精馏过程的节能优化探讨

摘 要：由于精馏过程高能耗，热力学效率较低的特点，该过程一直是化工领域中重要的研究课题，然而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，收效也极为明显。现对精馏过程的节能优化方法进行探讨。

关键词：精馏 组分分离 能耗 节能优化

众所周知，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的是分离操作，其中又以精馏的能耗居首位；另外能源价格也在不断增长，精馏系统的节能在化学工业的节能中占有越来越重要的地位，也是企业的节能重点。因此，在进行精馏系统的设计时需进行节能优化。研究和探讨精馏过程的节能原理、节能技术，并使其运用到工业生产，对石化工业有着重要的意义。

1 精馏的原理和流程

所谓精馏，就是把一定浓度的溶液送到精馏装置中，使之不断进行部分冷凝和部分汽化，在塔顶及塔底均得到预期产品的一种操作过程。在此过程中，大致需要如下设备：①精馏塔；②冷凝器；③再沸器；④回流罐；⑤回流泵。

石油化工行业中的精馏装置大多采取的是连续运行的方式，塔顶液体回流和塔底上升蒸汽气流是精馏过程连续进行的必要条件。连续精馏的具体操作流程如下：操作时，原料液连续加入精馏塔内。连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（称为釜残液）；部分液体被汽化，产生上升蒸气，一次通过各层塔板。塔顶蒸气进入冷凝器被全部冷凝，将部分冷凝液用泵（或借助于重力作用）送回塔顶作为回流液体（回流是精馏与普通精馏的本质区别），其余部分作为塔顶产品（称为馏出液）采出。

一般情况下，将原料液加入的那层塔板称为进料板。在进料板以上的塔段，上升气相中难挥发组分向液相中传递，易挥发组分的含量逐渐增高，最终实现了上升气相的精制，因而称为精馏段。进料板以下的塔段（包括进料板），完成了下降液体中易挥发组分的提出，从而提高了塔顶易挥发组分的收率，同时获得了高含量的难挥发组分塔底产品，因而称之为提馏段[1]。

2 精馏过程的节能思路

从能量的本质不难看出，精馏过程是将物流有效能转化为扩散有效能，这样能够在一定程度上降低损失。精馏过程有效能的损失主要是由不可逆性引起的：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相混合；三是不同温度物流间的传热或不同温度物流间的混合。基于上述精馏过程的节能原理，目前精馏过程的节能技术主要包括以下几个方面：（1）通过一些过程技术节能；（2）精馏塔的优化设计节能；（3）特殊精馏方式节能。

3 精馏的具体节能方法

3.1 过程技术节能方法

①操作条件节能：精馏过程一般通过精馏塔实现，而精馏塔的主要操作条件包括操作压力、操作温度、进料位置及温度、回流比以及回流温度等，这些参数中除塔的操作压力通常是固定不变的，其它都可以作为操作变量，在使用过程中通过灵敏度分析、技术优化等来决定分离过程中分离任务的最佳值，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。

②中间换热节能[2]：中间换热的方式有两种：中间冷凝器和中间再沸器。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。

3.2 精馏塔的优化设计节能

①采用最适宜回流比R

一方面，回流比直接影响再沸器和冷凝器的热负荷，决定了精馏分离的净功效，因此，基本确定了操作费用。另一方面，回流比的大小还与塔设备的投资密切相关：在Rm附近，R增大，达到规定分离要求所需的塔板数明显减少，设备费下降；在较高R处，R增大，塔径、再沸器和冷凝器的传热面积增大，设备费又会增大。一般情况下，适宜回流比取为最小回流比Rm的1.2～1.3倍，这时的总费用相比于Rm会增加2%～6%，但操作弹性却增大许多。

②选取最佳进料状态

加料热状态的不同，会影响最小回流比、达到规定分离要求所需的理论板数以及再沸器和冷凝器的热负荷。高温精馏（塔顶、釜温度高于环境温度）时，当D/F较大又适用于加热料液的低温热源时，应尽量采用较低的q值，即以气相或气液混合物进料为宜；当D/F较小时，尽量采用较高的q值，即以也想进料为宜。低温精馏时，无论D/F多大，均采用较高的q值。中等温度精馏（塔釜温度高于大气温度，塔顶温度低于大气温度），应进行全面经济评价，确定最佳的进料热状态。

③合适的进料位置

进料位置一般于塔板的组成与进料组成接近的塔板上，而在设计过程中一般都预留几个进料口，在生产过程中根据进料组成及产品需求来选择合适的进料位置。近年来高效波纹填料及垂直筛板在精馏塔中的成功应用在节能降耗方面产生了较好的经济效益和社会效益。

3.3 特殊精馏工艺节能[3]

①多效精馏：多效精馏原理类似于多效蒸发，即利用若干压力不同的精馏塔，按压力高低顺序给与组合，使相邻两塔之间将高压塔顶的蒸汽作为低压塔底的再沸器的预热介质。从而使该分离系统能耗下降。多效精馏虽然可以节省大量能耗，但需增加设备投资，且因两塔之间的热偶合，要求更高级的控制系统。

②热泵精馏：将温度较低的塔顶蒸汽经压缩后作为塔底再沸器的热源，称为热泵精馏。热泵精馏是消耗一定量的机械功来提高低温蒸汽的能位而加以利用的。显然，对于沸点差小的混合物分离的精馏塔应用热泵精馏效果会更好。

③SRV精馏：SRV精馏是具有附加回流和蒸发的精馏简称，由综合中间再沸、中间冷凝和热泵精馏技术发展而成。SRV精馏中附有多级中间回流和蒸出，使得精馏段中的回流量自上而下逐步增加，提馏段中上升蒸汽量则自下而上逐步增加。对于沸点相近混合物精馏，所需的低温冷却剂显著降低。

④热偶精馏：热偶精馏主要用于三组分混合物的分离或将混合物分为三种产物，可比常规精馏过程至少节能30%以上，又能节省设备投资。

4 结语

总之，由于能源的逐渐减少，耗能较高的精馏分离过程的节能研究一直拥有较高的研究前景。

参考文献

[1]夏清，贾绍义著.化工原理（下册）[M].2版.天津：天津大学出版社，2011.

[2]岳金彩，闫飞，邹亮等.精馏过程节能技术[J].节能技术，2008（1）：64-67.

[3]周灵丹，汤立新.精馏过程节能技术浅谈[J].山东化工，2009（38）：28-32

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