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降低蒸馏塔的能源消耗的低成本方法
newmaker    来源:流程工业
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炼油设备, 生物柴油生产设备, 煤化工设备, ...
蒸馏装置在工厂的能源消耗中占了很大的比例。随着能源价格的不断上涨,公众对能耗问题也越来越敏感,工厂对蒸馏装置优化问题也更加关注。但工厂总是在降耗方法的选择上徘徊不定,错过了很多提高能源使用效率的机会。本文介绍了一些简单的操作步骤和程序,能够对能源的效率进行验证,对所需操作变更、小型项目及其收益进行识别。

能源的节约可能来自于设备的更换、工艺的改进或者操作方法的调整。而其中,操作方法的调整是回报率和可靠性最高的。不必要的能耗取决于若干因素,包括:不适当的控制点、错误的控制项选择、未发挥的系统能力、过度分馏或蒸出速率过大、设备效率低、无基本的热集成步骤等等。改进了这些基本问题,工厂的利润都能够有所增加。多数情况下,只需几步简单的操作变更就可以降低能耗,降低投入。

采取的措施合适吗?

一般在蒸馏塔底部采取的控制措施取决于推断的蒸馏残渣成分的温度(图1)。而在蒸馏塔底测量温度时,合适的测量点取决于许多因素,包括控制响应、过程增益、系统组成、能源费用等。大多数情况下,简单的推断式成分控制与若干个不在蒸馏塔底的蒸馏塔盘控制点(根据系统状况,一般为3~20个)一起工作是最有效的。这一方法也同样适用于对蒸馏塔顶馏出的推断式控制。

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图1 底部的蒸馏塔盘通常不是对成分做推断测量的最好地点

举例来说,把控制点从蒸馏塔的蒸馏残渣处向上移动6个蒸馏塔盘,这样一来,每年可以节省能源费用6万美元,而要实现这一点所需要的仅仅是一个新的温度计套管和一个小小的仪器。蒸馏塔的能源消耗减少了4.3%,其中3%来自对经常性目标活动热负荷变化的减少,其余的来自对生产更加严格的控制,从而在最低要求之上降低了运营费用。

控制的内容正确吗?

要确保测量的是正确的控制变量,通过过程分析是节能过程当中的重要环节。图2显示的是合成吸收器/汽提蒸馏塔,其使用一种吸收液以减少产品的损失,使用一个再沸器进行汽提。此图也同时描述了一个经常使用的不正确控制方案—蒸馏残渣上的蒸馏塔盘温度指的是蒸馏残渣成分。大部分的汽提过程中,微小的温度变化也能使蒸馏残渣成分产生大的变化。

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图2 普通控制方案对推断测量中出现的重大误差很敏感

图3显示了一个蒸馏残渣成分与控制点温度的特殊例子。为了把蒸馏残渣成分控制在所要求的操作点(D线)以下,需要把温度操作点设置得足够高,以便保持所有合理温度偏移过程中的纯度要求。F线显示,偏移量为2oF时的平均成分。相比较而言,使用可选控制规格,会有相关的汽提蒸气回收流,并允许在E线上进行操作(2.5%的流量偏移)。

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图3 控制中应考虑到:小的温度变化能够导致成分的大幅变化

采用可选控制方案,再沸器负荷平均节能3.6%。就汽提蒸馏塔而言,如果进料组成相对稳定,控制蒸馏塔顶馏出的气体速度是一个非常好的选择;如果进料组成偶尔发生变化,蒸馏塔顶馏出的气体比例可能也需要相应的变化。

控制到系统极限了吗?

发挥现有设备的最大能力,不要被规格表中的设计数值限制,把设备用到最大的安全限度。

比如,降低蒸馏塔的压力,调节蒸馏塔及蒸馏塔顶馏出中未发挥的能力。根据运行状况,这将可以节省多达25%的蒸馏能源消耗。

降低系统的压力等于提高了它们的相对挥发度,从而降低在经常性产品裂口方面对沸腾和回馏的要求,对能源的需求也就因此而降低。

对较低压力有利的因素包括:

