化工分离过程中的节能新技术研究进展

摘要:简要介绍了我国化工生产中的结晶分离技术(包括萃取结晶、熔融结晶、高

压结晶) 、膜分离技术(离子膜、气体膜、膜结晶、膜蒸馏、微滤膜) 、精馏技术(板式塔、填料塔) 、变压吸附技术、机械分离技术、热处理分离技术(蒸发、干燥)等6种分离技术中的节能技术现状,以及一些节能新技术,并展望了今后的发展趋势。

关键词:化工分离；节能；新技术；研究发展

1 引言

能源是社会发展和进步的重要物质基础。我国的能源储量以及一次能源的开发和消费量居世界前列,而能源的总利用率则远低于欧美和日本。化学工业是个耗能大户, 能耗量约占全国能源总消费的9% ～10% ,占工业用能的13% ～15% ,因此,化工节能对缓解我国能源的供需矛盾影响很大。在当前世界性的能源危机面前,化学工业必须首先关注节能降耗和节能新技术的研究应用。本文就我国化学工业中最普通也是能耗较多的分离过程这一领域中的一些节能现状作一粗略介绍。

2 结晶分离的节能技术

结晶分离是分离混合物常用的方法之一。传统的结晶分离,如浓缩结晶,冷却(冷冻)结晶,耗能很大。目前国际上新型结晶技术已取得了突破性进展,并得到实际应用[ 1 ]。

2.1 萃取结晶技术

萃取结晶技术是萃取技术与结晶技术的藕合技术。可很好地用于沸点等物性相近的混合物。例如,在对二甲苯- 间二甲苯混合物中,加入四氯化碳,可以将对二甲苯从混合液中分离出来,对二甲苯收率高达90%。

萃取结晶技术也应用于无机混合物的分离。例如,用1, 4 - 二氧杂环乙烷从KIO3 和KI的水溶液中分离KIO3 ;用有机胺络合萃取剂,以氯化钾和磷酸为原料,生产磷酸二氢钾等。又如,在碳酸钠水溶液中加入正丁醇,结晶出碳酸钠,在实际生产中得到了满意的结果。

萃取结晶技术也可用于有机物- 水- 无机盐体系中使有机物与无机盐分离。例如在制造有机羟醛的试验中,在羟醛- 水- 硫酸钠体系中,常温下加入甲醇,成功地将硫酸钠分离出来,使其分离后的混合溶液中,硫酸钠含量小于5%。萃取结晶技

术关键是寻找到合适的萃取络合剂。

2.2 熔融结晶技术

由于近90%的有机化合物为低共熔型, 70%的化合物熔点在0～200 ℃,只有10%左右低于0 ℃,因此,用熔融结晶法更易分离。大多有机化合物的结晶,不需深冷分离,而且可利用废热、余热。新型熔融结晶技术特点: (1) 低能耗,结晶相变潜能仅是精馏的1 /3～1 /7; (2) 低操作温度; (3) 高选择性,可制取高纯或超纯( ≥99. 9%色谱纯)产品; ( 4) 环境污染较小。国际上熔融结晶装置目前有复合式悬浮结晶型和逐步冻凝型。天津大学已成功地开发了液膜结晶设备,并已成功地应用于4 200 t·a - 1邻位与对位二氯苯的分离。

2.3 高压结晶技术

高压结晶是利用加压下物系的液—固相变化的分离技术。其原理为:物系中包含的杂质使其熔点下降,对应相变压力上升,随着结晶过程的进行,固相份数增加,液相杂质浓度提高,相变压力不断上升,在共晶压力下,物系中就只有高纯目的物晶体和母液共存,排除母液经减压发汗,可分离得到更纯的目的物晶体。高压结晶尤其适应于有机物的提纯精制。

3 膜分离技术节能

膜分离技术是利用特定膜的渗透作用,在外界能量或化学位差的推动下,对气相或液相混合物进行分离、分级、提纯和富集,膜分离过程大多无相变,常温操作,高效、节能、工艺简便、污染小。20 世纪80 年代以来我国膜技术跨入应用阶段,同时也是新膜过程的开发阶段。在这一时期,膜技术在食品加工、海水淡化、纯水、超纯水制备、医药、生物、环保等领域得到了较大规模的开发和应用[ 2 ]。

3.1离子膜技术

离子膜烧碱不但能生产出高纯度烧碱和氢气,而且节能效果显著,比隔膜法节约能耗约30%。因此,离子膜法将逐步取代隔膜法生产烧碱。离子膜也开始应用于医疗、食品工业除去电解质,分离氨基酸及海水淡化等。

