高效率蒸餾技術
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高效率蒸餾技術. 蒸餾製程改善的具體做法. 1. 散裝填充物 (random packing) 2. 規整填充物 (structured packing). 1. 高效率填充物應用 2. 打破共沸點 3. 特殊蒸餾蒸發技術. 板式塔與填充塔. 填充塔與板式塔之塔型的選擇. 填充物性能指標. 氣體動能因子. 氣相負荷因子. 低壓蒸餾塔設計條件比較. Mellapak 改裝現有板式塔分離乙苯 / 苯乙烯. 金屬絲網波紋填充物應用實例. 改善前. 改善後. ( 篩孔板 ). ( 網狀填充物 ). 塔頂. MeOH:92.44%.

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高效率蒸餾技術


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蒸餾製程改善的具體做法

1.散裝填充物

(random packing)

2.規整填充物

(structured packing)

1.高效率填充物應用

2.打破共沸點

3.特殊蒸餾蒸發技術


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板式塔與填充塔


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填充塔與板式塔之塔型的選擇


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填充物性能指標

氣體動能因子

氣相負荷因子


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低壓蒸餾塔設計條件比較


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Mellapak 改裝現有板式塔分離乙苯/苯乙烯


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金屬絲網波紋填充物應用實例

改善前

改善後

(篩孔板)

(網狀填充物)

塔頂

MeOH:92.44%

MeOH:98.49%

溫度:80℃

溫度:71℃

塔底

溫度:119℃

溫度:109℃

蒸汽

551kg/hr

233kg/hr

2

2

壓降

0.3kg/cm

0.05kg/cm


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二氧化碳吸收塔改善前後比較


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高效率規則填充物製作技術- UCL-WM1

▓ 分離效率高、HETP小,可降低塔高度,

節省能源

▓ 壓降小,可降低塔底溫度,避免產品分

解或聚合

▓ 真空蒸餾之分離效果更為顯著

▓ 對於難分離的產品,可降低塔高

▓ 分離效率高,可減少回流比,節省能源

▓ 操作彈性 (turn-down ratio)大

▓ 應用實例:異丙醇、醋酸乙酯、甲醇、

丙酮、甲基乙基酮、丁醇之回收

規格

主要材質:SUS304、SUS316 孔隙度:97%

比表面積:600 m2/m3

HETP值:20~50 cm

波紋角度:45°

高度:195mm/個

壓力降:5 ~ 10 torr/m packing 操作壓力:真空~常壓

應用範圍

▓ 真空蒸餾塔

▓ 常壓蒸餾塔

▓ 吸收塔

▓ 汽提塔


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新型塔板發展

1.強化鼓泡面積

Bi-Frac tray、Superfrac/Minivalve tray和Nye/Minivalve tray等

2.強化入口面積

Max-Frac tray、 Superfrac tray、 Nye tray、 Triton tray和Vortex tray等

3.複合塔板

4.並流塔板

CoFlo tray , JCPT tray

共通特性:高效率、大通量、低壓降


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目前新型塔板商業化產品


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並流噴射填料塔板

(JCPT, Jet Co-flow Packing Tray)

IPA進流廢氣濃度200 ppmv,氣液比450 ~710條件下,IPA廢氣處理效率可達95 %以上。


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並流噴射填料塔板與其他塔板之比較


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蒸餾製程改善的具體做法

1.共沸蒸餾

2.萃取蒸餾

3.加鹽蒸餾

4.壓敏蒸餾

5.膜蒸餾

1.高效率填充物應用

2.打破共沸點

3.特殊蒸餾蒸發技術


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y

y

x

x

共沸/萃取蒸餾原理

  • 針對共沸(如IPA/H2O)與難分離的物系(如醋酸/水),加入第三者使加大原來兩成份混合物之相對揮發度,達成分離的目的。

  • 如加入的物質與其中一項形成共沸物,則稱為共沸蒸餾,一般為輕沸物。

  • 如加入的物質與其中一項親和力較原二成份強,則稱為萃取蒸餾,一般為高沸物。

近沸物:

相對揮發度~1(難分離系統)

共沸物:

相對揮發度=1(不可能直接分離)


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共沸/萃取夾帶劑的選擇

  • 必須能改變被分離成份之重沸物或輕沸物之相對揮發度

  • 共沸蒸餾的夾帶劑由塔頂餾出

  • 萃取蒸餾的夾帶劑由塔底餾出

  • 夾帶劑具低蒸發潛熱

  • 熱安定性

  • 不與其它成份有化學反應

  • 價格便宜

  • 不腐蝕

  • 無毒

  • 易分離


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共沸蒸餾~醇+水+苯(環己烷)

