化工过程强化技术的发展与应用-石油大学刘雪暖.ppt

炼油、化工、制药等现代过程工业是大型化、高效率、高利润的产业，是国民经济的支柱。但是，它们在创造大量财富的同时，也往往存在高物耗、高能耗和高污染的问题，成为建设资源节约型和环境友好型经济瓶颈之一。 1995年举行首次化工过程强化的国际会议，以后每三年举办一次化工过程强化的国际会议。 2001在意大利，美国工程基金会(UEF)、美国科学基金会NSF)和美国化学工程师学会(AIChE)联合召开的名为化学工程新热点(Refocusing Chemical Engineering)的研讨会上，化工过程强化被列为当前化学工程优先发展的领域之一。 2002年9月在英国爱丁堡举行了过程发明和过程强化(Process Innovation and Process Intensification，即PI2)的专题研讨会。 早年的化工过程强化往往以硬件为主。以精馏、吸收和萃取等化工塔器的内件为例，近二十年来，高效塔板、规整填料和散装填料发明层出不穷，塔内件优化匹配的概念引起了人们的重视。 精馏是石油和化学工业中应用最广泛的单元操作，但精馏分离的能耗巨大、热力学效率低。 有报导，美国精馏耗能约占化学工业耗能总量的三分之一或更多，相当于全美工业耗能的3%，因而，精馏节能就成为重要的研究课题之一。 3.1 反应精馏 反应精馏(reactive distillation，RD) 是将化学反应过程与精馏相耦合的操作技术。除可用于促进化学反应外，还可用于分离许多沸点极为接近的混合物。其主要特点如下： 3.2 共沸精馏 共沸精馏分为均相共沸精馏和非均相共沸精馏。 均相共沸精馏: 指加入共沸剂形成的最低共沸物与原溶液中易挥发组分以任意比例混合成一均相存在，塔顶馏出液为均相共沸物，该共沸物为夹带剂和原进料中的某一组份，不能用常规的精馏方法分离，常需要采取萃取精馏流程。 非均相共沸精馏: 指夹带剂不能与易挥发组分完全混合，因此在冷凝后共沸物分层为两个(或两个以上)的液相，且都是最低共沸物。在非均相共沸物中，又有原进料是非均相共沸物和加入共沸剂后新形成的非均相共沸物两种类型。对于前者不需要加入共沸剂，通常用双塔联合操作的精馏方法即可达到分离目的。而后者则需要使用分相器使冷凝后的共沸物分层，循环使用夹带剂。 Limit of Distillation by Azeotrope Distillation range is restricted by the azeotropic point. Binary azeotropic mixtures, such as ethanol/water and IPA/water, can be separated into their pure components by distillation by the addition of a third component, so called the entrainer, which forms a ternary azeotrope with a lower boiling point than any binary azeotrope 3.4 热泵精馏系统 3.5 双效精馏系统 双效精馏（多效精馏）主要采用精馏塔之间压差的不同进行操作。由高压塔塔顶出来的蒸汽为低压塔底再沸器提供热量，高压蒸汽释放掉热量后冷却，部分液体回流，部分作为产品采出。 3.6 热耦合精馏系统 热耦合系统分为内部热耦合和外部热耦合过程。 内部热耦合：指一个塔之间精馏段和提馏段之间通过热交换（压差）实现能量的回收。 外部热耦合：塔与塔之间通过汽液相物流连接减少返混效应，实现能量集成。 Conventional Distillations 内部耦合 参考文献 常用的三种热泵流程： （1）用外部制冷剂的热泵 将外部制冷剂用于塔顶冷凝器和再沸器所构成的封闭循环中，冷凝器作为制冷剂的蒸发器，再沸器作为制冷剂的冷凝器。下图为该类热泵循环用于分离丙烯-丙烷系统的流程。 用丙烷作为外部制冷剂，使它在1.67℃下蒸发，并在43.33℃下冷凝，可使分凝器和再沸器所需的热负荷完全匹配。因此不用冷却水和加热蒸汽，只耗电1173kW（假定制冷剂的压缩过程是等熵的）。 （2）压缩塔顶蒸汽的热泵 当馏出物是一种好的制冷剂时，塔顶蒸汽被压缩，使它的冷凝温度高于塔底产物沸点，冷凝放出的热量用于再沸器。离开再沸器的冷凝液通过一个膨胀阀，闪蒸到塔顶压力，以提供回流和馏出产品。过剩的蒸汽再循环进入压缩机。此方案常被称为蒸汽再压缩。下图为此类热泵在丙烯-丙烷分离中的应用。 由于压缩到1482kPa的塔顶蒸汽不足以提供再沸器所