3.2 气体分离膜技术

膜分离氢气技术已成功地用在合成氨厂从驰放气中回收氢气,甲酸装置从合成气、水煤气脱氢气得到90%的一氧化碳, 炼厂从催化重整过剩气中分离出95%含量的氢气作为加氢裂解原料等。从空气中富集浓缩氧和氮,比深冷分离法要节能得多。

3.3 膜萃取技术

膜萃取是膜过程与液- 液萃取过程相结合的分离过程,特点是: (1) 萃取剂选

择范围宽; ( 2) 料液夹带损失小; (3) 过程不受“反混”的影响和“液泛”条件的限制; (4) 可实现同级萃取和反萃取过程; ( 5) 可提高传质效率。膜萃取技术在分离生物化工产品和实现发酵耦合过程方面正成为研究工作的热点[ 3 ]。 3.4 膜蒸馏技术

膜蒸馏技术是膜技术与蒸发过程相结合的分离技术。过程是在常压和低于溶液沸点下进行,热侧溶液可以在较低的温度下操作,因而可利用废热或低温热源,达到节能效果。该技术弱点是单程效率较低,阻碍了其大规模应用。

3.5 微滤膜技术

微滤膜主要用于超纯水制取和除菌,微滤膜可制取电子工业用水,微滤膜除菌的水可以直接饮用。

4 精馏过程的节能降耗

精馏是化工、石化等行业中的重要组成部分,对整个流程的生产能力、产品质量、能源消耗与原料消耗、环境保护都有重大影响。石油和化学工业的能耗占工业总能耗的很大部分,其中约60%就用于精馏过程。精馏过程的节能主要有以下几种基本方式:提高塔的分离效率,降低能耗和提高产品回收率;采用多效精馏技术;采用热泵技术等。

4.1 板式塔

4.1.1高效导向筛板

高效导向筛板具有生产能力大、塔板效率高、塔压降低、结构简单、造价低廉、维修方便的特点,目前已广泛应用于化学工业、石油化工、精细化工、轻工化工、医药工业、香料工业、原子能工业等。 4.1.2板填复合塔板

板填复合塔板充分利用板式塔中塔板间距的空隙,设置高效填料,以降低雾沫夹带,提高气体在塔内的流速和塔的生产能力。同时气液在高效填料表面再次传质,进一步提高了塔板效率。由于负荷下限未变而上限大幅度提高,因此塔的操作弹性也大为提高。板填复合塔板已在石化、化工中的甲苯、氯乙烯等多种物系中得到成功应用。 4.1.3复杂精馏塔

传统的精馏塔及其精馏序列已不适应当前过程集成、设备集成的发展趋势。武昊宇等[ 4 ]进行了复杂精馏塔的研究,与传统精馏塔的一股进料二股产品的精馏塔比较,能够产生相当大的能量消耗及成本上的节约。复杂塔还适合更新设计,因为它经常可以通过对现有塔进行微小的改动来实行。在所有可能的多组分精馏过程新方案中,热偶精馏在能量和投资费用的节约上都非常有前途。他们采用

Underwood方程和Vmin分析了多组分热偶精馏的最小能耗;主要探讨了用详细的塔模型来进行多组分热偶精馏塔的设计,所建立的塔模型既能够描述传统塔又可以描述热偶精馏塔,并允许不同的选择结构互相比较:提出了以能量消耗最小为目标的,多组分混合物分离的热偶精馏序列的整体优化方法。他们以4 组分烷烃混合物的分离为例,根据详细的热偶精馏塔数学模型,计算了热偶精馏的能耗、年总费用,并比较了各种热偶方案的节能效果。以能量消耗最小为目标,对两种热偶精馏序列进行了整体优化。

4.2 填料塔

填料是填料塔最重要的传质内件,其性能主要取决于填料表面的湿润程度和气液两相流体分布的均匀程度。 4. 2. 1 新型高效规整填料

新型高效规整填料主要包括金属板波纹填料和金属丝网波纹填料两大类,在将其进行物理的和化学的方法处理后,填料的分离效率大为提高。主要优点有: (1) 理论塔板数高,通量大,压力降低; ( 2) 低负荷性能好,理论板数随气体负荷的降低而增加,没有低负荷极限; (3) 放大效应不明显; ( 4) 适用于减压精馏,能够满足精密、大型、高真空精馏装置的要求,为难分离物系、热敏性物系及高纯度产品的精馏分离提供了有利的条件。 4. 2. 2 新型高效散堆填料