化合物 (共)沸點

異丙醇/水/環己烷64.3oC

異丙醇/環己烷69.4oC

水/環己烷 69.5oC

(不互溶)

異丙醇/水 80.3oC

(進料)

環己烷80.8oC

(夾帶劑)

異丙醇82.2oC

塔底產品(99.5wt%以上)


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萃取蒸餾流程實例

補充萃取劑

甲基環己烷產品

萃取精餾塔

進料

甲苯產品

循環萃取劑

萃取劑回收塔

甲基環己烷 100.95℃

甲苯 110.65 ℃

苯酚181.65 ℃

萃取劑冷卻器


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壓敏蒸餾流程應用

不同壓力下的THF/WATER的汽液平衡


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Dual-Column Pressure Sensitive Distillation Process

  • Applications:

  • Acetonitrile/Water

  • THF/Water

  • Methanol/MEK

  • Acetone/Methanol

  • Benzene/IPA

  • Ethanol/EAc

  • Methanol/THF

  • Methanol/DCM

  • Methanol/Toluene

  • Ethanol/Acetonitrile


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加鹽蒸餾

使用鹽類以增加成份之間的相對揮發度,通常只要較少的鹽類即可將相對揮發度提升至幾倍之多,由此一來可以降低萃取劑的用量且提升萃取劑效率,而改善萃取蒸餾之原有缺點。


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加鹽蒸餾

1.由於萃取劑量減少,需要循環再利用之

量相對地減少,故可以節省能源耗用。

2.由於鹽為不揮發性成份,故僅存在於液

相,不會污染塔頂產品,可以使產品的

純度提高。

3.鹽的分離較容易,也可以循環再使用。

優點

缺點

1.鹽的溶解度。

2.鹽結晶會引起堵塞與腐蝕等問題。

3.固體物料的輸送較為困難。


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HIAG(1930-1951)

Ethanol+H2O

KAc+NaAc(70/30wt%)

IHI(1969)

IPA+ H2O

CaCl2


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膜蒸餾之原理

冷側

熱側

應用實例主要有三個部份:

(1)有機化學品的除水

(2)水中有機物的去除

(3)有機物間的分離


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膜蒸餾的優勢

(1)在理論上MD可以100%的分離離子、大分子、膠體粒

子、細胞及其他非揮發性成份

(2)操作溫度與壓力比傳統的蒸餾塔低

(3)降低膜與系統溶液的化學反應

(4)對膜的機械性能要求較低

(5)氣體所佔據的空間也比一般的蒸餾小

(6)所需外界熱源遠比傳統蒸餾小


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蒸餾製程改善的具體做法

1.蒸汽再壓縮

2.薄膜蒸發

3.多效蒸餾

4.熱泵蒸餾

5.反應蒸餾

6.分子蒸餾

7.DWC蒸餾

1.高效率填充物應用

2.打破共沸點

3.特殊蒸餾蒸發技術


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蒸汽再壓縮(VRC)

適用於T1-T2<30℃

一般蒸發器

VRC蒸發器


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蒸汽再壓縮蒸發器組合原則


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蒸汽再壓縮蒸發器組合原則


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雙效並聯使用蒸汽再壓縮機


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氣態溶劑

產品

薄膜蒸發器

Agitated Thin Film Evaporator (ATFE)

進料

氣態溶劑

在1000cp下比較

進料

熱媒在殼側加熱

加熱

加熱

產品

優點: 節省能源30%、滯留時間短、適用黏度高與易沈積液體


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薄膜蒸發器適用機會

去除單體或溶劑的下列狀況:

(1)在比較高溫的環境下極不穩定,易分解或聚合。

(2)黏度較高而發生流動性變差,而使加熱時的熱傳變效率降低。

(3)容易沈積在管壁,降低熱傳與物料傳送。

應用市場:高分子材料、特用化學品、製藥工業


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多效蒸餾原理

高熱含量流體

多量的水被蒸發

移去多餘熱能

用冷卻水將熱帶走

傳統方式,浪費能源

)

