新型精餾技術(shù)及其發(fā)展趨勢

新型精餾技術(shù)及其發(fā)展趨【摘要】本文主要介紹反應(yīng)精餾和隔壁精餾技術(shù)，對其原理、優(yōu)缺點(diǎn)及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。總結(jié)了技術(shù)中存在的問題并展望其發(fā)展前景，結(jié)果表明這是兩種很有發(fā)展前景的精餾技術(shù)，在未來會有很好發(fā)展?！娟P(guān)鍵字】反應(yīng)精餾；隔壁精餾；發(fā)展趨勢反應(yīng)精餾（一）、概述反應(yīng)精餾是蒸餾技術(shù)中的一個(gè)特殊領(lǐng)域。目前，反應(yīng)精餾一方面成為提高分離效率而將反應(yīng)與精餾相結(jié)合的一中分離操作，另一方面則成為提高反應(yīng)收率而借助于精餾分離手段的一種反應(yīng)過程。它有許多優(yōu)點(diǎn)，可以替代某些傳統(tǒng)工藝過程如醚化、加氫、芳烴烷基化等反應(yīng)，在工業(yè)上得到了一定的重視。但長期以來，對于反應(yīng)精餾的研究僅限于工藝方面，直到上世紀(jì)80年代，反應(yīng)精餾的基礎(chǔ)理論性研究才開始引起研究人員的興趣和重視。主要分為三種情況：用精餾促進(jìn)反應(yīng)，用反應(yīng)促進(jìn)精餾，催化精餾。1、用精餾促進(jìn)反應(yīng)用精餾促進(jìn)反應(yīng)，就是通過精餾不斷移走反應(yīng)的生成物，產(chǎn)物離開了反應(yīng)區(qū)，從而破壞了原有的化學(xué)平衡，使反應(yīng)向生成產(chǎn)物的方向移動，以提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和收率。在一定程度上變可逆為不可逆，而且可得到很純的產(chǎn)物。但采用這種方法必須具備一定的條件：①生成物的沸點(diǎn)必須高于或低于反應(yīng)物；②在精餾溫度下不會導(dǎo)致副反應(yīng)等不利影響的增加。目前在工業(yè)上主要應(yīng)用于酯類（如乙酸乙酯）的生產(chǎn)。2、用反應(yīng)促進(jìn)精餾在待分離的混合物溶液中加入反應(yīng)夾帶劑，使其有選擇地與溶液中的某一組分發(fā)生快速可逆反應(yīng)，以加大組分間的揮發(fā)度差異，從而能容易地用精餾方法將混合物分離。通常用于組分的揮發(fā)度很接近但化學(xué)性質(zhì)存在差異的混合物。3、催化精餾催化精餾實(shí)質(zhì)是一種非均相催化反應(yīng)精餾。將催化劑填充于精餾塔中，它既起加速反應(yīng)的催化作用，又作為填料起分離作用，催化精餾具有均相反應(yīng)精餾的全部優(yōu)點(diǎn)，既適合于可逆反應(yīng)，也適合于連串反應(yīng)。反應(yīng)精餾的原理可用下圖來表示：（二）、反應(yīng)精餾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)1、選擇性高,由于反應(yīng)產(chǎn)物一旦生成即移出反應(yīng)區(qū)，對于如連串反應(yīng)之類的復(fù)雜反應(yīng)，可抑制副反應(yīng)，提高收率。2、破壞了可逆反應(yīng)平衡，增加了反應(yīng)的選擇性和轉(zhuǎn)化率，使反應(yīng)速度提高，縮短反應(yīng)時(shí)間，從而提高了生產(chǎn)能力。3、精餾過程可以利用反應(yīng)熱，節(jié)省了能量，操作費(fèi)用低。4、反應(yīng)器和精餾塔合成一個(gè)設(shè)備，節(jié)省投資。5、對某些難分離的物系，可以獲得較純的產(chǎn)品。6、系統(tǒng)容易控制，常用改變塔的操作壓力來改變液體混合物的沸點(diǎn)（即反應(yīng)溫度），從而改變反應(yīng)速率和產(chǎn)品分布。（三）、反應(yīng)精餾技術(shù)的缺點(diǎn)1、要求比較苛刻，例如：(1)化學(xué)反應(yīng)必須在液相中進(jìn)行。(2)在操作系統(tǒng)壓力下，主反應(yīng)的反應(yīng)溫度和目的產(chǎn)物的泡點(diǎn)溫度接近，以使目的產(chǎn)物及時(shí)從反應(yīng)體系中移出。(3)主反應(yīng)不能是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，否則精餾操作的傳熱和傳質(zhì)會受到嚴(yán)重影響，會使塔板分離效率減低，甚至使精餾操作無法順利進(jìn)行。