1、精馏过程的节能技术 摘要： 精馏是化工、石化、医药等过程的重要单元操作， 本文主要讨论精馏过程的节能 。从精馏过程热能的充分利用；提高蒸馏系统的分离效率，提高产品回收率来实现降低能耗；减少蒸馏过程对能量的需要和加强管理等几个方面，详细论述了精馏过程的节能技术。 关键词： 精馏 ； 节能 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，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂 ”。 首 先， 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
2、，分离的产品纯度要求亦不断提高，但人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。 其次， 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。 据统计，在美国精馏过程的能耗占全国能耗的 3，如果从中节约 10，每年可节省 5亿美元。我国的炼油厂消耗的
3、原油占其炼油量的 8 10，其中很大一部分消耗于精馏过程。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。例如，美国巴特尔斯公司在波多黎各某芳烃装置的 8个精馏塔上进行节能优化操作，每年可节约 310万美元。 蒸馏过程的节能基本上可从以下几个方面着手： (1) 精 馏过程热能的充分利用 ；(2) 提高蒸馏系统的分离效率，提高产品回收率来实现降低能耗； (3) 减少蒸馏过程对能量的需要； (4)加强管理。 2、 蒸馏过程热能的充分利用 2.1加强保温保冷 以 改进热的利用 在精馏过程中使用的主要设备为精馏塔和换热器，另外还有各种管道，这些设备多为金属制成，对热的传导较为容易，加
4、之环境温度的影响，若对其采取保温保冷的措施，可以大大降低设备与环境之间的热传递作用，从而达到节约热能的目的。 强化再沸器和冷凝器中的传热可使传热温差下降，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。这包括增强传热面积和采用空气冷却器或蒸发冷却器代替水冷却器等方法。 2.2高温物料 显热和潜热的利用 从精馏塔出来的高温物料本身携带大量的热量，对这部分热量进行回收利用也是节能的一项。如： (1)高温蒸馏时回收塔顶物料蒸汽的潜热，塔顶冷凝器用作蒸汽发生器。如操作压力为 32 kPa的粗苯乙烯塔，其塔顶物料蒸汽可用于加热进脱氢反应器的乙苯。这种安排可使每吨苯乙烯产品节能 (2)使塔顶
5、、塔釜物料与原料进行换热，通过塔顶物料给原料液加热。这样不仅可以充分利用塔顶、塔釜物料的余热，同时还可减少塔顶冷凝器冷量的使用量。 2.3利用夹点技术对换热网络进行优化 对于一个化工系统，当有多股热流和多股冷流进行换热 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，然后将两者一起表示在温一焓图上，夹点即为在温一焓图上冷、热复合曲线在某点重合时系统内部换热的极限，重合点的传热温差为零，该点即为夹点。在夹点温差为零下操作，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 夹点温差， 因此，夹点可以定义为冷、热复合温度线上传热温差最小的地方。在换热网络
6、的合成中，利用夹点技术考虑各种物流匹配，可以使换热网络的热量利用达到最优。 3、 提高精馏系统的 分离 效率 和产品回收率 3.1多效精馏 技 术 多效精馏的一般流程如图 1。多效精馏由 N个并列操作的精馏塔构成，如图 l操作压力由左至右逐效降低。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。如果相邻两塔的冷凝器和再沸器的热负荷平衡，则只有第一塔的再沸器需要加热蒸汽，最后一塔的冷凝器需要冷却介质。采用 N效蒸馏后，再沸器所需的加热蒸汽可减少到原来单效精馏所需加热蒸汽的 I N左右。实践证明，两效精馏操作所需热量与单效精馏比较，可减少 3040。 图 1 多效精馏技
7、术 Fig.1 Multi-effect distillation technology 3.2低温热泵精馏 技术 当塔顶冷凝器采用致冷剂冷却时称为低温精馏。低温精馏可用较低的压力。同时由于低温时相对挥发度较大，可采用较小的回流比，以减小冷凝器和再沸器的热负荷。 使用单效精馏并用热泵将热量从冷凝器泵送至再沸器的低温精馏，称为热泵精馏。热泵精馏能使能耗减少。为了使塔顶蒸汽冷凝时所放出的热能提供给再沸器作为气化室的热源，使用了膨胀阀和压缩机，以改变冷凝或沸腾的温度。图 2为最简单的热泵精馏，在塔顶冷凝器和塔底再沸器之间联上一股闭路循环的外加致冷剂，致冷剂在塔顶冷凝器中蒸发时吸 收热量，然后经压缩机
