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1 B4 都 不 量 金 行 率 45% 來降 力 30% 若 降 (Heat integrated distillation column) (Process and heat integration) (Distillation) 1. 都 不 異 例 ( 力 力 ) 率 略 量 略 不 率 量 更 量 六 更 了 ( 1) 率 都 不 力 年來 度來 利 行 (HIDiC, Heat Integrated Distillation Column) 1

2 (DWC, Divided Wall Column) 說 力 類 利 念 利 利 來 20%~60% 益 若 率 益 17.51% 45% 金 19.44% 金 6.65% 2.86% 5.59% 45.5% 2.26% 0.24% 15% 5% 25% 5% 5% 年 例 ( 料來 93 年 ) 2. 理 HIDiC 念 1970 年 Mah [Mah et al., 1977, Fitzmorris and Mah, 1980] SRV (Second Reflux and vaporization) 不 理念 落 HIDiC 理 利 (stripping section) 精 (rectifying section) 行 精 來 2(b) 理論 精 度 HIDiC 精 力 度 精 2

3 (a) (b) 2. (a) (b) 念 HIDiC 行 蘭 1980 年 都 行 HIDiC 年 (AIST ) 行 都 利 年 NEDO( ) 行 AIST 行 省 兩 pilot plant HIDiC 2006 年 蘭 HIDiC 行 Delft (Laboratory of Process Equipment, Zarko Olujic 行 HIDiC 數 行 料 理論 數 力降 離 (PP splitter) HIDiC (Heat panel) 蘭 (EET, Dutch Economy Ecology Technology program) 參 ECN(Energy research Centre of the Netherlands) ABB-Lummus AKZO-Nobel BP-Amoco DSM Shell Global Solutions Sulzer Chemtech 3. HIDiC 力 理論 ( 2) 利 力 律來 量 率 3

4 Q Q + FH DH + BH = 0 (1) REB COND F D B QCOND QREB S = FSF + DSD + BSB 0 (2) T T COND REB 量 來 力 ( 降 ) (remixing) 量 列 W loss T S = 0 T = QREB 1 T B ( H T S ) B Q 0 COND 1 REB 0 B T T 0 COND + F ( H T S ) D( H T S ) T0 T0 = QREB 1 QCOND 1 Wmin T REB T (3) COND W min 離 量 W ( DH + BH FH ) T ( DS + BS FS ) min = D B F 0 D B = H T0 S (4) 率 F F 0 F D 0 D η con Wmin = W + W loss min = Wmin W min Q REB ( 1 T0 TREB ) QCOND ( 1 T0 TCOND ) QREB QCOND (5) 理 HIDiC 率 (5) η HIDiC Wmin = W + W loss min = min (6) [ W + Q ( 1 T T ) Q ( 1 T T )] F 0 W F Q F Q 1 料 量 HIDiC 理 易理 Q 1 Q F T 1 T F (7) W = Q Q Q Q Q (8) STRIP RECT REB COND F 4

5 W Wmin ηhidic > η W + W loss min (9) min con ( Q + Q ) REB COND 力 說 理論 HIDiC 率 流 都 行 [Nakaiwa et al., 2003] 利 McCabe-Thiele 說 HIDiC 理 HIDiC 流 狀 ( 3(b)) 說 HIDiC 流 量 來 精 連 了 (a) (b) 3. McCabe Thiele diagram : (a) (b) 4. HIDiC 兩 tray column packed column 兩 都 HIDiC 異 不 HIDiC 不 率 4.1 HIDiC HIDiC shell & tube 來 了 channeling 率 shell & tube shell tube 易 不 不 4 5

6 不 易 易 行 理 不 易 Stripping Sect. Rectifying Sect. 4.2 HIDiC 4. HIDiC [ ( )] HIDiC 了 HIDiC HIDiC 了 都 5 理 量 ( 6) HIDiC 更 HIDiC 理 易 理 更 力 更 精 流 不 HIDiC 更 HIDiC HIDiC 率 HIDiC HIDiC 異 率 [NEDO, 2003] C-5( 12 ) 離 不 HIDiC 行 HIDiC 率 44% HIDiC 率 31.4% 6

7 Divided Wall. Rectifying Sect. Stripping Sect. Heat transfer panels 5. HIDiC [ 來 NEDO, 2003] 6. 理 [ 來 料, 2005] 5. HIDiC HIDiC 力 例 例 度 HIDiC 離 / / / 離 HIDiC 益 例 5.1 / HIDiC / 離 HIDiC HIDiC HIDiC 1999 年 葉 立了 HIDiC ( 8) Shell & Tube HIDiC 連 100 HIDiC / 省 40% ( 1) 7

8 1 HIDiC / Item Reflux Ration Energy consumption(kw) Comparison Conventional Column % HIDiC % Benzene/Toluene 300 kg/h Benzene 99.9 wt% Toluene 99.8 wt% 7. HIDiC / [ 來 料, 2005] 8

9 8. / HIDiC ( ) [ 來 ] 5.2 離 HIDiC HIDiC 蘭 Deflt 離 (PP-Splitter) 離 離 220 兩 串連 蘭 Deflt Zarko Olujic HIDiC 力 PP-Splitter 益 ( 9) 行 [Olujic et al., 2003] 蘭 Deflt HIDiC PP-Splitter HIDiC 來 行 離 行 PP-Splitter ( 2) 理論 省 80% ( 10) 數 都 HIDiC 3 9

