1、差壓熱耦合蒸餾節(jié)能技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展【摘要】化學(xué)工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)提供了重 要基礎(chǔ)材料和能源，創(chuàng)造了高達(dá)20%的GDP，約占工業(yè)總產(chǎn)值的30%。但同時(shí)它也是我國(guó)工業(yè) 污染的主要來(lái)源和能源消耗大戶之一，其廢水排放量居全國(guó)工業(yè)廢水排放總量之首位，約占 19.7%，能源消費(fèi)量約占全國(guó)能源消費(fèi)總量的16.4%。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的化學(xué)工業(yè)存在“高能耗、高污染和高物耗”的現(xiàn)實(shí)問題，嚴(yán)重制約著我國(guó)化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展1。因此 節(jié)能、降耗、環(huán)保的技術(shù)迫在眉睫，全文主要介紹差壓熱耦合蒸餾節(jié)能技術(shù)化工行業(yè)中的應(yīng) 用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。【關(guān)鍵字】差壓熱耦合蒸餾節(jié)能應(yīng)用快度發(fā)展的經(jīng)濟(jì)

2、帶動(dòng)了全球石油工業(yè)的巨大發(fā)展，但是伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油開采 的加大，各國(guó)對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的提高，人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和各種環(huán)境保護(hù)法對(duì)環(huán)保要求 的不斷提高，石油化工面臨著環(huán)境的挑戰(zhàn)，空氣污染、酸雨、地球變暖、臭氧層變薄等給我 們帶來(lái)了不少的憂慮。當(dāng)前世界各國(guó)企業(yè)和研究單位均對(duì)石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)和石油煉制、 石油化工工藝技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了越來(lái)越多的重視，并投入較大的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行開發(fā)。 因此可以說(shuō)，石油化工工藝的開發(fā)與創(chuàng)新很可能是決定石油化工工業(yè)未來(lái)生存和發(fā)展的關(guān) 鍵。因此節(jié)能技術(shù)成為當(dāng)今一個(gè)大發(fā)展趨勢(shì)。1背景精餾是化工、石化等行業(yè)中的重要組成部分，是利用混合物中各組分揮發(fā)度的不同進(jìn)行 分離的

3、操作單元，在所有的分離方法中，其以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，并占據(jù)著 主導(dǎo)地位，但精餾對(duì)整個(gè)流程的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗與原料消耗、環(huán)境保護(hù)有 重大影響。石油和化學(xué)工業(yè)的能耗占工業(yè)總能耗的很大部分，其中約60%就用于精餾過(guò)程。 精餾投資約占化工、石化項(xiàng)目總投資的30% 40% 句。隨著世界能源的日益短缺，精餾過(guò)程一直是研究者節(jié)能挖潛的熱點(diǎn)對(duì)象，它的每一個(gè)進(jìn) 展都會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。迄今為止，已經(jīng)開發(fā)了多種精餾節(jié)能的工藝流程，如熱泵精餾、 熱耦精餾、多效精餾等。熱耦精餾由于既節(jié)能又節(jié)省設(shè)備投資，引起了人們的廣泛關(guān)注。最早的熱耦精餾是50年 前由Petlyuk提出的：5，熱耦精餾塔節(jié)

4、能的主要原因有兩點(diǎn)：第一，熱耦精餾塔較好地解決 了中間組分在塔內(nèi)的再混合問題；第二，熱耦精餾預(yù)分塔進(jìn)入主塔的物料，其組成能夠較好 地和主塔進(jìn)料板上的組成相匹配，符合最佳進(jìn)料板的要求。圖1熱耦精餾塔簡(jiǎn)化法模型6但是，現(xiàn)有的熱耦精餾技術(shù)，仍擺脫不了精餾過(guò)程中所需要的塔頂冷凝液體回流和塔釜 再沸蒸汽上升操作的限制。對(duì)于主精餾塔來(lái)說(shuō)，由于塔頂溫度要低于塔底溫度，因而塔頂冷 凝器和塔底再沸器之間不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行匹配換熱，也就不能實(shí)現(xiàn)完全的熱耦合。通過(guò)對(duì)各種 熱耦和熱集成精餾過(guò)程深入研究，為了解決以上問題，一種新型的差壓熱耦合低能耗蒸餾過(guò) 程被提出。2差壓熱耦合蒸餾差壓熱耦合低能耗蒸餾過(guò)程將普通精餾塔分割為