8、压缩，塔釜再沸器冷凝并放出热量，再经节流阀减压至塔顶冷凝器中蒸发。如此反复，不断将热量从温度较低的冷凝器泵送至温度较高的再沸器。 1精馏塔； 2压缩机； 3再沸器； 4节流阀 图 2 热泵精馏技术 Fig.2 Distillation heat pump technology 3.3热耦精馏技术 热耦精馏 (Fully Thermally Coupled Distillation Column)是 20世纪 60年代提出的一种复杂蒸馏技术，主要用于三元混合物的分离。该类型塔已在 1989年由德国 BASF公司率先实现了工业化，与常规蒸馏塔相比热耦蒸馏可以节省能耗达 30左右。可以用一个全塔和一
9、个副塔代替两个完整的精馏塔，从全塔内引出一股液相物流直接作为副塔塔顶的液相回流，引出一股气相物流直接作为副塔塔底的气相回流，使副塔避免使用冷凝器和再沸器，实现了热量的耦合，称为热耦精馏。 热耦精馏在热力学上是最理想的系统结构，既可节省设备投资，又可节省能耗。计算表明，热耦精馏比两个常规塔精馏可节省能耗 30左右。日本的住友重工株式会社和 Krupp Uhde建成了工业化的热耦蒸馏塔，美国 UOP公司在提纯 粗庚烷装置中采用了立式隔板蒸馏塔 (热耦蒸馏塔的一种 )。它采用多股进料技术，并包括了吸收过程。从近年来的发展趋势看，热耦蒸馏的工业应用有良好的前景。 Agrawal和 Fidkowski
10、从热力学效率角度出发，分析了分离三元理想饱和液体时热耦蒸馏与常规序列的差异。 Schultz等提出了选用热耦蒸馏的一些经验法则，认为选用热耦蒸馏的情况是：进料中间组分的含量比较多，轻关键组分与中间组分之间的相对挥发度和中间组分与重关键组分之间的相对挥发度较接近。吕向红、陆恩锡 采用蒸馏计算的严格模型，模拟研究三组分混合物分离的热 耦蒸馏塔和常规简单蒸馏序列的能耗，分析热耦蒸馏塔应用的前提条件，从而提出热耦蒸馏塔选用的原则： (1)当分离指数 ESI1时，不宜于选用热耦蒸馏方案。 (4)如常规蒸馏塔操作压力差较大，亦不宜选用热耦蒸馏方案。 3.4 内部热集成蒸馏塔 内部热集成 蒸馏塔 (Inte
11、rnally Heat Integrated DistillationColumn，简称 HIDiC)，指同一塔本身的精馏段和提馏段进行热量集成。它是通过蒸馏塔精馏段和提馏段的热集成实现蒸馏塔的无冷凝器和再沸器操作，从而大幅度降低能耗，与常规蒸馏塔相比节省的能耗可达 3060；这是迄今所知节能幅度最大、最先进的蒸馏塔型式。这一设想最早于 20 世纪 60年代山 Freshwatert提出，其后不断有学者发表研究成果。日本学者M Nakaiwa等在完成实验研究的基础上，已于 2000年通过了该塔的中试 ， 目前正朝着工业化的方向进展。 内部热集成塔和传统的蒸馏塔有着相当大的区别：传统蒸馏塔必不可
12、少的塔顶冷凝器和塔釜再沸器已不再需要，原有的一个蒸馏塔被分成精馏和提馏 2个塔，精馏塔放置在提馏塔内 率。该类塔流程如图 3所示。 图 3 HIDiC流程 Fig.3 HIDiC process 图 4 常规蒸馏塔的 M-T图 Fig.4 Conventional distillation tower of the M-T 图 5 HIDiC的 M-T图 Fig.5 M-T HIDiC figure HIDiC的 节能原理可以通过 McCabe-Thiele(M-T)图解释。图 4是常规蒸馏塔的 M-T图，精馏段和提馏段的操作线为 2条直线。图中， XD为塔顶产品组成摩尔分数， XB为塔釜产品
13、组成摩尔分数， Xf为进料组成摩尔分数， x， y分别为易挥发组分在液相和气相中的组成摩尔分数。传质推动力为操作线和平衡线之间的距离，它沿塔高非等值分布，在进料板处最小，向塔的两端逐步增加。这是高度不可逆性的一个主要原因，操作线和平衡线之间的垂直距离越大，有效能损失越大。而 HIDiC塔取消了冷凝器和再沸器，使得操作线变成了一条与平衡线形状相似的曲 线，如图 5所示。因而 HIDiC塔具有较高的热力学效率。 3.5采用新型高效分离技术 分离技术是通过塔设备实现的。对常规板式塔改造，采用高效导向筛板，可降低能耗，提高生产能力。 3.5.1高效导向筛板 高效导向筛板是北京化工大学在对包括筛 板塔板
