摘要:簡要介紹了我國化工生產中的結晶分離技術(包括萃取結晶、熔融結晶、高壓結晶) 、膜分離技術(離子膜、氣體膜、膜結晶、膜蒸餾、微濾膜) 、精餾技術(板式塔、填料塔) 、變壓吸附技術、機械分離技術、熱處理分離技術(蒸發、乾燥)等6種分離技術中的節能技術現狀,以及一些節能新技術,並展望了今後的發展趨勢。
關鍵詞:化工分離；節能；新技術；研究發展
1 引言
能源是社會發展和進步的重要物質基礎。我國的能源儲量以及一次能源的開發和消費量居世界前列,而能源的總利用率則遠低於歐美和日本。化學工業是個耗能大戶, 能耗量約佔全國能源總消費的9% ～10% ,佔工業用能的13% ～15% ,因此,化工節能對緩解我國能源的供需矛盾影響很大。
在當前世界性的能源危機面前,化學工業必須首先關注節能降耗和節能新技術的研究應用。本文就我國化學工業中最普通也是能耗較多的分離過程這一領域中的一些節能現狀作一粗略介紹。
2 結晶分離的節能技術
結晶分離是分離混合物常用的方法之一。傳統的結晶分離,如濃縮結晶,冷卻(冷凍)結晶,耗能很大。目前國際上新型結晶技術已取得了突破性進展,並得到實際應用[ 1 ]。
2.1 萃取結晶技術
萃取結晶技術是萃取技術與結晶技術的藕合技術。可很好地用於沸點等物性相近的混合物。例如,在對二甲苯- 間二甲苯混合物中,加入四氯化碳,可以將對二甲苯從混合液中分離出來,對二甲苯收率高達90%。
萃取結晶技術也應用於無機混合物的分離。例如,用1, 4 - 二氧雜環乙烷從kio3 和ki的水溶液中分離kio3 ;用有機胺絡合萃取劑,以氯化鉀和磷酸為原料,生產磷酸二氫鉀等。又如,在碳酸鈉水溶液中加入正丁醇,結晶出碳酸鈉,在實際生產中得到了滿意的結果。
萃取結晶技術也可用於有機物- 水- 無機鹽體系中使有機物與無機鹽分離。例如在製造有機羥醛的試驗中,在羥醛- 水- 硫酸鈉體系中,常溫下加入甲醇,成功地將硫酸鈉分離出來,使其分離後的混合溶液中,硫酸鈉含量小於5%。萃取結晶技術關鍵是尋找到合適的萃取絡合劑。
2.2 熔融結晶技術
由於近90%的有機化合物為低共熔型, 70%的化合物熔點在0～200 ℃,只有10%左右低於0 ℃,因此,用熔融結晶法更易分離。大多有機化合物的結晶,不需深冷分離,而且可利用廢熱、餘熱。新型熔融結晶技術特點:
(1) 低能耗,結晶相變潛能僅是精餾的1 /3～1 /7; (2) 低操作溫度; (3) 高選擇性,可製取高純或超純( ≥99. 9%色譜純)產品; ( 4) 環境汙染較小。國際上熔融結晶裝置目前有複合式懸浮結晶型和逐步凍凝型。
天津大學已成功地開發了液膜結晶裝置,並已成功地應用於4 200 t·a - 1鄰位與對位二氯苯的分離。
2.3 高壓結晶技術
高壓結晶是利用加壓下物系的液—固相變化的分離技術。其原理為:物係中包含的雜質使其熔點下降,對應相變壓力上公升,隨著結晶過程的進行,固相份數增加,液相雜質濃度提高,相變壓力不斷上公升,在共晶壓力下,物係中就只有高純目的物晶體和母液共存,排除母液經減壓發汗,可分離得到更純的目的物晶體。
高壓結晶尤其適應於有機物的提純精製。
3 膜分離技術節能
膜分離技術是利用特定膜的滲透作用,在外界能量或化學位差的推動下,對氣相或液相混合物進行分離、分級、提純和富集,膜分離過程大多無相變,常溫操作,高效、節能、工藝簡便、汙染小。20 世紀80 年代以來我國膜技術跨入應用階段,同時也是新膜過程的開發階段。在這一時期,膜技術在食品加工、海水淡化、純水、超純水製備、醫藥、生物、環保等領域得到了較大規模的開發和應用[ 2 ]。
3.1離子膜技術
