精馏干货15-多效精馏

精馏干货15 || 多效精馏
化工707
导语：精馏是化工生产中的一个能耗大户，为了降低其能耗，可以采用多种节能措施，多效精馏（Multi-effect Distillation）就是其中之一。

1多效精馏原理
多效精馏是通过扩展工艺流程，来降低精馏操作能耗的一种途径。

其基本原理是：重复使用供给精馏塔的能量，以提高热力学效率。

具体做法是：以多塔代替单塔，将一个分离任务分解为由若干个操作压力不同的塔来完成，每一个精馏塔成为一效，将前一效塔顶蒸汽作为后一效塔底再沸器的加热蒸汽，以此类推直至最后一个塔，如图 1 所示。

在多效精馏过程中，各塔的操作压力不同，前一效压力高于后一效压力，前一效塔顶蒸汽冷凝温度略高于后一效塔釜液的沸点温度。

因此，多效精馏充分利用了冷热介质之间过剩的温差，特点在于其能位不是一次性降级的，而是逐塔逐级降低的。

这样，在整个流程中，只需第一效加入新鲜蒸汽，最后一效加入冷凝介质，而中间各塔则不再需要外加蒸汽和冷凝介质，由此达到了节能的目的。

（P1＞ P2＞…＞P N）
2多效精馏流程
多效精馏的工艺流程根据加热蒸汽和物料的流向不同，通常分为三大类: 并（顺）流（从高压塔进料）、逆流（从低压塔进
料）和平流（每效均有进料），三种典型多效精馏流程如图2所示。

⑴多效顺流精馏是工业中最常见的流程模式，见图2（a），物料和蒸汽的流动方向相同。

优点是：溶液从压力和温度较高的一效流向压力和温度较低的塔，这样溶液在效间的输送可以充分利用效间的压差作为推动力，而不需要泵。

同时，当前一效溶液流入温度和压力较低的后一效时，溶液会自动蒸发，可以产生更多的二次蒸汽。

此外，此种流程操作简单，工艺条件稳定。

但缺点是随着溶液从前一效逐渐流向后面各效，其浓度逐渐增高，但是其操作温度反而降低，导致溶液的黏度增大，总传热
系数逐渐下降。

因此，对于随组成浓度增大其溶液黏度变化很大的溶液不宜采用。

⑵多效逆流精馏流程见图2（b），物料和加热蒸汽的流动方向相反，物料从最后一效进入，用泵依次送往前一效，由第一效排出；而加热蒸汽由第一效进入。

优点是：溶液的浓度越大精馏塔的操作温度也越高，因此因组成浓度增大使黏度增大的影响大致与因温度升高使黏度降低的影响相抵消，故各效的传热系数也大致相同。

缺点是：溶液在效间的流动是由低压塔流向高压塔，由低温流向高温，因此必须用泵输送，动力消耗较大。

此外，各效进料均低于沸点，没有自蒸发，与并流流程对比，各效产生的二次蒸
汽较少。

一般来说，多效逆流流程适用于黏度随温度和组成变化较大的溶液，但不适用于热敏性物料的分离。

⑶多效平流流程如图2（c），原料液平行加入各效，分离后溶液也分别由各效排除。

蒸汽由第一效流向末效，二次蒸汽多次利用。

此种流程适用于处理精馏过程中有结晶析出的溶液，如某些无机盐溶液的精馏分离，过程中析出结晶而不便于效间输送，则可以采用多效平流流程。

3多效精馏的节能效果和效数
一般来说，多效精馏的节能效果是以其效数来决定的。

理论上，与单塔相比，双塔组成的双效精馏的节能效果为50%，而
三效精馏的节能效果为67%，四效精馏节能效果为75%，由此类推，对于N效精馏，其节能效果为：
式中η为节能效果，N为效数。

由此可以看到同样增加一个塔，从单塔精馏到双塔精馏的节能效果可达50%，而从三效精馏到四效精馏的节能效果仅增加了8%，所以在采用多效精馏节能时，要考虑到节省的能量与增加的设备投资间的关系。

在效数达到一定程度后，再增加效数时节能效果已不太明显。

需要说明的是，上述的节能效果为理论值，在实际应用时则要低于理论值。

随着效数的增加，加热蒸汽的消耗量减少，操作费用降低，但同时设备投资费增大。

同时效数的增加又使传热温差减小，传热面积增大，故换热器的投资也增大。

因此应在全面权衡节能效果和经济效益的基础上确定，通常多采用双效精馏，个别流程采用三效精馏，极少超过三效精馏。

4多效精馏应用准则
在多效精馏应用中，一般适用于非热敏性物料的分离，并且只要精馏塔塔底和塔顶温差比实际可用的加热剂和冷却剂温差小得多，就可以考虑采用多效精馏。

但是，实际上多效精馏要受到以下许多因素的影响和限制。

⑴效数的增加受到第一级加热蒸汽压力及末级冷却介质种类的限制，第一效的最高操作压力必须低于塔内物料的临界压力；对热敏物质，第一效的温度不能高于其热分解温度。

⑵再沸器的设计温度最高不得超过可用热源的温度。

⑶塔的最低操作压力通常要根据冷却介质的冷却能力而定，要保证所采用的冷却介质可以冷却塔顶气相。

⑷各塔之间必须有足够的压差和温差，以便有足够的冷凝器和再沸器推动力。

⑸效数的增多使操作更加困难，两塔之间的热耦合，需配备更高级的控制系统。

另外，还需考虑体系相对挥发度、进料组成及热状态、板效率以及现有塔的利用等因素。

总之，在考虑多效精馏节能方案时，要从系统的全过程进行分析、评估，以便选择满足工艺要求的最佳流程方案。

多效精馏主要应用在小规模的分离上，比如乙醇行业中广泛应用的差压蒸馏技术（也叫多效精馏），其广泛应用的原因是和石化行业相比其规模和分离板数都太少，而规模较大的石化行业，较常用的方法是设置中间再沸器和中间冷凝器。

5多效精馏应用实例——甲醇-水分离
顺流双效精馏流程如图3所示，常压-减压塔流程。

T1为常压塔，则T1塔顶压力（A）为101kPa，甲醇质量P，质量分数为0.995，温度为64.6℃。

根据物料衡算可得
D1+D2=796kg/h，T2塔釜物流W2中甲醇质量分数为0.039。

为使热量顺流从T1塔顶送入T2塔釜，则T2塔釜温度不能超过64.6℃（本应用中不考虑传热温差，近似认为减压塔塔釜温度为64.6 ℃），经计算，甲醇-水混合物在甲醇质量分数为0.039、温度为64.6℃下的饱和气体压力为25.1kPa，不考虑塔压降，则T2的全塔操作压力为25.1kPa。

T1和T2均为15块理论板，进料位置为第10块塔板，回流比分别为1和0.8。

经试差计算得T1塔顶采出量为380kg/h，T2塔顶采出量为416kg/h。

通过计算得T1塔釜再沸器温度为72.2℃，再沸器热负荷为284kW，与单塔流程相比可以节能47.7%；T2塔釜冷凝器温度为33℃，冷凝器热负荷为242kW，与单塔流程相比可以节能50%。

但实际过程中，会有换热温差的影响，节能效率会变小。

应用实例摘自文献：王俭, 堵祖荫. 蒸馏过程工艺节能技术(3)[J]. 化工与医药工程, 2018,39(2): 63-68.。