精馏过程的节能途径及新型的精馏技术[摘要]精馏是化工、石化、医药等过程的重要单元操作，它是一类高能耗的单元过程，其能耗约占化工生产的60%，其节能途径包括多效精馏、热泵精馏、热耦精馏技术、内部热集成蒸馏塔、新型高效分离技术等。

多效精馏由N 个并列操作的精馏塔构成，再沸器的加热蒸汽可减少到原来单效精馏所需加热蒸汽的1/N 左右；热泵精馏能使能耗减少20%左右；热耦精馏比两个常规塔精馏可节省30%左右；内部热集成蒸馏塔节省的能耗可达30～60%这些技术已成功地完成了中试，节能可达到30～60%。

[关键词]精馏；节能前言在工业生产中，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，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。

近年来，研究开发了许多新型的精馏塔系统，文章主要介绍几种精馏塔系统精馏过程是最重要的化工单元过程之一，它又是一类高能耗的单元过程。

精馏过程节能研究，在塔的结构形式上近十几年来获得了长足的进步。

精馏过程的节能主要有以下几种基本方式：提高塔的分离效率，降低能耗和提高产品回收率；采用多效精馏技术、热泵技术、热耦精馏技术、新塔型和高效填料等。

1、改变操作条件和方法1.1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R opt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，相反若物系的相对挥发度接近于l或分离要求很高，则采用的R opt要显著地高于R min。

在一般情况下，若在R opt 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。

1.2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。

1.3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。

2、多效精馏多效精馏由N 个并列操作的精馏塔构成，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1/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30～40%。

3、低温热泵精馏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[2]。

4、热耦精馏技术热耦精馏是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[4]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[5]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ESI<1 时，如果中间组分的含量较低，则不宜于选用热耦蒸馏的方案；当其摩尔分数超过60%后，选用热耦蒸馏方案则比常规简单方案减少能耗10%。

(2)当ESI 在0.9～1.1 时，无论中间组分的含量高或低，选用热耦蒸馏方案都优于常规方案，既减少能耗，又节省设备投资。

(3)当ESI ＞1时，不宜于选用热耦蒸馏方案。

(4)如常规蒸馏2 塔操作压力差较大，亦不宜选用热耦蒸馏方案。

5、内部热集成蒸馏塔内部热集成蒸馏塔，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30～60%；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 年代由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部。

由于实施了内部热集成，故该类塔具有非常高的热力学效率。

6、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[7]。

6.1 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。

6.2 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。