離子膜燒鹼不但能生產出高純度燒鹼和氫氣,而且節能效果顯著,比隔膜法節約能耗約30%。因此,離子膜法將逐步取代隔膜法生產燒鹼。離子膜也開始應用於醫療、食品工業除去電解質,分離氨基酸及海水淡化等。
3.2 氣體分離膜技術
膜分離氫氣技術已成功地用在合成氨廠從馳放氣中**氫氣,甲酸裝置從合成氣、水煤氣脫氫氣得到90%的一氧化碳, 煉廠從催化重整過剩氣中分離出95%含量的氫氣作為加氫裂解原料等。從空氣中富集濃縮氧和氮,比深冷分離法要節能得多。
3.3 膜萃取技術
膜萃取是膜過程與液- 液萃取過程相結合的分離過程,特點是: (1) 萃取劑選擇範圍寬; ( 2) 料液夾帶損失小; (3) 過程不受「反混」的影響和「液泛」條件的限制; (4) 可實現同級萃取和反萃取過程; ( 5) 可提高傳質效率。膜萃取技術在分離生物化工產品和實現發酵耦合過程方面正成為研究工作的熱點[ 3 ]。
3.4 膜蒸餾技術
膜蒸餾技術是膜技術與蒸發過程相結合的分離技術。過程是在常壓和低於溶液沸點下進行,熱側溶液可以在較低的溫度下操作,因而可利用廢熱或低溫熱源,達到節能效果。該技術弱點是單程效率較低,阻礙了其大規模應用。
3.5 微濾膜技術
微濾膜主要用於超純水製取和除菌,微濾膜可製取電子工業用水,微濾膜除菌的水可以直接飲用。
4 精餾過程的節能降耗
精餾是化工、石化等行業中的重要組成部分,對整個流程的生產能力、產品質量、能源消耗與原料消耗、環境保護都有重大影響。石油和化學工業的能耗佔工業總能耗的很大部分,其中約60%就用於精餾過程。精餾過程的節能主要有以下幾種基本方式:
提高塔的分離效率,降低能耗和提高產品**率;採用多效精餾技術;採用熱幫浦技術等。
4.1 板式塔
4.1.1高效導向篩板
高效導向篩板具有生產能力大、塔板效率高、塔壓降低、結構簡單、造價低廉、維修方便的特點,目前已廣泛應用於化學工業、石油化工、精細化工、輕工化工、醫藥工業、香料工業、原子能工業等。
4.1.2板填復合塔板
板填復合塔板充分利用板式塔中塔板間距的空隙,設定高效填料,以降低霧沫夾帶,提高氣體在塔內的流速和塔的生產能力。同時氣液在高效填料表面再次傳質,進一步提高了塔板效率。由於負荷下限未變而上限大幅度提高,因此塔的操作彈性也大為提高。
板填復合塔板已在石化、化工中的甲苯、氯乙烯等多種物係中得到成功應用。
4.1.3複雜精餾塔
傳統的精餾塔及其精餾序列已不適應當前過程整合、裝置整合的發展趨勢。武昊宇等[ 4 ]進行了複雜精餾塔的研究,與傳統精餾塔的一股進料二股產品的精餾塔比較,能夠產生相當大的能量消耗及成本上的節約。複雜塔還適合更新設計,因為它經常可以通過對現有塔進行微小的改動來實行。
在所有可能的多組分精餾過程新方案中,熱偶精餾在能量和投資費用的節約上都非常有前途。他們採用underwood方程和vmin分析了多組分熱偶精餾的最小能耗;主要**了用詳細的塔模型來進行多組分熱偶精餾塔的設計,所建立的塔模型既能夠描述傳統塔又可以描述熱偶精餾塔,並允許不同的選擇結構互相比較:提出了以能量消耗最小為目標的,多組分混合物分離的熱偶精餾序列的整體優化方法。
他們以4 組分烷烴混合物的分離為例,根據詳細的熱偶精餾塔數學模型,計算了熱偶精餾的能耗、年總費用,並比較了各種熱偶方案的節能效果。以能量消耗最小為目標,對兩種熱偶精餾序列進行了整體優化。
4.2 填料塔
填料是填料塔最重要的傳質內件,其效能主要取決於填料表面的濕潤程度和氣液兩相流體分布的均勻程度。
4. 2. 1 新型高效規整填料
新型高效規整填料主要包括金屬板波紋填料和金屬絲網波紋填料兩大類,在將其進行物理的和化學的方法處理後,填料的分離效率大為提高。主要優點有: (1) 理論塔板數高,通量大,壓力降低; ( 2) 低負荷效能好,理論板數隨氣體負荷的降低而增加,沒有低負荷極限; (3) 放大效應不明顯; ( 4) 適用於減壓精餾,能夠滿足精密、大型、高真空精餾裝置的要求,為難分離物係、熱敏性物係及高純度產品的精餾分離提供了有利的條件。
