精馏过程的节能降耗

摘要： 精馏过程的节能，对于减少能源消耗，降低生产成本和保护环境具有十份重要的意义。在精馏过程中可以采用最适宜回流比操作和最佳进料状态，使用中间冷凝器和中间再沸器，多效精馏技术、热泵精馏技术。合理安排多组分物料分离流程，提高过程的分离效率、提高物料回收率，进而降低能耗。并介绍我国精馏过程的节能现状与趋势。

关键词： 精馏过程；节能；回流比；降耗，

中图分类号：TQ028.31 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0710009－01

0 前言

在化工生产过程中，分离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，工业生产中占据着主导地位的分离方法就是精馏。精馏是利用混合物中各组分挥发度的不同利用能量进行分离的操作单元，具有独特的优势。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，按照流程是否改变及是否利用过程技术可以将其分为三类：1）利用过程技术对精馏塔的操作条件进行优化，以减少精馏塔所消耗的能量，如以产品物流预热进料、增加塔板数、减小回流比、增设中间再沸器和中间冷凝器等；2）开发了许多高效节能的特殊精馏工艺流程，如热泵精馏、多效精馏等。

1 精馏过程的节能降耗

1.1 最适宜回流比和最佳进料状态[1]

回流比直接影响再沸器和冷凝器的热负荷，决定精馏分离的净功耗，因此大体上确定了操作费用，同时还与塔设备的投资密切相关。在最小回流比Rmin附近，随R的增长，操作线与平衡线间的距离增大，达到规定分离要求所需的塔板数减少，使得设备费用下降。如果进一步增加回流比，在塔板数减少的同时，塔中蒸汽流率和换热器热负荷的增大，造成塔径、再沸器和冷凝器传热面积增大，使设备费用增加。因此，应当根据总费用最小原则来选取适宜回流比。

进料状态（用加料状态参数q表示）的不同，将造成塔中精馏段和提馏段气液相流率的变化，从而影响R，以及达到规定分离要求所需的理论板数和再沸器和冷凝器的热负荷。加料浓度的不同，即D/F的不同，料液预热的效果也不同。高温精馏，当D/F较大又有适宜于加热料液的低温热源时，应尽量采用较低的q值，即以汽相或汽液混合物进料；当D/F较小时，应尽量采用较高的q值，即以液相进料，因为省去料液预热后，塔釜加热量增加甚少。低温精馏时，无论D/F多大，均宜采用较高的q值而以液相进料，因为此时塔顶的冷凝热负荷越小越经济。对于中等温度范围的精馏操作，即塔釜温度高于大气温度，而塔顶温度低于大气温度，应根据具体情况，确定最佳的进料状态。

1.2 中间换热节能[2]

对于塔底塔顶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）。中间换热的方法有两种：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。

如果精馏塔在塔下方温度分布存在显著的变化，则可设中间再沸器使用低品位热源，以减少主再沸器高品位热量消耗，但中间再沸器下方塔板分离能力被消弱；当塔上部的温度分布若存在显著的变化时，则可设中间冷凝器，采用较低品位的冷剂，减少主冷凝器高品位冷剂的用量，以减少能耗，但其上方的塔板的分离能力有所下降。

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与中间再沸器供热量之和。设置中间再沸器前后，所需要的热负荷不变。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。

1.3 多效精馏[3]

为将低能耗，加热剂最高温度略高于塔底温度，冷却温度略低于塔顶温度。而实际情况是，最方便廉价的冷却剂是水或空气，最常用的加热剂是水蒸气。但是，这些热剂或冷剂很难符合上述要求，所已精馏塔经常无为地多消耗了不少有效能。为此可以采用多效精馏，只要精馏塔塔底和塔顶温度之差比实际可用的加热剂和冷却剂见的温差小很多，就可以考虑多效精馏，多效精馏通常可以大幅度降低能耗。

多效精馏是通过扩展工艺流程来节减精馏操作能耗的，它是以多塔代替单塔，各塔的能位级别不同，能位较高的塔排出的能量用于能位较低的塔。各塔操作压力不同，塔的操作压力由第1效到第N效逐渐降低，前一效的塔顶蒸汽冷凝温度略高于后一效的塔釜液沸点温度。第一效的塔釜由水蒸气加热，其塔顶蒸汽作为热源加热第2效的塔釜，同时被冷凝得到产品。依次逐效进行，直到最后一效塔顶蒸汽被冷却介质冷凝。这样在整个流程中只有第一效加入新鲜蒸汽，在最后一效加入冷却介质，中间各塔则不再需要外加蒸汽和冷却介质，因此多效精馏充分利用了冷热介质之间过剩的温差。尽管总能量降级和单塔一样，但它不是一次性降级的，而是逐塔降低的，这样，每个塔的塔顶、塔底温差减小了，降低了有效能损失，从而达到节能目的。但多效精馏的投资费用高于常规精馏。

2 我国精馏过程节能现状与趋势

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，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。

我国在精馏过程节能的理论研究和技术开发与应用方面与国外都存在着比较大的差距，国外现在已开展对多种方式相结合的节能研究，国内尚未见有报道，尤其在工业实用方面差距明显，这也与我国工业生产中的工艺技术整体比较落后有关，而我国目前尚未见有隔板塔的工业应用报导。因此我国应该加强节能技术的应用研究，尤其是对当前最具前途的隔板精馏塔的应用研究。

3 结论

精馏过程中的节能在化工过程中占有十分重要的位置，应当引起足够的重视，并且根据过程的实际情况采取科学有效的措施。降低精馏消耗的途径是多种多样的，无论采用哪一种措施，均能获得一定程度的节能效果，但有些措施操作复杂，实施起来有一定的难度。实际上，在精馏塔设计时如果能够注意回流比的选择，进料温度及进料状态的合理确定，均能得到较好的节能效果。

参考文献：

[1]吴指南、郭树才，基本有机化工工艺学[M].北京：化学工业出版社，1990：82-88.

[2]曹正芳、浦伟光，采用中间再沸器的精馏塔热力学分析[J].金山油化纤，2001.4：46-48.

[3]肖丰、高维平，双效精馏流程模拟与优化设计[J].安徽化工，2006

（1）：40-42.

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