精馏节能的改进与探讨

2013年第8期化学工程与装备

2013年8月Chemical Engineering & Equipment 141

精馏节能的改进与探讨

刘宏亮

（浙江新和成股份有限公司，浙江 绍兴 312500）

摘 要：本篇文章主要针对降低精馏能耗进行综述，重点是提高填料与热交换效率的一些改进。

关键词：精馏；填料；换热器；螺旋管；降低能耗

在化工生产过程中，精馏是非常重要的一个过程单元，它直接决定了最终产品的质量和收率。据估计，化工过程中40％～70％的能耗用于分离，而精馏能耗又占其中的95％。因此随着世界能源的日益短缺，精馏过程一直是研究者节能挖潜的热点对象，它的每一个进展都会带来巨大的经济效益。多年来，人们已采用了多种方法和手段对精馏过程进行节能降耗的研究。

降低能耗是精馏过程发展的重大课题。主要的节能措施有：① 特殊精馏，如热泵精馏。将塔顶蒸气绝热压缩升温后，重新作为再沸器的热源；② 多效精馏。精馏装置由压力依次降低的若干个精馏塔组成，前一精馏塔塔顶蒸气用作后一精馏塔再沸器的加热蒸气；③ 采用电子计算机对过程进行有效控制，优化精馏操作条件，减小操作裕度，确保过程在最低能耗下进行。④ 采用高效精馏塔，可用较小的回流比；采用高效换热器，可降低传热温度差，这样就可以减少有效能的损失。在这里本文重点对第4项节能方法进行综述，所述仅指填料精馏塔。

1 改进填料，提高塔效

精馏过程的核心在于回流，而回流必须消耗大量能量，因此采用尽量小的回流比对节能有利。为了实现在小回流比下得到高纯度的塔顶产品，就要有高效的填料，它影响着塔效率的高低。随着生产的发展，精密分馏技术和高效填料得到更多应用。下面对综合性能比较好的几类填料进行比较：

填料规格 塔径mm 比表面积m2/m3理论板数 块

/米

每米压力降 Pa 每板压力降 Pa

CY700 700 8~10 550 55

丝网波

纹填料 BX500 500 3~5 300 60 θ网环φ3*3 50 2275 40~50 1000 20

△螺旋3*3 50 2964 50~60 1200 20

由上表可以看出，θ网环与△螺旋的理论板数高且每板

压力降又低，对提高精馏塔的分离效率、实现高效精馏非常

有利。但是，因为有“放大效应”的存在，θ网环或△螺旋直接填装到大生产的>φ200的塔器中，其分离效率会急剧下降，不再有高的理论板数，所以它们的应用通常被局限在实验室里。

那么如何将在大生产中也能应用？改进塔内结构，使大塔内有很多个小塔在同时运行。改进如下图（图

1），由图可看出，采用列管式的方法将大塔径分割成若干个小塔径来工作，小塔内、外均装填料，小塔外的空间装填料后也相当于是多个小塔。小塔材料可以是薄壁管或丝网管或网孔管。通过这样的改进，“由小及大”，实现了θ网环或△螺旋等高效小填料在大塔径中的应用。

图1

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2 强化传热，提高换热器的效率

提高换热效率的核心就是强化换热器的传热过程，所谓强化是对单位面积的传热速率来说的，Q/A的提高主要决定于K，而K值又决定于两个流体的膜系数、管壁和污垢层的热阻。由于各项热阻所占比重不同，在提高K值时主要是减小影响较大的热阻一项。通过对对流传热的分析，知道热阻主要集中在靠近管壁的层流边界层，边界层内的传热方式以传导方式进行，而流体的导热系数又小。因此，强化传热的途径有：（1）增加流体的湍流程度，以减小管壁层流边界层的厚度；（2）尽量采用导热系数较大的或有物态变化的载热体；（3）防止结垢和及时除垢。在精馏生产中，换热管内外的流体一定时，我们可以通过增加流体的湍流程度来达到强化传热的目的。为实现这一目的，将平滑的换热管改成螺旋槽的换热管。下面对螺旋槽管的优点作一分析。

建立一个螺旋槽管的传热模型，（如图2）将它与光管作比较，得到的数据绘成一曲线图（图3，红色线为螺旋槽管的冷、热流体温度变化曲线，白色为光管）。

图2 图3

由上可知，在给定流量下，同样的起始温度得到不同的终点温度，螺旋管传热效果更好，它的传换热系数是光管的2~3倍。

对螺旋管换热的应用，国外早有报导。英国1988年报导在一台200MW蒸汽发电机组的凝汽器上全部采用了螺旋槽铜管，使凝结水温度下降1.5℃，从而节省了百万英镑的运行费用。美国通用油品公司在凝汽器上采用了Korodense 单头螺旋槽管，管子长度比光管减少了44%，数目减少了15%，重量减轻了27%，传热面积节省了30%，总体传热系数提高了43%，设备投资比光管节约近10美元。在国内，上海金海雅宝精细化工有限公司也有应用成功的报导。

3 结束语

改进填料，可以降低塔高、减少设备投资与安装空间；较低的每板压力降，对高真空精馏、热敏物料非常有利；较高的塔板数有助于以小的回流比得到更纯的产品。改用螺旋换热管，强化了传热，可缩小传热温差，节省传热面积，减小设备尺寸；螺旋槽使得液体更易湍流，减少结垢与清除结垢的次数。因此，通过以上改进可以实现节能耗节投资，提高产品质量，值得应用。