(4)主反應(yīng)時(shí)間和精餾時(shí)間相比較，主反應(yīng)時(shí)間不能過長，否則精餾塔的分離能力不能得到充分利用。(5)對于催化蒸餾，要求催化劑具有較長的使用壽命，因?yàn)轭l繁地更換催化劑需要停止反應(yīng)精餾操作，從而影響到生產(chǎn)效率，同時(shí)增加了生產(chǎn)成本。(6)催化劑的裝填結(jié)構(gòu)不僅能使催化反應(yīng)順利進(jìn)行，同時(shí)要保證精餾操作也能較好地進(jìn)行。（2.對物系有要求所有產(chǎn)物的揮發(fā)度大于所有反應(yīng)物的揮發(fā)度；所有反應(yīng)物的揮發(fā)度大于所有產(chǎn)物的揮發(fā)度；所有反應(yīng)物的揮發(fā)度介于產(chǎn)物的揮發(fā)度之間。只有這三種情況可以用反應(yīng)精餾。（四）、反應(yīng)精餾的發(fā)展趨勢及存在問題1.發(fā)展歷程及趨勢有關(guān)反應(yīng)精餾的早期研究始于1921年，反應(yīng)精餾概念由Backhaus提出，從20世紀(jì)30年代到60年代初，主要對一些特定體系的工藝條件進(jìn)行探索，并且局限于板式塔中的均相反應(yīng)精餾。一直到60年代末，才開始對反應(yīng)精餾的一般性規(guī)律進(jìn)行研究。70年代后，開始轉(zhuǎn)向反應(yīng)精餾的工藝計(jì)算，同時(shí)也開始對催化精餾進(jìn)行研究。20世紀(jì)80年代后，反應(yīng)精餾模擬計(jì)算的研究異?；钴S，為優(yōu)化操作和設(shè)計(jì)裝置提供了極為有力的工具，數(shù)學(xué)模型也由平衡級模型拓展到非平衡級模型進(jìn)而發(fā)展到90年代末的非平衡池模型，可模擬氣相和液相在級上的停留時(shí)間分布和較準(zhǔn)確地描述反應(yīng)和傳質(zhì)行為，是對非平衡級模型的提高和進(jìn)一步完善，是非常有前途的反應(yīng)精餾模型。國內(nèi)在這方面的研究起步較晚，據(jù)悉，西安交通大學(xué)已經(jīng)對反應(yīng)精餾和膜分離工藝進(jìn)行了研究，取得了一定進(jìn)展。對于某些已成熟工藝，開發(fā)其在新領(lǐng)域的應(yīng)用也具有重要意義，如將反應(yīng)精餾用于分離的工藝研究。目前，反應(yīng)精餾技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，對某些新領(lǐng)域的開發(fā)也取得了一定進(jìn)展。隨著節(jié)能和環(huán)保的要求日益提高，反應(yīng)精餾技術(shù)將會發(fā)揮更大作用，是解決能源危機(jī)和緩解三廢污染的有效途徑。結(jié)合了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬工具，相信反應(yīng)精餾工藝在未來幾十年將會有更好的發(fā)展。2.發(fā)展中要解決的關(guān)鍵問題（1）反應(yīng)物種類及反應(yīng)物和產(chǎn)物的性質(zhì)對反應(yīng)精餾的影響。（2）反應(yīng)熱效應(yīng)對精餾過程的影響。（3）非均相催化反應(yīng)精餾過程的傳遞規(guī)律及其設(shè)計(jì)方法。（4）用于精細(xì)化工生產(chǎn)的間歇反應(yīng)精餾的非穩(wěn)態(tài)特性。二、隔壁精餾（一）、概述隔壁精餾塔簡稱DWC，DWC是在精餾塔內(nèi)部設(shè)置一個(gè)垂直隔板，將精餾塔分為上段，下段，以及由隔板分開的精餾進(jìn)料段及中間采出段，共四部分。1、隔壁精餾塔塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對于傳統(tǒng)的三元混合物分離，若采用簡單塔分離序列，至少需要2個(gè)精餾塔才能使其得到有效分離。而圖1所示的隔壁塔，利用隔壁將普通精餾塔從中間分割為2部分，隔壁巧妙的使用實(shí)現(xiàn)了兩塔的功能及三元混合物的分離。在隔壁塔中,進(jìn)料側(cè)為預(yù)分離段，另一端為主塔，混合物A、B、C在預(yù)分離段經(jīng)初步分離后為A、B和B、C兩組混合物，A、B和B、C兩股物流進(jìn)入主塔后，塔上部將A、B分離,塔下部將B、C分離,在塔頂?shù)玫疆a(chǎn)物A,塔底得到產(chǎn)物C，中間組分B在主塔中部采出。同時(shí)，主塔中又引出液相物流和氣相物流分別返回進(jìn)料側(cè)頂部和底部，為預(yù)分離段提供液相回流和初始?xì)庀?。