14、在内的各种塔板进行深入细致研究的基础，发挥筛板塔结构简单、造价低廉的特点，克服其漏点高、效率低的缺点，并且通过对各种塔板进行深入研究、综合比较，结合塔板上流体力学和传质学的研究开发的一种新型高效塔板，其工作原理如图 6所示。高效导向筛板是在高效导向筛板上开设了大量筛孔及少部分导向孔，通过筛孔的气体在塔板上与液体错流，穿过液层垂直上升，通过导向筛板的气体沿塔板水平前进，将动量传递给塔板上水平流动的液体，从而推动液体在塔板上均匀稳定前进，克服了原来塔板上的液面落差和液相返混，提高了生产能力和板效率，解决了堵 塔、夜泛等问题。另外，在传统塔板上，由于液面梯度，在塔板的上游总存在个非活化区，在此区域内
15、气流无法穿过液层而上升鼓泡。实验测定，非活化区的面积约占塔截面积的 1 3左右。高效导向筛板在液流入口处增加了向上凸成斜台状的鼓泡促进器，促使液体一进入塔板就能产生鼓泡，带来了良好的气液接触与传质。高效导向筛板具有以下特点： (1)生产能力大； (2)效率高； (3)压降低； (4)抗堵能力强； (5)结构简单，造价低廉。 图 6 导向筛板工作原理 Fig.6 Sieve-oriented principle 3.5.2板填复合 塔板 板填复合塔板是北京化工大学对板式塔与填料塔进行深入研究的基础上，充分利用板式塔中塔板间距的空隙，设置高效填料，以降低雾沫夹带、提高气体在塔内的流速和塔的生产能力
16、。同时气液在高效填料表面再次传质，进一步提高了塔板效率。由于负荷下限未变而上限大幅度提高，因此塔的操作弹性也大为提高。板填复合塔板的工作原理如图 7所示。 气体从塔板下方以一定的气速通过塔板上的开孔而进入提液管，液体也通过提液管与塔板间隙被带入提液管中并被拉成液膜，两者并流上升，在上升过程中在液膜表面进行气液传质。然后气液并流进入填料中，在填料表 面液体被碰碎，进一步实现与气体的传质。从填料中喷出的气体进入上层填料，而液体下降到下一层塔板，继续进行传质与分离。板填复合塔板已在石化、化工中的甲苯、氯乙烯等多种物系中得到成功应用。 图 7 板填复合塔板工作原理 Fig.7 Board compos
17、ite tray filled principal 3.5.3新型高效填料 填料是填料塔最重要的传质内件，其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。 （ 1） 新型高效规整填料 新型高效规整填料主要包括金属板波纹填料和金属丝网波纹填料两大类， 在将其进行物理的和化学的方法处理后，填料的分离效率大为提高。主要优点有： (1)理论塔板数高，通量大，压力降低。 (2)低负荷性能好，理论板数随气体负荷的降低而增加，没有低负荷极限。 (3)放大效应不明显。 (4)适用于减压精馏，能够满足精密、大型、高真空精馏装置的要求，为难分离物系、热敏性物系及高纯度产品的精馏分离提供了有利的条件
18、。 （ 2） 新型高效散堆填料 金属鲍尔环填料是 20世纪 40年代德国 BASF公司在拉西环填料的基础上开发的。它采用金属薄板冲轧制成，在环壁上开出了 2排带有内伸舌叶的窗孔，每排窗有 5个舌叶弯入 环内指向环心，在中心处几乎相搭，上一 F 2层窗孔的位置相互错开，一般开孔的总面积为整个环面积的 35左右。由于在环壁上开了许多窗孔，使得填料层内的气、液分布情况及传质性能比拉西环有较大的改善。 （ 3） 阶梯环填料是 20世纪 70年代初由英国传质公司应用价值分析技术开发出来的一种改进的开孔环填料。这种填料降低环的高度，并在环的 2个侧端增加了锥形翻边，使其性能较鲍尔环填料有了较大的进步。在同
19、样液体喷淋密度下，其泛点气速较鲍尔环提高了 1020；在同样气速下，压力降较鲍尔环低 3040。 （ 4） 金属环矩鞍填料这是 美国诺顿 (Norton)公司率先研究开发的一种新型填料，国内简称为英特洛克斯填料。这种填料巧妙地把环形和鞍形两类填料的特点综合成为一体，使它既有环形填料通量大的特点，又有鞍形填料液体分布性能好的特点，从而成为当前散堆填料中的佼佼者。新型高效填料已经在几十家企业的塔器中得到应用，均取得了扩产、节能、降耗、大幅度提高经济效益的成绩。 4、 减少精馏过程对能量的需要 减少精馏过程对能量的需要是从根本上进行节能的方法，主要应该考虑分离序列的选择和操作条件的优化。 4.1优化
20、多塔精馏的排列顺序 采用精馏塔系列将 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，其方案数可用表达式 S=2(m一 1)！ m!(m一 1)!表示 (其中 m为组分数 )。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。在选择分离序列时，可以参照以下原则进行： (1)应把关键组分的相对挥发度最接近于 1、最困难分离的放在最后，即在所有其他组分都出去后再进行分离； (2)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： (3)应首先把混合物分成分子数接近的两股流； (4)对于回收率要求高的分离应放在最后 ； (5)
