|
读“化工过程设计”有感之三 ——分离 Liutaize 分离作为化工过程的一个部分，起着举足轻重的作用，它对反应、产品质量、能耗、投资等有着非常大的影响。尤其当一个产品处于饱和或过饱和状态时，企业能否生存，在极大程度上取决于生产成本，生产成本在很大程度上取决于能耗，而分离系统设计的优劣直接决定了能耗的高低。 从流程的先后顺序来看，分离一般包括原料的分离提纯和反应后物料的分离，两者均具有非常重要的意义。 一般情况下，原料的纯度越高，对反应越为有利，原料带入的杂质对系统的影响主要体现在如下几个方面：1、有可能导致催化剂中毒，如大部分加氢反应，对原料氢气中的硫、氯、砷、磷等有严格要求；2、对主反应有抑制作用，会增加副反应的发生，使产物分离难度加大；3、如为气相进料，会使驰放气量变大，如为液相进料，会使排放液量变大，从而造成原料消耗增加，后续处理费用增加。当然，部分反应考虑到系统的安全性，会特意往系统中添加惰性组分，以稀释原料浓度，确保反应的安全可靠，如：生成亚硝酸甲酯的反应。也有部分反应考虑到投资及流程的简洁性，会采用稀释原料浓度的方式来处理，如硫磺回收工艺中的催化氧化单元，如原料中H2S浓度较高，采用绝热床反应器将会造成反应器超温，催化剂没法使用，但采用等温床反应器，设备投资高，流程相对会更复杂，此时，可采用稀释原料浓度的办法，仍采用绝热床反应器，不失为一种可行的办法。此处也非一概而论，需根据原料浓度、气量等，对两种方案进行经济测算后，决定采用哪种方式。 对于反应后物料的分离，即粗产品的分离，它的好坏直接决定了产品质量、收率、能耗等。尤其当粗产品中组分较多，且存在易聚合或氧化的物质，而组分间的沸点又极为相近或组分间存在共沸现象，同时还缺少组分间的交互参数，需通过大量实验测量及数据拟合时，整个分离过程将变得十分复杂。如合成气制乙二醇的精馏就是其中最为典型的例子。 待分离物料分为均相和非均相，由于相的分离较容易，所以在流程中一般先进行非均相混合物的分离，然后再进行均相混合物的分离。非均相混合物可根据不同相的密度差进行分离。对于均相混合物的分离，则应加入或生成一种新相，以完成分离任务。如向混合气体中加入溶剂，该溶剂可溶解混合物中的一种或几种组分，溶剂经过进一步分离后循环使用。又如反应结果得到的是气体混合物，则可以通过部分冷凝生成新相——液相，冷凝后气相中富含易挥发组分，而液相中则富含难挥发组分，从而达到分离的目的。 非均相混合物的分离 1、沉降 在沉降过程中，颗粒受重力的作用从流体中分离出来。这里所指的颗粒为固体颗粒或液滴，而流体是指液体或气体。如用于气-液混合物分离过程的闪蒸设备，它要求气体蒸出速度小于液滴沉降速度；用于液-液两相分离的分相器，它要求流体水平速度足够低，以便使低密度液滴从容器底部上升到界面，高密度液滴沉降到界面并聚并到一起；用于气-固或液-固分离的重力沉降槽，它的垂直高度与颗粒沉降速度之比必须小于空气的停留时间。沉降设备在大多数化工装置中都有应用，例如常用的气体分离罐/塔、碳铵装置或硫铵装置中的稠厚器、煤气化装置水处理单元的澄清槽等。 2、浮选 浮选是根据颗粒表面性质的不同来进行混合物的分离，通过液体中产生的气泡与颗粒表面或不互溶液滴表面作用，使某些颗粒或液滴上升到表面达到分离目的。常用于分离固-固和液-液混合物，特别是在矿物加工过程中常用来分离不同的矿物。 3、离心分离 当颗粒与流体的密度相近、颗粒粒度太小或形成了稳定的乳化液时，如采用重力分离，往往分离速度很慢。当一个物体绕轴作等距转动时就产生了离心力，而离心力增加了对颗粒的作用，很多不能通过重力沉降分离的颗粒可通过离心力实现分离。如旋风分离器、离心机等均属于离心分离设备。 4、过滤 过滤是用于分离悬浮在液体或气体中的固体颗粒的过程。悬浮液通过多孔介质，多孔介质只能透过流体而固体不能透过，如果固体留在介质表面的称为滤饼过滤；如果固体留在多孔介质内部的则称为深层过滤。过滤介质可以多种形式安装在过滤设备内。 均相混合物的分离 蒸馏 蒸馏作为一种重要的分离手段，应用范围很广，它适用于很大的流量范围、不同的进料浓度、可得到高纯度产品，随着科技发展进步，尤其是在石化行业，很多塔径都已做到十几米，甚至更大。