(1) 金属鲍尔环填料,它采用金属薄板冲轧制成,由于在环壁上开了许多窗孔,使得填料层内的气、液分布情况及传质性能比拉西环有较大的改善。(2) 金属阶梯环填料,这种填料降低了环的高度,并在环的2个侧端增加了锥形翻边,使其性能较鲍尔环填料有了较大的进步。在同样液体喷淋密度下,其泛点气速较鲍尔环提高了10% ～20%;在同样气速下,压力降较鲍尔环低30% ～40%。(3) 金属环矩鞍填料,国内简称为英特洛克斯填料。这种填料巧妙地把环形和鞍形两类填料的特点综合成为一体,使它既有环形填料通量大的特点,又有鞍形填料液体分布性能好的特点,从而成为当前散堆填料中的佼佼者[ 5 ]。

4. 3 提高热的利用率

首先,增强再沸器和冷凝器中的传热面积可使传热温差下降。增强传热表面有两大类型: ( 1) 多孔相变化传热面:包括微孔沸腾表面及特殊处理的冷疑表面,均可使沸腾或冷凝给热系数较之光管提高10～30倍; (2) 扩展的传热面:包括翅片管或开槽沟扩大传热面,可以使传热系数提高不少。其次,采用空气冷却器或蒸发冷却器代替水冷凝器可以避免积垢,水电综合能耗也较低,而且节省用水。再次,如果塔釜液是无关重要的废液,则可以把它的显热变成潜热加以利用。另外,采用低品位热能也是节能的有效方法[ 6 ]。

4. 4 新蒸馏过程的探索与开发

为提高分离效率,降低能耗,需要寻求一些特殊的蒸馏方法以分离一些特殊的物料,诸如热敏物料,共沸热料等。一般有下列几个方面: ( 1) 添加物蒸馏。在蒸馏过程中加入某些添加物以利用溶液的非理想性,增大某一组分的挥发性,使组分容易分离,达到高效、节能目的。(2) 耦合蒸馏。蒸馏过程与其它过程同时进行,以达到强化作用和简化过程的目的。( 3) 动态蒸馏。包括可控的不稳定蒸馏与分批蒸馏,能提高传质效率和缩短操作时间, 达到增产和节能的目的。(4) 场效应蒸馏。包括带电、磁、激光、重力、功能微粒等场效应的蒸馏,对传质过程有不同程度的促进[ 7 ]。

5 机械分离方法的节能问题

5.1 新型机械分离装置的开发

以沉降式离心分离机为例,这种机器多数为皮带驱动方式,但因为回转体大,所以选择适当的马达能产生相当大的节能效果,对于标准处理量为7 m3 ·h - 1的装置,当使用直接起动方式驱动时需要22 kW的马达,而使用液力变速器和离心离合器起动方式时,由于减少了起动负荷,所以只用15 kW的马达就足够了[ 8 ]。

5. 2 机械分离装置的小型化

在间歇操作中,由于能在很大程度上灵活地确定操作压力和分离时间,使之与被分离的物料相适应,因而对分离速度几乎不产生影响,故多数情况下能够实现小型化。在连续操作的情况下,被分离物质在小型装置中停留时间减少,分离时间变短,为了加以弥补,就必须改变操作条件:通过增加压力、改善物料预处理方法等提高分离速度;或者通过降低运转速度,使处理量做出某种程度的牺牲等。关于连续式离心过滤机的小型化问题,最近已有报道。

5. 3 设备操作管理的优化

进行机械分离时,通过预处理来改善固液混合物的性质和通过几种机械分离方法的并用来提高工作效率,确定最佳的操作压力、分离时间等工艺条件。如最佳过滤时间的确定。这些必须根据合理的设计方针和可靠的实践经验来把握,重要的是要充分运用以达到节能的目的。

6 热处理分离技术的节能问题

6. 1 蒸发操作的节能问题

蒸发是从含有不挥发溶质的稀溶液中脱除大量溶剂的最有效的分离方法,但同时需要消耗大量的加热蒸汽,能耗较高。目前,蒸发操作采用的主要节能措施如

下[ 9 ] :

6. 1. 1 采用多效蒸发

多效蒸发的采用是蒸发操作节能的有效手段。采用多个蒸发器可以提高加热蒸汽的利用率(加热蒸汽与蒸发水分量之比D /W) 。多效蒸发中,前一效的二次蒸汽(低压蒸汽)作为后一效的加热蒸汽使用,故提高了加热蒸汽的利用率,亦即提高了热能的经济性,降低了能耗。 6. 1. 2 引出额外蒸汽

