/年化工節(jié)能技術(shù)第五章第一講七、其他精餾節(jié)能技術(shù)1、控制循環(huán)蒸餾在一般的蒸餾系統(tǒng)中增設(shè)了一個自動啟閉的電磁閥，當(dāng)電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，塔內(nèi)液體向下流動；當(dāng)電磁閥開啟時，氣體向上流動。通過控制電磁閥的啟閉時間，使液體與氣體周期性向上向下流動，每一循環(huán)時間1-10S。塔內(nèi)氣體呈不穩(wěn)定操作，液體可看作為活塞流，無軸向反混現(xiàn)象。當(dāng)氣體上升時又能與液體充分接觸，所以傳質(zhì)推動力較一