·与理论最小值接近的实际分离步骤数;
·对高纯度的要求;
·低相对挥发性;
·与挥发性及压力相关的较大变化。

前三个因素使各系统产生大的回馏比。第四个因素识别的是系统对压力变化的敏感性。大回馏比(能源需求高)以及敏感的系统要求产生了最小化的压力。

一般对系统产生限制的是蒸馏塔顶馏出的冷凝能力或蒸馏塔的能力。如果蒸馏塔顶馏出系统能够在运行范围内对压力进行控制,那么就不产生限制。迅速检查一下蒸馏塔顶馏出系统中的控制参数范围(比如,阀门的位置),就能够快速识别蒸馏塔顶的馏出系统是否受到了限制。

总之,压力下降时,大多数蒸馏塔内会产生溢流。要避免这一问题,要求在蒸馏塔的限制区对压降进行监测,把压力调至尽可能接近蒸馏塔溢流的压力,这也是最低、最适合的压力。最常用的方法是直接测量压降,不过内部各种限制所产生的蒸汽流或液体流也能提供此类数据。

能否完全控制能耗?

图4显示了具有热联合功能的蒸馏方案,它通过两种途径为再沸器提供热能,这两种途径是对反应器馏出物的回收以及对600psig蒸汽的回收。使用反应器馏出物肯定会降低单位能源成本。不过,这个控制方案隐藏了过程值对输进蒸馏塔内热量的影响。整个热量输入是由反应器馏出物裂口上的手动控制阀(HC)以及600 psig蒸汽上的流量控制器来进行设置的。从根本上说,蒸馏塔是在恒定负荷状态下进行工作的。恒定负荷运行,无论是在冷凝器内还是再沸器内,几乎都是耗能的标志。

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图4 该方案中无过程值对输进蒸馏塔内热量的影响

对该大型工厂的调查表明,42%的再蒸馏塔使用某种形式的恒定能源控制。某些情况下采用这种控制是必要的,但没有必要对一个普通加工厂中几乎半数的蒸馏塔采取这种控制。检查一下对冷凝器或再沸器恒定能源控制所做的参数设置,变更这些设置即可减少对能源的使用。

能否有效地使用汽提用水蒸气?

移除或回收轻馏分经常选择水蒸汽汽提法,它可通过蒸发来部分降低系统中其他零件的压力。蒸发的热气来自过程流体,而非水蒸汽。因此,与使用再沸器相比,这种方法耗用的水蒸汽更少,节省的能源更多。

盘式蒸馏塔

相对较低的蒸汽速度表明设备设计方面出现了难题,尤其是蒸馏塔盘方面。许多汽提盘,由于不符合实际应用要求,所提供的有效率几乎为0。即便条件适宜,汽提盘的有效率也很少能够达到35%。

一个常见的设计错误是不考虑蒸汽速度中的大变化,而这种变化经常在经过汽提区时出现。要使蒸馏塔盘有效地工作,必须使它们在最小压降上,防止出现液体侧流,同时提供良好的蒸汽分布。通常一个筛盘至少需要0.05psi的压降。蒸汽速度变化时,需要得到最低压降的筛孔数也发生变化。如果蒸汽速度变化太大,对不同筛盘的筛孔需求量也可能大不相同。

表1总结了在三个不同效率上,用8个实际筛盘进行汽提蒸汽负荷的结果。产品(蒸馏塔顶馏出)产量在任何情况下都是稳定的。0%的效率表明,汽提所需要的蒸汽仅仅是蒸汽闪现而已。

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不考虑蒸汽速率将导致解析效率方面的严重代价,对于能源使用同样如此。

把该厂汽提蒸馏塔盘的效率从0提高到25%,每天可节省37001kg(81500磅)的蒸汽,转化为每年20万美元的经济效益。

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液体流路径数量的增多,导致对蒸馏塔盘活跃区域需求的增大。

提高效能还要求考虑穿过蒸馏塔盘的蒸汽形状。图5标出了经过8个蒸馏塔盘的蒸汽速度(假定每个蒸馏塔盘的效率恒定为25%)。一开始,蒸汽速度迅速经过每个蒸馏塔盘,随后变平。穿过8号盘的速度是穿过2号盘速度的1.5倍。

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图5 一个蒸馏塔盘设计通常不会有效处理蒸汽速度的巨大差异

