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《化工传质与分离过程》读书报告——精馏过程节能技术简述
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范围内风行，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 GMIN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，GMIN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NT提高。可以采用高效精馏塔内件(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，塔内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，塔内气流量大，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分蒸汽升压，用于其他用户。

2.4 改变塔的进料板位置
若进塔的物料成分与加料板的成分差别较大，则应更换进料位置(一般塔都有几个进料口可供调节)。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，减小提馏段可降低塔釜加热热量。如果被分离的物料来源不同，各组分的含量差异较大，可将各种物料混合后进行单塔处理或一塔多股进料。实际证实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熵的过程，各组分不同的几段进料的混合，增加了过程的不可逆性，必须增加精馏过程的能耗。

2.5 新型塔板和高效填料
塔板和填料是精馏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，可以降低精馏塔的操作压力，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。目前的高效填料有：新型高效规整填料；新型高效散堆填料；阶梯环填料；金属环矩鞍填料等。新型高效填料在精馏塔器中的应用，均可以达到扩产、节能、降耗的效果[4]。

3 特殊精馏工艺节能
3.1.1热泵精馏
热泵精馏就是靠补偿或消耗机械功，把精馏塔塔顶低温处的热量传递到塔釜高温处，使塔顶低温蒸汽用作塔底再沸器的热源。根据热泵所消耗的外界能量不同，热泵精馏可分为蒸汽加压方式和吸收式两种类型。
蒸汽加压方式热泵精馏分蒸汽压缩机方式和蒸汽喷射式两种。蒸汽压缩机方式考虑到冷凝和再沸器热负荷的平衡以及便于控制，在流程中往往设有附加冷却器和加热器。按照流程的不同，蒸汽压缩机方式又可分为间接式、塔顶气体直接压缩式、分割式和塔釜液体闪蒸再沸式等4种流程。其中间接式热泵精馏流程利用单独封闭循环的工质（制冷剂）工作，塔顶气体直接压缩式是以塔顶气体作为工质的热泵；分割式热泵精馏流程分为上下两塔：上塔类似于常规热泵精馏，只不过多了一个进料口；而下塔类似于常规精馏的提馏段即蒸出塔（或汽提塔），进料来自上塔的釜液，蒸汽出料则进入上塔塔底；闪蒸再沸是热泵的一种变型，它直接以塔釜出料为冷剂，经节流后送至塔顶换热，吸收热量蒸发为气体，再经压缩升压升温后，返回塔釜。蒸汽压缩机方式适用于下述系统：塔顶和塔底温差较小的场合，只要塔顶和塔底温差小于36度，就可以获得较好的经济效果。被分离物质的沸点接近，分离困难，回流比高，因此需要大量蒸气的场合；在低压运行时必须采用冷冻剂进行冷凝，为了使用冷却水或空气作冷凝介质，必须在较高塔压下分离某些易挥发性物质的场合。蒸汽喷射式热泵是提高低压蒸汽压力的专门设备，其原理是借助高压蒸汽（驱动蒸汽）喷射产生的高速汽流,将低压蒸汽的压力和温度提高，而高压蒸汽的压力和温度降低。低压蒸汽的压力和温度提高到工艺能使用的指标，从而达到节能的目的。采用蒸汽喷射泵方式的热泵精馏具有如下优点：新增设备只有蒸汽喷射泵，设备费低。蒸汽喷射泵没有转动部件，容易维修，而且维修费低，吸入蒸气量偏离设计点时发生喘振和阻流现象。这点与蒸汽压缩机相同，但由于没有转动部件，就没有设备损坏的危险。
蒸汽吸收式热泵精馏由吸收器、再生器、冷却器和再沸器等设备组成，常用溴化锂水溶液或氯化钙水溶液为工质。精馏塔的冷凝器也是热泵的再沸器。吸收式热泵按照机内循环方向的不同可分为：冷凝器压力大于蒸发器压力的第一类吸收式热泵（Ⅰ型）和蒸发器压力高于冷凝器压力的第二类吸收式热泵（Ⅱ型）。第一类吸收式热泵需要高温热源驱动，但不需要外界冷却水，热量能得到充分利用，主要应用于产生热水；第二类吸收式热泵可利用低品位热能直接驱动，以低温热源与冷却水之间的温差为推动力，可产生低压蒸汽[5][6]。