5、常規(guī)分餾和降壓分餾兩個(gè)塔，常規(guī)分餾 塔的操作壓力與常規(guī)單塔時(shí)相同，而降壓分餾塔采用降壓操作以降低塔底溫度苗。降壓分離 塔段塔頂蒸汽經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮進(jìn)入常規(guī)分離塔段，常規(guī)分離塔段塔底液體由壓差推動(dòng)進(jìn)入降 壓分離塔段。降壓分離塔段降壓操作可以使得其塔釜再沸物料的溫度低于常規(guī)分離塔段塔頂 物料的溫度，利用該兩股物料的匹配換熱從而實(shí)現(xiàn)兩塔的完全熱耦合，并利用輔助冷凝器和 輔助再沸器實(shí)現(xiàn)整個(gè)精餾過(guò)程能耗的完全匹配，實(shí)現(xiàn)精餾過(guò)程的大幅度節(jié)能。1 常規(guī)分餾塔；2一降壓分餾塔；3一主換熱器；4壓縮機(jī)；5 輔助冷凝器；6輔助再沸器；7一回流罐；8一進(jìn)料差壓熱耦合低能耗蒸餾與現(xiàn)有熱耦蒸餾技術(shù)相比，具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)

6、營(yíng)。差壓熱耦合精餾過(guò)程的常規(guī)分餾塔塔頂冷凝的負(fù)荷可以與降壓分餾塔底再沸器 的負(fù)荷相匹配，實(shí)現(xiàn)熱耦精餾，匹配換熱。與常規(guī)的單塔精餾過(guò)程不同，差壓熱耦合精餾過(guò)程的常規(guī)分餾塔頂上升蒸汽能 夠用于加熱降壓分餾塔塔底物料，滿足塔底再沸的要求。熱消耗是精餾操作中的主要能耗所在，用差壓降溫手段實(shí)現(xiàn)了最小的熱消耗， 甚至實(shí)現(xiàn)冷熱負(fù)荷完全匹配，熱消耗為零。而實(shí)現(xiàn)該目的的手段僅僅是在設(shè)備 中增加一臺(tái)壓縮機(jī)，該動(dòng)力消耗相對(duì)于原有的熱消耗小很多。3技術(shù)應(yīng)用3.1三氯氫硅差壓耦合精餾系統(tǒng)多晶硅是制造集成電路襯底、太陽(yáng)能電池等產(chǎn)品的主要原料。多晶硅可以用于制備單晶 硅，其深加工產(chǎn)品被廣泛用于半導(dǎo)體工業(yè)中，作為人工智能、自

7、動(dòng)控制、信息處理、光電轉(zhuǎn) 換等器件的基礎(chǔ)材料。三氯氫硅差壓耦合精餾系統(tǒng)包括低壓精餾塔、加壓精餾塔、塔釜再沸器、塔頂冷凝器和 輔助冷凝器；在兩個(gè)精餾塔段之間設(shè)置有冷凝再沸器，加壓精餾塔塔頂?shù)臍庀辔锪铣隹谶B接 到冷凝再沸器加熱介質(zhì)入口，加熱介質(zhì)出口再返回到加壓精餾塔塔頂；低壓精餾塔塔底的液 相物料出口連接到冷凝再沸器受熱介質(zhì)入口，受熱介質(zhì)出口再返回低壓精餾塔塔底。原料采 用不同的塔進(jìn)料，所以可以采用兩套工藝流程，工藝流程A采用低壓塔作為前塔脫氫，加壓 塔進(jìn)料需加進(jìn)料泵；工藝流程B采用加壓塔作為前塔脫氫，低壓塔進(jìn)料可無(wú)需加進(jìn)料泵。三 氯氫硅差壓耦合精餾系統(tǒng)大幅度降低生產(chǎn)成本和能耗，精餾節(jié)能40%左右

