精馏过程节能技术综述

精馆过程节能技术综述
石油化工是我国国民经济发展的支柱产业，据统计其能耗占全国工业总能耗的15%左右，而化工过程中40%〜70%的能耗用于分离，精镭能耗乂占其中的95%。

分离是非常重要的单元操作过程，是石油化工生产过程中必不可少的操作，它直接决定了最终产品的质量和收率，而精镭乂是占据着主导地位的分离方法，所以在当今世界能源日益短缺的情况下研究和探讨精镭过程的节能原理、节能技术，并使其应用于工业生产，就显得十分重要。

精谓是化工及燃油工业中的主要分离技术，技术成熟可幕，投资相对较低, 所以在石油化工生产过程中应用广泛，但现有精谓技术在热力学上是低效的耗能过程，有极高的热力学不可逆性，分离lkg产品所需能量（比能耗）相当高，所以寻找精憎工程中有效可行的节能途径显得至关重要。

通过对精镭塔传热过程的分析可以得到如下节能途径：优化操作条件、塔系的热集成技术、内部能量热集成以及加强操作控制管理。

优化操作条件精懈塔的主要操作条件包括操作压力、操作温度、塔板压降，进料位置及温度、理论板数、回流比以及回流温度、塔顶塔底采出量、关键组份的清晰分割程度，塔顶塔底热负荷，塔类型及填料类型等等。

下面从充分利用精憎系统的热能、减少对热负荷的需求和提高精镭系统热力学效率三方面进行介绍。

充分利用精憎系统的热能精谓系统中，所需的热量全部山加热蒸气经再沸器输人，分离后的余热山冷却介质从冷凝器移出。

若能合理利用精镭过程中本身的能量，就能降低整个过程对能量的需求。

可通过采取保温、热量回收、强化换热器以及夹点技术的措施来实现。

在精懈过程中使用的设备主要为精憎塔和换热器，同时还有各种管道，这些设备的材质导热系数较高，若对其釆取保温隔热的措施就可大大降低设备与环境之间的热传递作用，以达到节能降耗的目的。

高温物料携带大量热量可在塔外吸收利用，比如回收塔顶物料蒸气的潜热和回收塔釜废液的显热，使其用于工艺流程的其他需要加热的操作；使塔顶、塔釜物料与原料液进行换热，对原料液进行预热。

这样就避免了额外能量的消耗以达到节能目的，且操作简单，控制方便，投资费用也很小。

精谓系统的合理用能主要山换热器来体现，强化再沸器和冷凝器中的传热可使传热温差下降，同时还可提高塔顶冷却剂温度，降低塔釜的加热温度。

因而采用高效的换热设备或元件可大大提高传热系数，节约能量。

比如采用多孔相变化传热面积，包括微孔沸腾表面及特殊处理的冷凝表面，均可使沸腾或冷凝给热系数比光管提高10〜30倍；增大传热面积，包括釆用翅片管或开槽沟，可以使传热系数提高不少。

亦可釆用更有效的换热介质来提高传热系数。

当有多股热流冷流进行换热时，可将所有的热流合并成一根热复合曲线，所
有的冷流合并成一根冷复合曲线，然后将两线表示在温一焰图上，冷、热复合温
度曲线在某点重合，当系统内部换热的极限，即该重合点的传热温差为最小，该点即为夹点。

在夹点为零下操作时，需要无限大的传热面积，可以通过技术经济评价而确定一个系统最小的传热温差一一夹点温差，在精懈换热网络的合成中，利用夹点技术考虑各种物流匹配，可使换热网络的热量利用达到最优。

减少对热负荷的需求在精僻过程中，若要减少对热负荷的需求，考虑精镭操作的气液平衡状态是非常重要的。

通过操作线的改进来接近气液平衡线、通过添加第三组分或降低操作压力来改进气液平衡状态等来实现。

减小回流比是一种容易使操作线接近于平衡线的方法。

回流比越接近于最小回流比，则操作线就越接近于平衡线，系统节能效果就更加明显。

所谓最小回流比就是在某种情况下，使平衡线组成（&•,打）接近于进料浓度（X」处，从而使进料板至其上一块塔板没有发生增浓现象。

当系统回流比最小时，虽然系统节能效果显著，即操作费用（主要山塔内水蒸汽和冷却水消耗来决定）较小.但是塔设备费用（塔板数增加）却迅速增加.蒸镭总费用（设备费用和操作费用之和）也随着增加。

