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高效率蒸餾技術

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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Presentation Transcript

  1. 高效率蒸餾技術

  2. 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

  3. 板式塔與填充塔

  4. 填充塔與板式塔之塔型的選擇

  5. 填充物性能指標 氣體動能因子 氣相負荷因子

  6. 低壓蒸餾塔設計條件比較

  7. Mellapak 改裝現有板式塔分離乙苯/苯乙烯

  8. 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

  9. 二氧化碳吸收塔改善前後比較

  10. 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

  11. 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

  12. 目前新型塔板商業化產品

  13. 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。

  14. 並流噴射填料塔板與其他塔板之比較

  15. 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

  16. 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)

  17. 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

  18. 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)

  19. 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

  20. 壓敏蒸餾流程應用 不同壓力下的THF/WATER的汽液平衡

  21. 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

  22. 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。

  23. 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。

  24. HIAG(1930-1951) Ethanol+H2O KAc+NaAc(70/30wt%) IHI(1969) IPA+ H2O CaCl2

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. 蒸汽再壓縮(VRC) 適用於T1-T2<30℃ 一般蒸發器 VRC蒸發器

  29. 蒸汽再壓縮蒸發器組合原則

  30. 蒸汽再壓縮蒸發器組合原則

  31. 雙效並聯使用蒸汽再壓縮機

  32. 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

  33. 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

  34. 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

  35. 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

  36. 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

  37. 熱泵蒸餾實例

  38. 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

  39. 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

  40. 液 層 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

  41. 普通蒸餾與分子蒸餾的差異

  42. 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

  43. 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

  44. 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

  45. 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

  46. 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

  47. 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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