8、，顯著的提高了多 晶硅材料的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。圖4三氯氫硅差壓耦合精餾工藝流穆示意圖8圖5三氯氫硅差壓耦合精餾工藝流程示意圖81-三氯氫硅原料進(jìn)入口； 2-低壓精餾塔；3-塔頂冷凝器；4冷凝再沸器；5-加壓精餾塔；6-輔助冷凝器；7- 塔釜再沸器；8-泵；9-塔頂組分土 10-采出物料入；11-回流物料入；12-塔底脫氫海；13-再沸蒸汽4； 14- 高沸液A； 15-三氯氫硅氣相A； 16-料液A； 17-冷凝料液A； 18-三氯氫硅產(chǎn)品A； 19-塔頂組分B； 21-塔釜脫 氫液B； 22-再沸蒸汽B； 23-冷凝料液B； 24-塔釜重組分；27-三氯氫硅產(chǎn)品B； 28-三氯氫硅產(chǎn)品B與傳統(tǒng)的技

9、術(shù)相比，此方法有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）加壓塔頂冷凝的負(fù)荷可以與低壓塔底再沸器的負(fù)荷相匹配，實(shí)現(xiàn)熱耦合精 餾，匹配換熱。（2）能量消耗是精餾操作中的主要能耗所在，本技術(shù)與傳統(tǒng)相比，基本用差熱耦 合手段實(shí)現(xiàn)了最小的能量消耗。（3）部分工業(yè)兼顧差壓節(jié)能和差壓省泵的特點(diǎn)。根據(jù)三氯氫硅精餾過(guò)程全塔組成接近、溫度接近的特點(diǎn)，此技術(shù)能夠大幅度降低生產(chǎn)成 本和能耗，精餾節(jié)能40%左右。該技術(shù)顯著提高多晶硅材料的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)光伏和信息 材料產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。3.2回收處理含二甲基乙酰胺廢水二甲基乙酰胺作為優(yōu)良的有機(jī)溶劑，在其應(yīng)用過(guò)程中，產(chǎn)生大量的含DMAC廢水，質(zhì)量 分?jǐn)?shù)一般在20%35%。對(duì)此類廢水進(jìn)行處理回收DM

10、AC具有重要的意義。由于DMAC的沸點(diǎn) 比水高，采用蒸餾方法進(jìn)行回收時(shí)，需要蒸發(fā)大量的水；由于水的熱容較大，因此用常規(guī) 蒸餾法處理該廢水能耗很大。目前該類廢水的回收除了用常規(guī)精餾法外，還有萃取精餾法9 但能耗也比較大。采用節(jié)能型差壓熱耦合精餾工藝，可以充分利用塔頂水蒸氣潛熱，以達(dá)到 大幅度節(jié)能的目的。該工藝還具有工藝簡(jiǎn)單、不引入第3組分等優(yōu)點(diǎn)。差壓熱耦合精餾流程是將常規(guī)精餾塔分割為2個(gè)精餾塔，將原來(lái)的精餾段作為常壓塔 （T1 ）,提餾段作為負(fù)壓塔（T2 ）。T2塔采用負(fù)壓操作的目的是為了降低塔釜溫度，因此 就可以利用常壓塔塔頂蒸汽的潛熱來(lái)加熱該塔塔底的再沸器，進(jìn)行兩塔塔頂和塔底的熱耦 合，實(shí)現(xiàn)