通常，回流比选择应使设备费用和操作费用之和最小，即最佳经济回流比。

其实际值一般为最小回流比的1.1-1.5倍。

为了确保得到纯度合格的产品，设讣时都有一定的回流余量。

余量越大，能耗越高。

对于回流余量较大的精懈塔，在不降低产品质量等级的情况下，只要在R附近适当降低回流比, 就可使操作线更接近于平衡线，即可大大降低塔底再沸器的能耗。

对于某些装置，也可通过适当地增加一些塔板数以减小Ro但用增加板数以降低热负荷是有限度的，当塔板数增大到无穷多时，回流比将趋近最小回流比，适宜值为塔板数增加10% — 30%。

进料状态将直接影响到精镭塔能耗的大小，选择适宜的进料状态，可以使操作线更接近于气液平衡线可节省蒸汽能耗。

当塔主要受提流段支配时，进料的预热将使q变小.使操作线更接近于汽液平衡线，使提憎段塔板数减少.提懈段的蒸汽负荷减少，从而可节省蒸汽。

当塔主要受精镭段支配时，进料的冷却将使得q增大，从而使精镭段塔板数降低，提流段数增加，蒸汽量增加，但分离效果得到改善。

当组分的含量差异较大时，可将混合物料进行单塔处理或一塔多股进料，一般多股进料完成相同的分离任务时，能耗较低。

因此在一定的操作条件下，通过改变进料热状况，某些情况下可取得良好的节能效果。

另外在保证产品质量的前提下，如果进料中重组分增加，可降低进料口位置，从而可降低所需的加热热量。

改变气液平衡状态可降低精镭过程的能耗。

气液平衡状态的改进是通过添加第三组分或降低操作压力来实现的。

添加笫三组份，使要分离的两组份的相对挥发度增加，破坏或利用共沸，来使组份变得更加容易分离，降低能耗。

一般在分离较困难的系统中采用，但如果第三组份回收困难，或分离所需能耗很大，或混入成品笫三组分对成品纯度影响较大的场合，其应用往往受到限制。

降低操作压力被分离物系各组分间的相对挥发度增加，分离效果得到了改善，在热能利用效果和效率方面，达到了节能U,若同时采用较低压差.使平均相对挥发度增加，塔底温度下降，达到
节能的效果。

特别引人注U的是釆用高效填料时，节能效果更加明显。

选择适宜的进料板位置也可降低能耗。

在精镭操作条件不变的情况下，若进塔物料组成与加料板的组成差别较大，则应更换进料位置，在保持产品同一质量品质的前提下，进料中重组分增加，可降低进料口位置，减小提憎段；或被分离的物料来源不同，各组分的含量差异较大，可将各种物料进行一塔多股进料。

