精馏过程节能技术

精馏过程节能技术简述

【摘要】如今环境问题逐渐显露，环境与能源的保护越来越得到社会的重视。尤其是化工行业的资源节约更是在国际中都得到重视。也因此节能的技术、工艺等节能措施等都得到了新的发展。本文便针对其中的化工精馏节能问题进行讨论。

【关键词】化工节能；精馏技术

1 前言

在工业生产中，石油化学工业的能耗所占比例最大，而石油化学工业中能耗最大者为分离操作，其中又以精馏的能耗居首位。精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现为过程变量多、被控变量多、可操纵的变量多、过程动态和机理复杂。

随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分离物料的组分不断增多，分离的产品纯度要求亦不断提高，但我们同时又不希望消耗过多的能量，这就对精馏过程的控制提出了要求。作为化工生产中应用最广的分离过程，精馏也是耗能较大的一种化工单元操作。在实际生产中，为了保证产品合格，精馏装置操作往往偏于保守，操作方法以及操作参数设置往往欠合理。另外，由于精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离，而是被冷却水或分离组分带走。因此，精馏过程的节能潜力很大，合理利用精馏过程本身的热能，就能降低整个过程对能量的需求，减少能量的浪费，使节能收效也极为明显。因此，在当今能源紧缺的情况下，对精馏过程的节能研究就显得十分重要。

近年来，由于能源的短缺，精馏过程节能的技术开发和应用研究非常活跃。一方面随着计算机技术与软件的发展，大型化工软件商业化越来越多，静态模拟软件如Aspen，proII等已成为化学工程师的基本设计与优化工具，动态模拟软件如gPORMS以及研究物体流动性能的CFD等软件也开始在一定围风行，这都在一定程度上促进了人们对精馏操作的规律性认识和本质认识，有利于对精馏过程的节能研究。另一方面，各类特殊精馏工艺的技术日趋成熟，开始在工业过程中获得实际应用，如热泵精馏在处理丙烯-丙烷系统，乙苯-对二甲苯过程中获得广泛应用，在丁二烯系统中的热偶精馏的运用等，都取得了良好的节能效果。

本文从以下几方面讨论了精馏过程的节能技术：(1)过程技术节能；（2）特殊精馏工艺节能。

2 过程技术节能

2.1 优化操作条件

从能量的本质看，精馏过程是将物理有效能转化为扩散有效能，同时伴随物理有效能的降价损失。精馏过程有效能损失是由下列过程的不可逆性引起的：一是流体流动的压降；二是相浓度不平衡物流间的传质或不同浓度物流间的混合；三是不同温度物流间的传热或不同

温度物流间的混合。

通过对精馏塔传热过程的分析，精馏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、塔顶塔底热负荷等等。除塔的操作压力一般是给定的（在设计双效流程除外），其它的都可以作为操作变量，通过灵敏度分析、设计规定或者优化技术来确定满足分离任务的最佳值，以获得最小的冷凝负荷和再沸器热负荷，从而使精馏塔能耗最少。因此，可以得到如下节能途径：（1）通过减少最小蒸汽负荷G MIN来降低Q消耗。如果塔顶压力不变，则塔压降△P 愈小，平均相对挥发度α愈高，G MIN也就愈小，相应所需实际加热量就减少。（2）使所需上升蒸汽量G减少来降低加热负荷。回流比R下降，可以直接使G下降。为了达到同样分离程度就应使理论塔板数N T提高。可以采用高效精馏塔件(如高效塔板或高效填料)使每米理论板当量数增大。此外，还可以通过改进自动控制，使回流比准确地控制在设定点上，从而减少回流比裕量，直接降低回流比。（3）减少塔顶与塔釜温差，可以使热佣损下降。除了可以降低塔压降△P 来达到外，尚可采用中间再沸器或中间冷凝器来达到。（4）提高料液温度使进料部分气化或全部气化，可取得良好的节能效果，而且操作简单，控制方便，投资费用也很小[1]。