21、对于容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； (6)对于各组分沸点相差很远的混合物，如果有的组分需要在冷冻的条件下进行分离，应使进入冷冻系统或冷冻等级更高的系统的组分数尽量减少。 4.2改变条件和方法 4.2.1选择适宜的回流比 回流比越小，则净功耗越小。为此，应在可能条件下减小操作的回流比 R。塔径将随回流比的增加而加大。因此，最优回流比反映了设备费用与操作费用之间的最佳权衡。据报道，曾对 70个不同的烃类精馏塔统计计算，最优回流比 Ropt都在最小回流比的 1.11 1.24倍之间，一般在分离物系具有较大的相对挥发度或分离要求不很高的情况下，相反若物系的
22、相对挥发度接近于 l或分离要求很高，则采用的 Ropt要显著地高于 Rmin。在一般情况下，若在 Ropt下操作，总费用大部分是加热蒸汽的费用，约占 70，而冷却水的费用只占百分之几。但当塔项冷凝器温度低于大气温度时，即在低温冷凝时，冷冻费用便是主要的了。 对于已定的精馏塔和分离物系，回流比和产品纯度密切相关。为了确保得到纯度合格的产品，设计时有一定的回流余量，余量越大，能耗越高。对于回流设置较大的精馏塔，在不降低产品质量等级的条 件下，只要降低回流量，即可降低塔底再沸器的能耗。 4.2.2选择适宜的操作压力 加压精馏有利于采用廉价加热介质和冷凝介质，如蒸汽和水。一方面，加压精馏可以减少单位产
23、品的能源消耗。加压精馏实质上是提高被分离物系自身的饱和蒸汽压。系统内蒸汽压力升高，被分离物系的温度也相应增高。另一方面，加压精馏可充分利用廉价资源，由于精馏塔内饱和蒸汽压的提高，相应的馏出物的露点也随着增高，这就为使用廉价循环冷却水或低温水作为冷却介质创造了条件，在很大程度上减少了使用冰盐水或更高档次冷却介质的可能性。采用水作为冷却介质可较大限度 降低单位产品的投资和操作费用，同时由于减少了冰盐水的使用量，而相应降低了能耗。 减压精馏可以使许多高沸点化合物在分离过程中避免使用高价值的加热介质，如热油等。采用蒸汽加热使用方便，价格低，同时由于传热系数大，有利于减少传热面积、节省投资；同时减压精馏
24、可以避免热敏化合物的分解或聚合，减少物料的损失而降低消耗。 4.2.3选择适宜的进料板位置 和进料状态 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 )。在保证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，各组分不同的几股进料的混合，增加了过程的不可逆性，必然增加精馏过程的能耗。 进料状态将直接影响精馏塔的能耗 q变小，使操作线更接近于
25、气液平衡线，使提馏段塔板数减少，提馏蒸汽负荷减少，从而可节省蒸汽。 q增大，蒸汽量增加，但分离效果得到改善。 4.2.4采用新型塔板 和高效换热设备 伞形气帽、浮动筛板、新垂直筛板及穿流式 浮板等 能 降低精馏塔的操作压力，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。 目前，为了提高传热系数，已开发了多种高效换热设备或元件，如波纹和多孔管能更好地强化传热表面，可大大提高传热系数。此外，双波纹管和一面多孔一面波纹的传热表面均可使传热系数提高 l 2倍；而高热流管与过去的低翅片管相比，传热效率则能提高 30。因此，可根据具体需要选用。 5加强管理 加强操作管理是最廉价的节能技
26、术，其实质是使过程经常在最佳状态附近运行，以尽量减少不必要的能耗。具体措施有： (1)严格控制产品质量： (2)改进调节系统。另外，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；提高有关人员技术素质和操作水平，降低人为造成的热量浪费也是节能的一个重要方面。 6结束语 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。所以最大限度地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 1郁浩然化工分离工程 M北京：中国石化出版社， 1999 271-281 2冯霄，李勤凌 化工节能原理与技术 M 北京：化学工业出 社 1998 34-36 3吕向红，陆恩锡热耦蒸馏技术进展 J化工进展， 2004， 23(8)： 837-840 4李娟娟无冷凝器及再沸器的热集成蒸馏塔技术进展 J化学工程， 2006， (9)：1-4 5李群生精馏过程的节能降耗及新型高效分离技术的应用 fJ化肥工业， 2003， (1)：3-6