3.1.2 热偶精馏
热偶精馏主要用于三组份混合物分离或将混合物分为三种产物，可分为以下几种形式：侧线蒸馏塔，由主塔和侧线蒸馏塔组成；侧线提馏塔，由主塔和侧线提馏塔组成；完全热偶精馏，由主塔和预分馏塔构成，预分塔的作用是将混合物进行初步分离,轻关键组份全部由塔顶分出，重关键组份完全由塔釜采出，中间组份在塔顶、塔底之间分配，主塔的作用则是对预分塔塔顶和塔底的物料进一步分离，得到符合要求的产物；立式隔板塔，在塔内部采用立式隔板将塔从中间隔开分成两部分，这一结构从本质上可认为是将petlyuk蒸馏塔的主塔和预分塔组合于同一塔内。对于某给定的物料，隔板塔精馏和常规精馏流程相比需更小的回流比，增大了操作容量，节能最高可达到60%以上，可省设备投资30%。隔板塔精馏塔能广泛地应用于石油精制、石油化工、化学品及气体精制。热偶精馏塔节能的主要原因有两点：热偶精馏塔较好地解决了中间组分在塔内的再混合问题。热偶精馏预分塔进入主塔的物料，其组成能够较好地和主塔进料板上的组成相匹配符合最佳进料板的要求。热偶精馏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，这是因为虽然此类塔从热力学角度来看具有最理想的系统结构，但它主要是通过对输入精馏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，此工艺会受到很大限制。此外，热偶精馏流程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。（1）产品纯度：热偶精馏流程所采出的中间产品的纯度比一般精馏塔侧线出料达到的纯度更大，因此，当希望得到高纯度的中间产品时，可考虑使用热偶精馏流程。如果对中间产品的纯度要求不高，则直接使用一般精馏塔侧线采出即可。（2）进料组成：若分离A、B和C三个组分，且相对挥发度依次递增时，采用该类塔型时，进料混合物中组分B的量应最多，而组分A和C在量上应相当。（3）相对挥发度：当组分B是进料中的主要组分时，只有当组分A的相对挥发度和组分B的相对挥发度的比值与组分B的相对挥发度和组分C的相对挥发度的比值相当时，采用热偶精馏具有的节能优势最明显。如果组分A和组分B（与组分B和组分C相比）非常容易分离时，从节能角度来看就不如使用常规的两塔流程了。（4）塔的操作压力：整个分离过程的压力不能改变。当需要改变压力时，则只能使用常规的双塔流程[7]。

3.1.3 多效精馏
多效精馏是以多塔代替单塔，各塔的能量品位级别不同，品位较高的塔排出的能量用于品位较低的塔，从而达到节能的目的。多效精馏的工艺流程根据加热蒸汽和物料的流向不同，可分为平流、顺流和逆流三种；按效数可分为两效（双效）、三效、四效等，最常见的是两效（双效）。双效精馏是把原来的一个精馏塔分成两个分别在不同压力操作下的塔，通过两效之间的压力不同，使前一效的冷凝器与后一效的再沸器相匹配。与普通精馏塔精馏相比，双效精馏可以充分利用冷热剂固有温差，减少传热的不可逆性，减少公用工程消耗，但同时增加了设备费用。双效精馏的4种基本类型：(1)平流型：原料被分成大致均匀的两股分别送入高、低压两塔中，其中以高压塔塔顶蒸汽向低压塔塔釜提供热量，两塔均从塔顶、塔釜采出产品。(2)顺流型LGH型：流程从高压塔进料，高压塔塔顶产品作为低压塔进料，两塔塔釜均采出产品，而塔顶产品全由低压塔塔顶采出。(3)顺流HGL型：此流程也只从高压塔进料，高压塔塔底产品作为低压塔进料，两塔塔顶均采出产品，塔底产品只从低压塔采出。(4)逆流型：所有原料都进入低压塔，其塔底采出作为原料送入高压塔，两塔塔顶均有产品采出，而塔底只有高压塔有产品采出[8][9]。

5 结语
综上所述，降低精馏系统能耗的途径是多种多样的，无论采用哪种措施，均可取得一定程度的节能效果，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。所以最大限度的节能不一定是最经济的，而且节能措施往往使操作变得更为复杂，要求较高的控制水平，这在应用节能技术时是不能忽视的，必须综合权衡，采取最佳方案。

参考文献
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