10 蘭 Deflt 立了 HIDiC 0.8m 0.3m (Heat panel) HIDiC / / / 力 [ 來 Zarko Olujic ] 2 行 PP-Splitter [Z. Olujic, 2005] Column specification value Feed Propylene-propane Composition Propylene mole % 50 Flow rate ton/hr Pressure Bar 12.2 Temperature 31.7 Rectifying pressure Bar 19.2 Stripping pressure Bar 12.2 Rectifying stages Stripping stages - 57 Top product purity Propylene mole % 99.6 Bottom product impurity Propylene mole % 行 PP-Splitter [ 來 Zarko Olujic ] Design parameter Composition mole % value Propylene: 50 Propane: 50 10

11 Replaced reboiler duty kw 350 Rectifying stages Stripping stages Required heat flow per stage kw Temperature difference K 10 Over all heat transfer coefficient Required heat transfer area per stage kw/m 2 K 2 m Area of one heat panel m Required number of heat panels per stage 不 PP-Splitter [Olujic et al.,, 2003]() 11

12 11. Deflt HIDiC [ 來 Zarko Olujic ] 5.3 HIDiC HIDiC 不 兩 離 列 HIDiC 行 裡 料 行 行 葉 C5 離 SF-2, SF-4, SF-5 列 SF-2 HIDiC HIDiC SF-2 shell & tube ( 4) (NEDO) HIDiC 了 略 不 不 了 冷 了 HIDiC 更便利 行 數 料 SF-2 料 12

13 5 HIDiC-2 率 理論 n-pentane/cyclopentane/2-methyl-pentane Feed: 1553 kg/h Calc. HIDiC-2 Exp. 05/05/25 remark Bottom ( PENTANE+2MP)/WT% % 0.43% Top CP/WT% 4.96% 4.96% Internal S.P. S.P. UA ( kcal/h C/Stage) 900 ******* Theoretical number of Stage Pressure Drop: Str.Sec.: (kg/cm 2 ) Rec.Sec.: (kg/cm 2 ) same same External Reflux ratio Compression ratio Q S Feed preheating duty (1000kcal/h) Steam 9.1kg/h Q REB Q COMP Reboiler duty (1000kcal/h) Steam32.3kg/h Compression duty(1000kcal/h) Ã(37.96kw) Q H =Q REB +Q COMP +Q S +Q F (10 3 kcal/h) Energy Savings B =1-(Q H / Q actb ) % Q actb : Reboiler duty of a real tower C=1-( Q H / Q actc )

14 Q actc : Reboiler duty of a real tower with minimum reflux (R/R=15.0) (Q COMP = Q Comp. work x 0.78/0.6/0.351 *0.78 :adiabatic efficiency *0.351:power generation efficiency) HIDiC-2 Pilot plant (2005) Packed Column 35 ideal stages x 2 Compression Ratio 1.8 Production Capacity 1,650 kg/hr Double-tube Packed Column Unit (φ406) 7 Outer Shell 1,400 mm dia. Tower Height 22,770 mm Item Reflux Ration Energy consumption(kw) Comparison (%) Previous C-5 Tower NEDO 葉 HIDiC Pilot Plant 5.4 HIDiC AIST 年 [NEDO, 2004] HIDiC 力 更 HIDiC HIDiC 不 99.0 mol % HIDiC 更 率 離 隸 NEDO 省 HIDiC 更 了 率 41% 見 HIDiC 率都 異 6. HIDiC 理論 理論 不 都 HIDiC 了 數 3000 若 年 10 14

15 HIDiC 5 MMkcal/hr 率 30% 2010 年 年 省 量 23 CO 2 蘭 Deflt 度 PP-Splitter 益 不 行 都 率來 行 率 不 行 率 年 HIDiC 行 流 2~3 年 HIDiC [ 參 ] (1) Mah RSH, Nicholas JJ and Wodnik RB, Distillation with secondary reflux and vaporization: a comparative evaluation. AIChE J. 23: (1977). (2) Fitzmorris RE and Mah RSH, Improving distillation column design using thermodynamic availability analysis. AIChE J. 26(2): (1980). (3) Nakaiwa, M., Huang, K., Endo, A., Ohmori, T., Akiya, T., Takamatsu, T., Internally heat integratedd istillation columns: a review. Transactions of the Institution of Chemical Engineers, Part A 81, (2003). (4) Olujic, Z., Fakhri, F., Rijke, A., Graauw, J., Jansens, P.J., Internal heat integration the key to an energy-conserving distillation column. Journal of Chemical Technology and Biotechnology 78, (2003). (5) A. de Rijke, L. Sun, M.A. Gadalla, P. J. Jansens, Z. Olujic, Z., Fakhri, F., Finding an Optimal HIDiC Configuration for Various Industrial Distillation Applications. 7 th World Congress of Chemical Engineering PI-006. (2005). (6) 離 HIDiC 來 CO 2 量 ( ) (7) NEDO 省 15 年 (2004 (8) AIST 行 NEDO 省 16 年 (