這樣，只需1座精餾塔就可得到3個(gè)純組分，同時(shí)還可節(jié)省1個(gè)蒸餾塔及其附屬設(shè)備，如再沸器、冷凝器、塔頂回流泵及管道，而且占地面積也相應(yīng)減少。一般來說,與傳統(tǒng)的兩簡單塔分離序列相比，隔壁塔的能耗及設(shè)備投資均可降低30%左右。2、隔壁精餾塔的節(jié)能原理（1）避免了中間組分的返混效應(yīng)。在常規(guī)兩塔分離序列中，塔1提餾段內(nèi)隨著輕組分A濃度的降低，中間組分B的濃度逐漸增加，但在靠近塔釜處，由于重組分C濃度增加，中間B組分濃度在達(dá)到最大值后逐漸減小，即組分B在該塔中發(fā)生返混，這也是該塔分離效率較低的重要原因。與之相反，在隔壁塔中，經(jīng)預(yù)分離段分離后的A、B和B、C兩組混合物進(jìn)入主塔后做進(jìn)一步分離,其中，中間B組分在塔中濃度達(dá)到最大時(shí)采出，這就有效避免了兩塔流程中的返混現(xiàn)象。(2)減小進(jìn)料與進(jìn)料板上物流組成不同引起的混合問題。在預(yù)分離段頂部和底部B組分的組成完全和主塔這兩股物料進(jìn)料板上的組成相匹配，符合最佳進(jìn)料板的要求。（二）、隔壁精餾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（1）可得到較高純的中間產(chǎn)品。由于隔壁塔所采出的中間產(chǎn)品純度比單個(gè)精餾塔側(cè)線出料達(dá)到的純度要大,因此,當(dāng)希望得到高純度的中間產(chǎn)品時(shí),可考慮使用隔壁精餾塔。（2）與傳統(tǒng)的兩簡單塔分離序列相比，隔壁塔的能耗及設(shè)備投資均可降低30%左右。（3）當(dāng)中間組分為進(jìn)料中的主要組分,而輕組分和中間組分的相對揮發(fā)度與中間組分和重組分的相對揮發(fā)度大小相當(dāng)時(shí),采用隔壁塔時(shí)節(jié)能優(yōu)勢更為明顯。（三）、隔壁精餾技術(shù)的缺點(diǎn)（1）由于采用隔壁精餾塔分離三組分混合物是在同一塔設(shè)備內(nèi)完成,故整個(gè)分離過程的壓力不能改變。（2）工藝計(jì)算及控制比較復(fù)雜。（3）由于兩個(gè)精餾塔的控制條件被并到了一個(gè)隔壁精餾塔中，塔的控制條件增加了，控制回路增加及機(jī)械加工等問題是隔壁精餾無法實(shí)現(xiàn)大生產(chǎn)。（四）、隔壁精餾的發(fā)展趨勢及存在的問題1.發(fā)展歷程及趨勢1933年,因裂解氣分離問題,EricWLuster，提出了隔壁塔概念，并申請了美國專利，但由于其工藝計(jì)算及控制的復(fù)雜性，直到1985年,第一座用于回收精細(xì)化學(xué)品的隔壁塔才投入工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，大部分運(yùn)營的隔壁塔為BASF公司擁有，并由德國Montz公司提供塔內(nèi)件，如南非薩索爾公司用于回收合成汽油混合物中1-己烯的隔壁塔即采用了BASF公司的技術(shù)，該塔也是目前世界上最高的一座隔壁塔，其高達(dá)107m,直徑5m。到2006年9月，全世界工業(yè)化隔壁塔已發(fā)展到近100座。2.發(fā)展趨勢隔壁塔技術(shù)在多元物系分離中的成功運(yùn)用，證明了其在降低能耗、減少設(shè)備投資方面的巨大潛力。近年來，研究者們已著眼于將隔壁塔技術(shù)應(yīng)用于特殊精餾體系，如反應(yīng)精餾、萃取精餾、共沸精餾等新領(lǐng)域，以期最大限度降低能耗。近年來，國外正在加快隔壁塔的工業(yè)化步伐，并取得了令人矚目的成果。我國對隔壁塔的研究較少，更缺少實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用。加快此項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用步伐，并且擁有獨(dú)立的知識產(chǎn)權(quán)，對降低工業(yè)生產(chǎn)的能源消耗，減少CO2的排放，推動我國石油、化工行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。3.發(fā)展中要解決的關(guān)鍵問題在國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)隔壁精餾研究機(jī)構(gòu)和應(yīng)用單位，相關(guān)的研究文章也比較少。我國在石油化工及天然氣化工領(lǐng)域的能耗比國外大，