在多效蒸发流程中,有时将某一效的二次蒸汽引出一部分作为其他加热设备的热源,只要二次蒸汽的温位能满足于其他加热设备的需要,引出额外蒸汽总是有利的,而且,引出额外蒸汽的效数越往后移,生蒸汽的利用率越高,越有利于节能。 6. 1. 3 利用冷凝水的热量

蒸发装置消耗大量的加热蒸汽,必产生大量的冷凝水。较高温位的冷凝水可用于预热原料液,或者采用热泵式冷凝水回收装置、汽压罐式冷凝水回收装置和密闭式高温冷凝水回收装置来回收热能。 6. 1. 4 再压缩二次蒸汽

可利用机械压缩和蒸汽动力压缩的方法对二次蒸汽进行再压缩,使二次蒸汽温度升高后重新作为加热蒸汽使用,只需补充一定的能量,便可利用其大量潜热,十分有利于节能。

6. 2 干燥操作的节能问题

干燥过程是各种工业过程广泛采用的单元操作,其能量消耗相当大,因此干燥过程的节能问题尤为重要。干燥过程的主要节能措施如下: 6. 2. 1 选用合适的干燥流程及设备

干燥操作流程和设备有各种形式,适应于各种场合。如何选用合适的干燥流程与设备对于干燥过程的节能是相当重要的,这方面主要依据干燥物料的特性和干燥产品的要求以及生产的实际情况而定。 6. 2. 2 降低干燥装置的热能供给量

首先应对原料进行预处理,尽量采用机械分离方法脱除一部分游离水分,因为机械分离方法比热处理分离方法消耗的能量要少得多;其次是改善干燥介质的热状态: (1) 尽可能提高干燥介质的进气温度,减少干燥过程中的干燥介质消耗量,则干燥废气带走的热能相应减少,热效率提高,针对物料的热敏性问题,可考虑采用中间加热的办法。(2) 降低干燥介质的出口温度,提高其湿度,同样可以减少干燥介质的消耗量,提高干燥操作的热效率,但为防止干燥产品返潮以及设备的堵塞和设备材料的腐蚀问题,气体离开干燥器的温度需高于进入干燥器时的绝热饱和温度20～50 ℃[ 10]。 6. 2. 3 利用先进的节能技术

(1) 采用部分废气循环的干燥流程。将含有大量热量的部分废气返回预热室,与新鲜空气混合使用,可将废气中的余热重新利用,并降低了空气加热器的热负荷,能耗将下降10%。目前,一般的废气循环量控制在20%左右。(2) 采用热效率高的传热设备。为了提高传热系数,减少换热面积,降低设备投资费用,需采用高效的换热设备。如新型换热器———空心环管换热器,它采用空心环支承双面强化传热管管束的强化技术,与一般的管壳型换热器相比,在相同的传热条件下,总传热系数可提高80% ～100% ,换热面积可减少35% ～40%。(3) 采用热管技术。热管吸热段吸收废气热量,并通过管壁传给管内工质,工质吸热后蒸发成蒸汽,蒸汽在压差的作用下上升至放热段,与管外冷流体换热,蒸汽冷凝并向外放出汽化潜热,冷凝液在重力的作用下回到吸收段。热管技术具有传热效率高,流动阻力损失少等优点,广泛地应用于废气余热的回收[ 5 ]。(4) 采用热泵技术。热泵是利用液态工作介质(氨、氟里昂、水等)在蒸发器中减压蒸发,从较低温度的干燥废气中吸收余热,而气态工作介质经压缩机后进人冷凝器,在较高温度下冷凝放出潜热预热新鲜空气。热泵的流程可分为闭路循环式和开放式两种。利用闭路循环式热泵技术,空气可循环使用,而开放式热泵技术,废气经热量回收后排出干燥系统。 6. 2. 4 加强设备操作管理和管路保温

加强设备和管路的保温隔热,以减少干燥系统的热损失。同时优化送风系统,减少因热气的漏出和冷气的渗人造成的能量损失。

7 结语

以上仅对化工生产中混合物分离这一领域的节能技术作了一个粗略的介绍,化工生产中其它领域节能技术、新工艺正在不断地涌现,如新型催化剂的研究应用、新设备的研制应用、新材料的研究应用等。笔者认为,任何新技术开发成功,关键在于工业化应用。因此,应加强化工工程、设备的开发研究,使新技术能迅速转化为生产力,节约能源,增加效益。在生产上的应用,应根据本企业的实际情况,对各种新技术,进行详细分析比较。

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