但在一些情况下蒸馏不适用，如：1、低分子量物料的分离；2、大分子量热敏性物质的分离；3、低浓度组分的分离；4、组分的类别分离；5、相对挥发度低的分离；6、从不挥发性物质中分离挥发性物质。 通常在设计初期阶段需要对分离流程及设备作出选择，但对分离单元的评价需要结合整个系统来考虑。分离单元往往能耗较高，但当该单元自身的热偶合及与其他单元进行能量集成后，能量得到综合利用，一些原本需要外部补入热量或冷量的地方均可得到补充，不再需要外部补入或只需部分补入。在进行分离系统的设计时，需要对其参数进行初步选择，几个重要的参数分别为： 压力 随着压力的降低，变化如下：1、相对挥发度增加，分离难度减小，塔板数及回流比均减小；2、蒸发潜热增加，塔顶冷凝器和再沸器的热负荷增加；3、气体密度减小，塔径增加；4、再沸器和冷凝器的温度降低。随着压力的增加，变化情况与上述相反。但应尽可能避免采用真空操作，冷凝器避免采用冷冻水冷却，因这两者将会带来设备费用、操作费用的大大增加。此外，还增加了流程的复杂性。如条件允许，应使操作压力≥常压，冷凝器采用水冷或空冷。确定压力时应考虑使塔顶产物泡点温度高于夏季冷却水温度10℃。当然，如待分离物料为大分子量热敏性物质或易聚合物质等特殊情况时，则根据需要选择真空操作，以降低物料沸点，避免分解或聚合，影响分离效果及产品质量，如乙二醇分离过程绝大部分塔器均为真空操作。 回流比 在相同分离要求下，随着回流比的增加，塔板数减少，即：能耗增加，设备费用减少。所以，需要在两者间通过经济核算，寻找最佳效益点。通常，在设计初期阶段取回流比为最小回流比的1.1倍，一般工程设计中取＞1.1倍，确保分离效果，避免因生产波动或设计、制造误差导致无法达到分离要求。单塔的优化意义不大，需在设计后期结合系统集成后，再来优化该值，以实现效能最大化。 进料条件 设计中一般为泡点进料即饱和液体进料，这样可使进料点上下的气相流率相同。如采用过冷进料，则蒸馏段板数减少，提馏段板数增加，再沸器热负荷增加，冷凝器冷量减少。 随着流程设计的深入，上述压力、回流比、进料条件等参数均会时常发生变化，所以在进行系统过程集成前没有必要进行优化。 近沸物或共沸物系的分离 待分离物料中轻、重关键组分如能形成共沸物，则相对于简单蒸馏来说要复杂得多。首先考察共沸物组成对压力的敏感程度，当压力变化能使共沸物的组成变化大于5%时，应优先考虑采用变压精馏进行分离。根据所形成的共沸物为最低共沸物或最高共沸物进行流程设置，确定循环流股。共沸物组成随压力的变化越小，则循环流股流量越大。同时初步考虑热偶合，待全系统热量集成后最终确定，但根据笔者个人实战经验，在全系统热量集成时，仍应最大限度的兼顾各单元的独立性，避免用纯理论计算的最低消耗值来设置流程，而造成实际生产无法运行的情况。变压精馏在化工装置中应用较为广泛，如甲醇与碳酸二甲酯的分离即为典型案例。 当共沸组成对压力不敏感或对于难分离物系，则需加入另外一种物质来改变关键组分的相对挥发度，实现分离目标。这种方法通常分为：共沸精馏、萃取精馏。对于共沸精馏，通常加入共沸剂物质为易挥发物质，会与关键组分形成共沸物，从而实现原物料的分离；对于萃取精馏，通常加入萃取剂物质为难挥发组分，从塔釜采出，不会与任何组分形成共沸物，它有更大的选择范围。通常萃取剂与重关键组分的结构相似并能形成近似理想混合物，与轻关键组分形成非理想混合物，增加了关键组分的相对挥发度。萃取剂流率越大，分离效果越好，但能耗也越高、蒸馏的温度也越高。 加入质量分离剂的方法虽然解决了变压精馏无法解决的分离问题，但不可避免的引入了新的物质，且在精馏分离过程中的损失会造成下游环境的污染问题，最佳方案为源头削减，但想要从源头上完全避免分离剂的损失，费用高昂且很难实现。所以，一般工程中尽可能采用原系统过程中存在的物质作为质量分离剂，不必引入新的物质。 吸收 吸收与解吸互为逆过程，它是分离低分子量物质的一种常用方法。吸收过程需要引入吸收剂，尽可能使用系统过程中存在的物质作为吸收剂。当气体混合物通过液体溶剂时，溶剂优先吸收一种或几种组分。影响吸收效果的几个重要因素分别为：温度、压力、液相流率。 