实际证实调节进料口位置或多股进料完成相同的分离任务，能耗较低。

这是因为混合过程是增爛过程，各组分不同的儿股物料的混合，增加了过程的不可逆性，这必然增加精憎过程的能耗。

提高精憎系统热力学效率主要是提高产品的分离效率和产品回收率，可通过采用新型塔板和高效填料，以及加中间换热器等方式来提高分离效果和降低能耗。

塔板和填料是精镭塔最为重要的传质内件，新型塔板和高效填料具有效率高、压降低的优点。

如采用伞形气帽、浮动筛板、新垂直筛板及穿流式浮板等新型塔板，可以降低精僻塔的操作压力，使被分离物系各组分间的相对挥发度增大，有利于提高分离效率和降低能耗。

填料性能主要取决于填料表面的湿润程度和气液两相流体分布的均匀程度。

LI前的高效填料有：新型高效规整填料; 新型高效散堆填料；阶梯填料；金属环矩鞍填料等。

新型高效填料在精谓塔器中的应用，均可以达到扩产、节能、降耗的效果。

中间换热器可用来节省或回收热量（冷量）。

在塔顶和塔釜的温度差较大的情况下可在精憎段中间设置冷凝器，在提懈段中间设置再沸器，可降低精憎操作费用。

这是因为精镭过程的热能费用取决于传热量和所用热载体的温位。

在传热量一定的条件下，设置中间冷凝器，可用温位较高、价格较便宜的冷却剂, 使上升蒸汽部分冷凝，以减少塔顶低温冷却剂用量。

中间再沸器则同理。

对塔底再沸器来说，中间冷凝器是回收热量，中间再沸器是节省热量；而对于塔顶冷凝器来说，中问冷凝器是节省冷量，中间再沸器是回收冷量。

塔系的热集成技术热集成精懾系统综合的U标就是寻找既能够按要求实现组分分离，乂能使年度总费用达到最小的精镭序列及热集成结构。

通过精懈塔间的热集成，可以用温位较高的冷凝物流来加热温位较低的再沸物流，这样就可同时节约冷却和加热的公用工程，且所节省的潜热远大于换热网络所回收的流股间的显热。

通过对普通精镭塔热量和冷量回收利用的方式和途径以及分离物系的不同，就形成了许多不同的节能型精憎流程。

下面将主要介绍多塔分离序列、多效精憎、热泵精係和热偶精镭。

多塔分离序列当采用精谓塔将多个组分进行分离时，精谓塔的排列顺序可以有多种方案，也必然存在一个最优的方案使得耗能最小，根据前人经验我们得到了以下规则：对易造成系统腐蚀或结焦的组分应首先除去，以降低后续设备的材质要求或稳定操作；再把进料分成分子数接近的两股流，按塔顶与塔底各占50%的分谓比例安排；根据气液平衡常数的大小进行排序，把轻组分逐个脱除，即采取顺序流程；
最难分离的组分或对回收率要求高的组分放在最后。

实验验证简单精憎流程釆用热集成技术比无热集成的可节约操作费用50% ,可见塔系热集成技术对于分离过程能耗的影响往往比单个塔的优化更显著。

多效精馆在工业发达国家，多效精係已成为一种规范性节能系统，广泛应用于工业生产中。

多效精憾是一种充分利用能量品位的有利措施。

通过扩展工艺流程来节减精憎操作能耗的，它是以多塔代替单塔，各塔的能位级别不同，能位较高的塔排出的能量用于较低的塔，从而达到节能的訂的。

即多效精懈将前级塔顶冷凝器与次级塔底再沸器合二为一，将前级塔顶蒸汽冷凝所放出的热量用作次级塔液的汽化，操作压力逐效降低，前面较高压力塔的塔顶蒸汽作为后面较低压力的塔底再沸器的加热介质，在其中冷凝。

换言之除圧力最低塔外, 其余塔顶蒸气的冷凝潜热均被精憎系统自身回收利用，减少了传热的不可逆性, 减少了公用工程消耗，从而降低能耗。

由于多效精谓随效数增加，加热蒸气用量减少产生的节能效果开始不断下降，且受到第一级加热蒸气压力及末级冷却介质种类的限制，操作愈发困难，，所以工业上一般都采用双效精憎。

多效精憎的节能效果，除受效数影响外，还受到分离物系的性质、易挥发组分的含量、工艺流程等因素影响，其节能效果已为实践所证实，双效精懈操作所需热量与单效精憎比可减少30%〜40%o
热泵精馅热泵技术是用圧缩式冷冻机将塔顶蒸汽直接加压升温，或将与塔顶蒸汽进行热变换的介质加压升温，使塔顶蒸汽（或其介质）作为高位热源，在再沸器进行热交换，来作为塔釜的加热热源。

热泵实质上是一种单效精镭，把冷凝器的热“泵送”到再沸器里去，使精懈能耗减少的制冷系统。

因回收的潜热用于过程本身，乂省去了塔顶冷凝器冷却水和塔釜加热蒸气，热泵系统中压缩消耗的能量，是唯一山系统外提供的，相当于只有再沸器直接加热消耗能量的20% — 40%,故可使精镭的能耗明显减少。

