化工分离过程中的节能新技术研究进展

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。