在吸收塔中，溶质由气相传质到液相，放出热量，导致从塔顶至塔底温度增加。如果组分浓度低，则吸收热量少，沿塔高的温升也小，否则温升大。降低温度则溶质的溶解度增加，提高温度则相反，所以应尽量避免在高温下操作。此外，为防止温升对吸收的不利影响，有时在吸收塔中部冷却吸收液，通常用冷却水冷却，必要时采用冷冻剂。如低温甲醇洗工艺或乙二醇中的醇洗塔等均有采用此方案的做法。也有对被吸收介质进行冷却或对吸收剂进行冷却的方案。如果吸收剂为易挥发组分，极易被气相带出塔顶，造成吸收剂损失或下游无法接收，则有必要对塔顶气相进行冷却或冷凝，如乙二醇中的草酯吸收塔。 压力降低，溶质的溶解度减小，压力增加，溶质的溶解度增大，但需增加动力能耗，存在最优选择的问题。 组分被吸收的难易程度起决于吸收因子，吸收因子越大，越容易被吸收，达到一定分离要求所需理论板数也越少。但当吸收因子较大时，增加液相流率对该值的影响将不明显。最优吸收因子范围为1.2~2.0，常取值为约1.4。溶质在液相中溶解后，还需要解吸才能实现分离，吸收剂可循环使用，解吸因子应足够大以提高解吸效果。对解吸塔，解吸因子最优范围为1.2~2.0，常取值为约1.4。与吸收相反，在解吸过程中自塔顶至塔底温度降低。降低压力和提高温度对解吸过程有利。 蒸发 根据生产能力的大小、经济性、原料及产品的限制条件等因素确定蒸发级数。当要求的生产能力较低时，用单效蒸发。而多效蒸发可进一步回收气化物质的潜热。多效蒸发一般有以下几种流程：1、并流加料蒸发流程，即新鲜进料和蒸汽的流向相同，都有第一效顺序流至下一效。溶液的沸点逐级降低，适用于产品高温分解的体系。蒸发室压力逐级降低，级间靠压差输送，不需要输送泵；2、逆流加料蒸发流程，即原料液由最后一级进入，浓缩产品由第一级取出，当浓缩液粘度较高时，宜用此流程。在前级中，温度高可降低粘度，并且传热系数较高。但由于溶液流向与压力降方向相反，故需要增加级间输送泵；3、平行流加料蒸发流程，即原料液分别加入各级中，浓缩液也分别从各级底部取出。蒸汽的流向仍是从第一级至最后一级。此流程适用于原料液接近饱和特别是在蒸发过程中有结晶析出的溶液。 随着蒸发级数的增加，设备费用增加，但能耗降低，总费用存在最低点，所以存在一个最佳级数，需在全系统热集成后确定。蒸发器最高允许温度受产品分解和结渣性能的制约。所以最高压力级的压力必须使操作温度低于此极限温度；而最低压力以能使用冷却水或空气冷却为准。 干燥 干燥是指从湿物料中除去水分或其他湿分的操作过程，在工业生产中，一般为将其他分离过程（如：蒸馏、蒸发、离心分离或板框压滤等）分离得到的物质进一步除去水分，常将固体或液体中的水分经过加热蒸发进入气流中而实现干燥。常用的干燥设备有：隧道干燥器、旋转干燥器、转鼓干燥器、喷雾干燥器、流化床干燥器等。当物料不能自由流动时可选用隧道干燥器；当物料可自由流动时可选用旋转干燥器，但物料停留时间较长，所以不适用于热敏性物料的干燥；对于处理中小量的膏状混合物或固体浆料可选择转鼓干燥器；喷雾干燥器的最大优点之一为液体可在较低温度下喷雾蒸发，不受热空气影响。在喷雾干燥器中，液体或浆状小液滴在短时间内通过热空气，进料为加压雾化，所得产品多为密度小的多孔颗料，因而特别适用于热敏性产品的干燥。在脱硫液及硫膏制硫酸技术中，由于原料含水高，如直接进入焚烧炉，必然会造成燃料气消耗高、设备庞大、有效气含量低、对后序转化反应不利、热量无法平衡、需开电炉造成电耗高等。鉴于此，有部分工艺技术采用了喷雾干燥器对原料进行干燥除水后进料。从工艺整体性来看，确实起到了积极的作用。但不足的地方为：1、热空气带出物料引起的环保问题；2、当下游系统出问题无法接收喷雾干燥器出口物料时，物料的储存同时需避免出现板结的问题。 干燥设备的选择通常需根据被干燥物料的物理性质及特性、受热易分解情况、干燥效率的要求等来确定。 以上观点及理论大部分来自原书，加入了笔者的一些观念及理解，供大家探讨交流！ | 
IP卡
狗仔卡
发表于 2019-4-20 17:20:55
提升卡
置顶卡
喧嚣卡
变色卡
千斤顶
显身卡
成长值: 48010
成长值: 2575