高含水

量進料

用來加熱

第二塔塔底

減少蒸汽和

提供熱能

冷卻水用量

產品


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多效蒸餾流程

適用於塔頂餾出物熱焓較高者,如水

典型雙效蒸餾流程圖

將一塔的塔頂蒸汽當作二塔的再沸器熱源

處理量:10ton/hr


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熱泵蒸餾

  • 適用於沸點差異小的二成份混合物之蒸餾

直接式熱泵蒸餾流程圖

間接式熱泵蒸餾流程圖


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熱泵蒸餾實例


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反應蒸餾

酯化反應(醋酸甲酯等)

醚化反應(MTBE, TAME等)

低能耗、低污染清潔生產製程

烷化反應(異丙苯)

醯胺化反應(尼龍66)

塔頂產物

原料回收

原料

反應部份

原料

反應器

蒸餾塔

1980-

蒸餾塔

-節省能源

-產品選擇率高

塔底產物

塔底產物

傳統製程

反應蒸餾製程


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醋酸乙酯反應蒸餾合成

Ethyl Acetate

Acetic

acid

精餾段

萃取段

液體酸

反應段

Ethanol

汽提段


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冷凝面

蒸發面

分子蒸餾

短程蒸餾(short-path distillation)

內藏式冷凝器,可減少壓降,達到高真空度。

分子蒸餾(molecular distillation)

在很高的真空下(10-3torr),分子間的作用力相當小,分子會呈現會以自由游離態在液層表面向外逸散。

1.分子從液相主體向蒸發表面擴散

2.分子在液相表面自由蒸發

3.分子從蒸發表面向冷凝面跳躍

4.小分子在冷凝面上冷凝

5.大分子回至蒸發面


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普通蒸餾與分子蒸餾的差異


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刮膜式分子蒸餾器

冷凝器設計在內 可以降低壓降

操作壓力可以至10-3torr 以下


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分子蒸餾技術的應用

  • 從稀薄混合物中提取物質

  • ~天然維生素E、深海魚油

  • 不同沸點產品的分離

  • ~單酸甘油脂

  • 高價廢油劑的回收

  • ~超高真空油

  • 高沸點化學品微量雜質的去除

  • ~辣椒油樹脂等


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Divided Wall Columns (DWC)

分隔內壁塔具有節省能源使用與降低建造成本的功效,是目前世界最先進的蒸餾技術之一

Thermally Coupled 1936

(Petlyuk et al. 1965)

(Wright 1946)

DWC未被有效應用的原因

  • 能源效益沒有確切的數字

  • 沒有適當的計算模式

  • 不知如何控制DWC在正常操作狀態

  • 未有適當的製程技術採用

  • 缺乏硬體製造的detail design


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DWCs的特性

DWC technology benefits

  • Lower energy consumption

    比傳統序列塔可降低20~40%的reboiler duty

  • Less investment cost

    10~30%減少換熱器、泵浦、管閥件和儀表等硬體設備

  • Lower maintenance cost, ~20%

  • Safer and more reliable

DWC technology obstacles

  • 相關文獻報導DWC不容易操作與控制,阻礙工業應用

  • 缺乏更多的三成份的DWC應用結果分析


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DWC general guidelines

適合DWC的系統

  • 由兩支以上序列塔分離A, B, C三種以上成份的分離程序

  • 進料內的B成份須佔大部分

  • 由單一塔側流取出的B成份的純度不滿足要求

  • 操作的系統必須固定,如進料成份、產品規格

不適合DWC的系統

  • 原序列塔的操作壓力差距過大

  • 原序列塔加熱或冷卻的溫度差距過大


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DWC的技術研發與工業應用

  • 工業應用實例:

  • BASF自1985年以來,已建立約25支DWC;

  • Kellogg 替BP設計與建造2座DWCs,其一用於輕煤油

    的分離;

  • 三井重工設計至少6個DWC於Pilot-Plant現場使用;

  • Linde AG替Sasol建造一DWC(H=64.5m, D=4m)用於1-

    octene的純化;

  • Linde AG替Sasol建造最大的DWC(H=107m, D=5m)用

    於1-hexene的回收;

  • Krupp Uhde替Veba Oel設計一DWC用於分離高溫分解

    汽油後的苯;

  • Krupp Uhde替Chevron設計一DWC用於萃取程序中苯

    的回收;

  • UOP將DWC技術應用於Kerosene prefractionation 與

    PEP fractionation。

學術研究

  • UPC

  • NTNU

  • UMIST

商業技術

  • BASF

  • UOP

  • Kellogg

  • Sumitomo


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