11、精餾過(guò)程的大幅度節(jié)能。圖6差壓熱耦合精餾流程圖：10DltfAC1-預(yù)熱器；2-常壓塔T1; 3-冷凝器；4-再沸器；5-負(fù)壓塔T2;6-壓縮機(jī)采用差壓熱耦合精餾工藝，通過(guò)把常規(guī)精餾塔分割成串聯(lián)的常壓塔和負(fù)壓塔兩個(gè)塔， 可以實(shí)現(xiàn)塔頂蒸汽與塔底再沸器熱量的耦合匹配，大幅度降低精餾過(guò)程的能耗。與常規(guī)的單 塔精餾工藝比較，差壓熱耦合精餾工藝可以節(jié)約能量約73.14%,節(jié)能效果顯著。3.3丙烷-丙烯的分離烯烴的提純?cè)谑I(yè)中為蒸餾中耗能大戶，采用常規(guī)蒸餾方法時(shí)，能耗很高。運(yùn)用差 壓熱耦合蒸餾技術(shù)，總能耗降低了 92.3%，大幅度削減了丙烯-丙烷精餾分離過(guò)程中的能量 消耗，真正實(shí)現(xiàn)了用蒸餾塔頂蒸汽的潛

12、熱加熱塔底再沸器的目的，大幅度降低了蒸餾過(guò)程的 能耗營(yíng)。3.4混合C4氣體分離過(guò)程C4資源主要來(lái)自煉廠催化裂化（FCC）裝置和乙烯蒸氣裂解裝置。混合C4通常含 有丁二烯、異丁烯、1-丁烯、2-丁烯、異丁烷、正丁烷等組分。將異丁烷從混合C4分離出 后進(jìn)行1-丁烯的異構(gòu)化，其中分離的關(guān)鍵組分異丁烷沸點(diǎn)為一11.73 C，1-丁烯沸點(diǎn)為一 6.3 C，兩者之間沸點(diǎn)差5.43 C，采用常規(guī)精餾操作一般需要高壓操作，需要好多的理論 板數(shù)和很高的回流比才能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的高純度分離要求衛(wèi)。使用差壓熱耦合蒸餾技術(shù)，總能耗 降低了 87.1%，大幅度降低了混合C4分離過(guò)程的能耗。3.4其他應(yīng)用除上述幾種應(yīng)用外，差壓

13、熱耦合蒸餾技術(shù)在酒精行業(yè)中也起著重要的作用，例如在生產(chǎn) 燃料乙醇的工業(yè)中，雙粗塔差壓熱耦合蒸餾技術(shù)合理地利用了熱能，實(shí)現(xiàn)了蒸餾過(guò)程熱能的 耦合匹配，比兩塔差壓蒸餾能耗降低30%:n，節(jié)能效果顯著。同時(shí)，還具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、 蒸餾率高等優(yōu)點(diǎn)，在燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)值得推廣應(yīng)用。山東省龍口市振龍酒精有限公司在2005年對(duì)酒精制造的工藝進(jìn)行了研究，在2006年成 功的通過(guò)優(yōu)級(jí)酒精多塔差壓熱耦合技術(shù)，以多塔代替原先的單塔，使各塔在不同的壓力下操 作，并有效地利用了固定的冷、熱介質(zhì)之間的溫差，使總能量逐塔、逐級(jí)降低，充分地利用了 各級(jí)的能量，從而降低了有效能的損失，提高了熱力學(xué)效率124結(jié)語(yǔ)21世紀(jì)化學(xué)工業(yè)

14、在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中仍然占有不可或缺的支柱地位。在地球資源日趨枯 竭，環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，我國(guó)化學(xué)工業(yè)迫切需要向資源節(jié)約型和環(huán)境友好型發(fā)展模式 轉(zhuǎn)變，高效、節(jié)能、降耗、環(huán)保的技術(shù)是現(xiàn)代化工的熱門話題，也是科學(xué)研究者積極研究的 話題。參考文獻(xiàn)：1孫宏偉，陳建峰.我國(guó)化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)理論與應(yīng)用研究進(jìn)展J.化工進(jìn)展.2011，30 (1):1-15.呂永天.石油化工工藝的研究J.科技論壇中國(guó)高新技術(shù)企業(yè).2007:65-66.Bravo J L，F(xiàn)air J R，Humphrey J L，et al. Fluid Mixture Separation Technologies for Cost Re

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