2.2 中间换热节能

2.2.1 选择多效精馏

多效精馏的原理类似于多效蒸发，即将多组分的分离安排在一系列压力依次递减的精馏塔中去完成。高压塔顶产品冷凝汽化潜热被用来对压力较低的塔提供再沸能量。多效精馏加热蒸汽的用量与效数近似成反比，效数越多，用量越少。但效数的增加受到第一级加热蒸汽压力及末级介质种类的限制，而且，效数越多，设备投资过大且操作困难，固常采用双效精馏。

2.2.2 优化多塔精馏的排列顺序

采用精馏系列将N个组分分离开来应需N+1个塔，而其排列顺序可以有多种方案，例如3 个组分就有2 个排列方案，6 个组分就有42 个方案，选择好坏将对能耗产生重大影响。根据研究结果，可参考以下结论：(1)产品按塔顶产品的挥发度依次递减顺序逐个回收；(2)最难分离的组分放在最末分离。因为难分离组分精馏分离时要求的回流比很大，塔蒸汽及液流量也很大，放在上游分离能耗必然很大；(3)将进料按塔顶与塔底各占50 %的分馏比例安排；(4)纯度要求高的产品放在最后分馏。因为纯度意味着回流比大，塔气流量大，放在上游分离能耗则高。待大部分进料组分都分离后，最后的进料少了，采用大回流比能耗也就少了[2]。

2.2.3 增设中间再沸器和中间冷凝器

对于塔顶塔底温度差别比较大的精馏塔，可以通过增加中间换热器的方式来节省或回收热量（冷量）。中间换热的方式有两种：中间冷凝器和中间再沸器。对塔底再沸器来说（以塔底再沸器为基准），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（以塔顶冷凝器为基准），中间冷凝器是节省冷量，中间再沸器是回收冷量。中间冷凝器和中间再沸器的负荷如果比较大，塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷会降低，这样会导致精馏段回流比和提馏段蒸汽比（气相回流比）减少，回流比的减少，应当相应增加塔板数，才能保证产品的分离纯度，从而使设备投资费用增加。

将中间换热方式归类于过程技术节能，是因为原来的精馏塔没有变化，只不过增设的中间换热改变了操作线斜率，利用了低品位能源。在分离任务一定的情况下，常规精馏塔塔釜再沸器的供热量等于设有中间再沸器的精馏塔塔釜再沸器与中间再沸器供热量之和。设置中间再沸器前后，所需要的总的热负荷不变。只是在设置中间再沸器后，部分热量可以采用低于塔底再沸器的廉价的废热蒸汽提供，塔的热能有效降级,这使得热效率提高。对于给定的精馏塔,通过合理设置和使用中间再沸器，可以提供最大的热效率、达到最大的节能效果。

2.3 改进热的利用

强化再沸器和冷凝器中的传热温差下降，由于传热温差减小还可使塔顶冷却剂温度提高，塔釜的加热温度下降。改进热的利用主要包括增强传热面积、采用空气冷却器或蒸发冷却器和利用塔釜余热三种方式。

增强传热面积有以下两种类型：①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；②扩散传热面积：包括翅片管或开槽沟扩大传热面积，可以是传热系数提高不少。

采用空气冷却器或蒸发冷却器代替水冷却器可以避免结垢，水电综合消耗也较低，而且节省用水。蒸发冷却器可比空冷器冷却更低温度，由于推动是外界湿球温度，而且传热系数比干式空冷器更高，当工艺流股入口温度比夏日干球温度高28 ℃以上，而且出口温度至少高于外界干球温度110 ℃以上时，采用空气冷却器是经济的。

如果塔釜液是无关重要的废液，则可以把它的显热变成潜热加以利用[3]。方法是：使塔釜液先进入减压罐，在真空作用下闪蒸成蒸汽，然后通过中压蒸汽驱动的蒸汽喷射泵将此部