采用适合最大速度的蒸馏塔盘设计,意味着蒸馏塔底蒸馏塔盘的设计几乎无效。因为蒸馏塔底蒸馏塔盘不进行任何汽提,但蒸汽速度不变,而且2号蒸馏塔盘并不工作。这样一直向上级联到汽提区,没有一个蒸馏塔盘的工作状况良好,平均效率近乎零。

汽提区蒸汽速度变化快,必须采用多盘设计。图示要求有四个设计,孔分别在1号蒸馏塔盘、2号和3号蒸馏塔盘、4号和5号蒸馏塔盘、6号和8号蒸馏塔盘上。这样,有效率为25% 而不是0,能源费用降低了75%。

填充蒸馏塔

高效填充汽提区也有同样的问题,主要为水蒸汽的分布。天然水蒸汽分布是否经过填充床,取决于压降。压降越大,分布状态越好。但如果是为低蒸汽速度而设计的,则压降低,低压降将导致蒸汽流在填充床上无法实现好的分布,从而失去可能从高效率汽提区获得的利益。

如果填充汽提区的运行状况不理想,请检查是否需要在填充床上有更好的分布。如果需要,则考虑使用空气喷淋器。该装置安装在一个直径为8″的填充区,把有效填充性能从近乎0%(零阶段)提高到两个阶段的分馏。

蒸馏塔盘的活跃性有多大?

一般情况下,我们把筛盘的灵活性范围设为 2:1~3:1,浮阀蒸馏塔盘的灵活性范围为3:1或者更大。许多人认为,泡罩蒸馏塔盘的工作范围可达10:1。对于单通道蒸馏塔盘(正常压降-高压降)来说,这些灵活性范围通常是稳定的,即在一个2″的蒸馏塔盘空间上,每个蒸馏塔盘的压降最小为0.05~0.06psi。然而,多通道蒸馏塔盘以及它们的低压降设计使得蒸发处理的灵活性大幅降低。

如果蒸馏塔盘平台某一点上开始冒泡,平台液体密度就会低于旁边同深度静态液体。当下一个增加的蒸汽流经过蒸馏塔盘时,这一蒸馏塔盘上已经开始冒泡了。如果蒸汽的载荷足够高,整个蒸馏塔盘表面就是活跃的。相反,如果低载荷的蒸汽经过一个区域,而不是在整个蒸馏塔盘上扩散开来。多重蒸汽流流经液体,将使问题更加严重。表2显示的是蒸馏塔盘最小区域的标准值,这个蒸馏塔盘必须是活跃的,防止出现严重的侧流。

如果没有足够的液体与蒸汽接触,效能就会降低。而对蒸馏塔盘平台稍作修改,就能提高活跃程度。另外,关闭汽提、降低闭塞阀的工作性能,甚至更换蒸馏塔盘区域都能提高效能。

检查过基本热集成吗?

永远不要认为,工厂里当前的热集成配置是符合逻辑的,更不要说是最好的。

看一下溶剂回收工厂所采用的错误方案(图6)。蒸馏塔顶馏出与热气集成,位置是在第一个冷却水交换器后面,在此使用交换器并没有合理的解释。此外,对蒸馏塔顶馏出进行热集成后,无论是热蒸汽侧取还是蒸馏塔的蒸馏残渣流都没有热回收。

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图6 该方案大胆宣称,一个不同寻常的因素,有机会作重大改进

关键(图7)在于对蒸馏塔顶馏出系统进行重新配置,增加热气的回收率。蒸馏塔顶馏出交换器的次序是先进入冷却水系统,然后退回到热联合。把一个现有的热油交换器转换成进给预热与蒸汽产品侧馏分。最后把一个新的热回收交换器加在蒸馏残渣流上(10%的进给流)。把一个热油交换器留在进给流(E3)上便于启动。尽管设备的进给速度仅为360gal/ hr,但是热负荷减少了300万btu/hr。这些改变包括一项小于10万美元的资本支出,每年可节省28万美元。

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图7 对设备重新配置的投资,可在几个月后收回

许多工厂都可以在蒸馏塔进给与蒸馏塔蒸馏残渣之间采用简单的热集成步骤。如果要节省费用,就不要忽视这些相对容易的操作方法,它们并不涉及大量资金或工艺风险,但却可以真正提高蒸馏塔的能源效率。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (7/20/2008)
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