节能效果一般由供热系数COP来衡量，它表示加入lkJ的压缩功可提供给再沸器多少kJ的热量，其值越大，效果越好。

热泵精镭以工质的来源可分为两大类：一类是直接式热泵精憾，以塔中的物质为工质；另一类是间接式热泵精憎，以额外的循环物料为工质。

热偶精憎热耦精懈在热力学上是最理想的系统结构，可以用一个全塔和一个副塔代替两个完整的精镭塔，节省设备投资。

从全塔内引出一股液相直接作为副塔塔顶的液相回流，引出一股气相直接作为副塔塔底的气相回流，副塔避免使用冷凝器和再沸器，实现了热量的耦合，因此可节省能耗。

热偶精憎主要用于三组分混合物的分离或将混合物分为三种产物，可比常规精镭过程至少节能30%以上，乂能节省设备投资。

现已开发了多种精镭塔的耦合技术：①侧线精懈塔(SR)；②侧线提懈塔(ss)；③完全热偶精憎塔(Fc), 乂称Peflyuk塔; ④立式隔板塔。

但热偶精镭流程并不适用于所有化工分离过程，它的应用有一定的限制，这
是因为，它主要是通过对输入精憾塔的热量的“重复利用”而实现的当再沸器所
提供的热量非常大或冷凝器需将物料冷至很低温度时，此匸艺会受到很大限制。

同时热偶精懈对所分离物系的纯度、进料组成、相对挥发度及塔的操作压力都有
一定的要求。

经实验验证可知釆用热集成复杂精憎塔流程，山于提高了能量的利用率，可
显著降低系统的总费用，与最优的不考虑热集成的复朵精镭塔流程相比可减少费
用10%左右，与最优的简单塔序列相比可减少费用40%左右。

内部能量热集成该技术把传统塔从进料处分成两个内部存在能量集成的精镭塔，分别称为精懈段和提懈段。

利用精镭段上升的蒸气加热提懈段下降的液体，在精憎段和提镭段之间设置压缩机以加压提谓段塔顶出来的蒸气使其温度升高，这样通过两部分间的能量集成可以在精谓段和提憎段的内部分别产生内回流
和上升蒸气，理想的结果是外回流和再沸器的热负荷都降为0,回流液体和再沸蒸
气完全由塔间的能量集成。

这样能量利用的可逆程度进一步得到提高，可大幅降低能耗。

同时内部能量集成精憎塔更适合分离相对挥发度接近1的物系。

如丙烯一丙烷物系，理想内部能量集成精憎塔的节能优势明显，节能可达60% — 80%。

加I强操作控制管理加强操作管理是最廉价的节能技术，其实质是使过程处于最佳运行状态，尽可减少不必要的能耗。

具体措施有：①严格控制产品质量；②改进调节控制系统。

为防止精憎过程中操作参数的波动，都会设有一定的安全余量，若采用高精度的感应器、可靠的控制回路与仪表、较准确的数学模型组成先进的控制系统，全面优化流程, 使操作基本上在最佳条件下进行，实现节能增效。

如在丙烯一丙烷的分离过程中，采用先进控制系统，可使R由15. 6降至13. 5,从而实现节能13. 5% ；③加强设备维修保养，保证所有设备处于最佳传热状态，减少开停车；④提高作人员技术水平和节能意识，降低人为造成的能量浪费。

精懈过程的设计LI标是在保证产品质量和收率的前提下尽量节约能源和投资，因此，对精憎过程节能技术的研究具有重要的意义。

经过本文总结可知降低精懈系统能耗的途径是多种多样的，无论釆用哪种措施，均可取得一定程度的节能效果，在考虑降低能耗的同时，设计精镭过程还要兼顾LI前的技术、经
粘洌过程节能技术
济以及环保等诸方面因素，但最终评价则取决于经济效益。

在多数情况下，采用节能技术会使操作费用减小，但增加了节能设备而使设备投资增大。

所以必须综合权衡，采取最佳方案。

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