4. 2. 2 新型高效散堆填料
(1) 金屬鮑爾環填料,它採用金屬薄板衝軋制成,由於在環壁上開了許多窗孔,使得填料層內的氣、液分布情況及傳質效能比拉西環有較大的改善。(2) 金屬階梯環填料,這種填料降低了環的高度,並在環的2個側端增加了錐形翻邊,使其效能較鮑爾環填料有了較大的進步。在同樣液體噴淋密度下,其泛點氣速較鮑爾環提高了10% ～20%;在同樣氣速下,壓力降較鮑爾環低30% ～40%。
(3) 金屬環矩鞍填料,國內簡稱為英特洛克斯填料。這種填料巧妙地把環形和鞍形兩類填料的特點綜合成為一體,使它既有環形填料通量大的特點,又有鞍形填料液體分布效能好的特點,從而成為當前散堆填料中的佼佼者[ 5 ]。
4. 3 提高熱的利用率
首先,增強再沸器和冷凝器中的傳熱面積可使傳熱溫差下降。增強傳熱表面有兩大型別: ( 1) 多孔相變化傳熱面:
包括微孔沸騰表面及特殊處理的冷疑表面,均可使沸騰或冷凝給熱係數較之光管提高10～30倍; (2) 擴充套件的傳熱面:包括翅片管或開槽溝擴大傳熱面,可以使傳熱系數提高不少。其次,採用空氣冷卻器或蒸發冷卻器代替水冷凝器可以避免積垢,水電綜合能耗也較低,而且節省用水。
再次,如果塔釜液是無關重要的廢液,則可以把它的顯熱變成潛熱加以利用。另外,採用低品位熱能也是節能的有效方法[ 6 ]。
4. 4 新蒸餾過程的探索與開發
為提高分離效率,降低能耗,需要尋求一些特殊的蒸餾方法以分離一些特殊的物料,諸如熱敏物料,共沸熱料等。一般有下列幾個方面: ( 1) 新增物蒸餾。
在蒸餾過程中加入某些新增物以利用溶液的非理想性,增大某一組分的揮發性,使組分容易分離,達到高效、節能目的。(2) 耦合蒸餾。蒸餾過程與其它過程同時進行,以達到強化作用和簡化過程的目的。
( 3) 動態蒸餾。包括可控的不穩定蒸餾與分批蒸餾,能提高傳質效率和縮短操作時間, 達到增產和節能的目的。(4) 場效應蒸餾。
包括帶電、磁、雷射、重力、功能微粒等場效應的蒸餾,對傳質過程有不同程度的促進[ 7 ]。
5 機械分離方法的節能問題
5.1 新型機械分離裝置的開發
以沉降式離心分離機為例,這種機器多數為皮帶驅動方式,但因為迴轉體大,所以選擇適當的馬達能產生相當大的節能效果,對於標準處理量為7 m3 ·h - 1的裝置,當使用直接起動方式驅動時需要22 kw的馬達,而使用液力變速器和離心離合器起動方式時,由於減少了起動負荷,所以只用15 kw的馬達就足夠了[ 8 ]。
5. 2 機械分離裝置的小型化
在間歇操作中,由於能在很大程度上靈活地確定操作壓力和分離時間,使之與被分離的物料相適應,因而對分離速度幾乎不產生影響,故多數情況下能夠實現小型化。在連續操作的情況下,被分離物質在小型裝置中停留時間減少,分離時間變短,為了加以彌補,就必須改變操作條件:通過增加壓力、改善物料預處理方法等提高分離速度;或者通過降低運轉速度,使處理量做出某種程度的犧牲等。
關於連續式離心過濾機的小型化問題,最近已有報道。
5. 3 裝置操作管理的優化
進行機械分離時,通過預處理來改善固液混合物的性質和通過幾種機械分離方法的並用來提高工作效率,確定最佳的操作壓力、分離時間等工藝條件。如最佳過濾時間的確定。這些必須根據合理的設計方針和可靠的實踐經驗來把握,重要的是要充分運用以達到節能的目的。
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