精馏过程节能技术综述

精馏过程节能技术综述

摘要：精馏是化学工业中高能耗的操作单元，在当今能源紧缺的情况下, 对精馏过程的节能技术进行研究具有重要的社会意义和实际意义。本文从精馏过程中热能的充分利用，提高精馏系统的热力学效率以及减少精馏过程对能量的需要这三大主要方面介绍了精馏过程的节能措施，对各个类型的主要节能方法、优缺点和适用范围进行了较为详细的叙述，并介绍了我国精馏过程节能技术的发展现状与趋势。

关键词：精馏节能

前言：精馏过程是一个伴随传热和传质的复杂过程，被广泛应用于石油化工和精细化工等领域，是化学生产中主要的能源消耗环节，具有变量多、机理复杂等特点。据相关资料统计，化工生产过程中有40％～70％的能耗用于分离过程，而精馏所消耗的能量就占据了其中的95％。自从世界性的能源危机爆发以来，精馏过程的节能问题已经引起了人们的广泛重视。因而降低精馏过程中的能耗，对于节约能源，降低生产成本有着至关重要的作用，本文就精馏过程中的节能措施进行了详细的介绍。

1.精馏过程节能技术现状：目前，随着化工生产中分离物料的组分不断增多，对产品纯度的要求也不断提高，但精馏装置操作往往偏于保守，操作方法、操作参数设置不尽合理。典型的单级精馏装置中，混合物料从某一中间位置进入塔内，塔内设有塔板或填料促进汽液两相之间的相互接触，塔底液相在再沸器中被加热，塔顶的蒸汽在冷凝器中冷凝为馏出液。在该精馏过程中所消耗的绝大部分能量被冷却水或分离组分带走，并非用于实际的组分分离，因此精馏过程的节能技术具有广阔的发展空间。近年来，世界能源短缺状况加剧，各国对精馏节能技术的研究都很重视，以精馏过程节能技术为中心的研究和应用得到了飞速的发展。据统计，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在了精馏过程中。在现今能源资源紧缺的情况下，对精馏过程的节能研究就变得十分重要。

2. 充分利用精馏系统的热能：这类节能技术主要包括保温隔热，回收物料的部分显热或潜热，优化热交换器这三种方法。

2.1 保温隔热：精馏系统由塔体、热交换器以及各种管道组成，这些设备多为金属材料制成，对热的传导较为容易，使得精馏过程容易受到环境温度的影响，如果对塔体、热交换器和管道采取保温隔热的措施，就可以极大的降低设备与环境之间的热传递作用，从而达到节约能量的目的。

2.2 潜热利用：精馏塔的显热回收量通常较小，对于高温精馏过程，常通过回收塔顶蒸汽的潜热来达到节能的效果。从精馏塔出来的高温物料本身携带有大量的热量，对塔顶物料的余热进行充分的回收利用，还可以减少塔顶冷凝器中冷流体的使用量。对于一般的塔顶具有一定压力、温度的液体物料，可使其通过减压室将显热转换成潜热进行回收，具体方法是：使塔釜液先进入减压罐，在减压条件下闪蒸成蒸汽，然后通过中压蒸汽驱动的蒸汽喷射泵将此部分蒸汽升压，用于其他设备，其流程见下图。

2.3 优化热交换器：优化热交换器是节能的重要环节，因为它决定了热能是否能够得到充分利用。因此提高热交换器的换热效果十分有利于精馏过程的节能。为了提高热交换器的传热系数，研究人员现已开发了多种高效换热设备或元件，如波纹型和多孔管型等一些能够更好地强化传热的类型，可大大提高传热系数。双波纹管和一面多孔一面波纹的传热表面都能够使传热系数提高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%。另外强化再沸器和冷凝器中的传热，还包括增强传热面积，和采用空气冷却器或蒸发冷却器代替水冷却器等方法。

3. 提高精馏系统的热力学效率：提高精馏系统的热力学效率，主要是在提高系统的分离效率和产品回收率这两方面，可以通过多效精馏、热泵精馏、热耦精馏等技术实现，或采用新型塔板、高效填料塔等来增强分离效果和降低能耗。

3.1 多效精馏：在许多发达的工业国家，多效精馏已成为一种规范性节能系统，被广泛应用于工业生产中。多效精馏是通过扩展工艺流程来节减精馏操作能耗的，它是用多塔代替单塔，各个塔的能位级别不同，能位较高的塔排出的能量用于较低的塔，从而达到节能的目的。即多效精馏将前级塔顶冷凝器与次级塔底再沸器合二为一，将前级塔顶蒸汽冷凝所放出的热量用作次级塔液的汽化，操作压力逐效降低，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，其原理与多效蒸发相同。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。若按进料方向与操作压力梯度方向是否一致划分，多效精馏可分为三类：多效平流、多效顺流和多效逆流。○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。多效精馏能耗低，节能效果较好，但多效精馏随效数增加，产生的节能效果开始不断下降，所带来的负面影响急剧增大。工业上一般采用双效精馏，双效精馏技术在国外已日臻成熟，理论上双效精馏与单效相比可节能50%，但实际节能量与多种因素有关，其节能效果已为实

践所证实，双效精馏操作所需热量与单效精馏可减少30%～40%。

3.2 热泵、中间再沸器及中间冷凝器：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：①塔顶和塔底温差较小的场合, 只要塔顶和塔底温差小于36 ℃，就可以获得较好的经济效果；②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；③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:○1新增设备只有蒸汽喷射泵，设备费低；○2蒸汽喷射泵没有转动部件，容易维修，而且维修费低；○3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。

精馏过程设置中间再沸器及中间冷凝器，是顶底温差较大的精馏塔降低系统能耗的有效措施。在精馏段设置中间冷凝器，可用温度较高，价格较低的冷却介质，使塔内上升蒸汽部分冷凝，这样可以减少塔顶低温冷却介质的用量。同理，在塔内设置中间再沸器，可利用温度较低的加热介质，使塔内下降液体部分汽化，从而可以减少塔底再沸器中高温加热介质的用量。一般采用中间冷凝器和中间再沸器对沸点大的精馏操作尤为有利。

有些精馏过程将热泵、中间冷凝器、中间再沸器结合使用，热泵的循环介质在中间冷凝器中吸收了来自精馏段某一位置饱和蒸汽的热量而蒸发为气体，该气体经压缩后提高温度进入中间再沸器，在中间再沸器中冷凝放热，冷凝后的液体再进入中间冷凝器蒸发吸热，如此循环，大大提高了精馏过程的热力学效率。SRV精馏就是综合热泵技术、中间冷凝器和中间再沸器的精馏技术，开发出来的一种新技术。SRV精馏是具有附加回流和蒸发的精馏过程的简称，它所依据的原理类似中间冷凝器。精馏段与提馏段处于不同的压力，精馏段压力高，提馏段压力低，合理控制两段的压力。使精馏段相应位置的温度(压缩后)均高于提馏段相应位置的温度，精馏段就可作为“多温度级位的热源”，并向提馏段供热。同时，提馏段可作为“多温度级位的冷源”，即精馏段各温度级别上升蒸汽分别引入到相应的温度级别的提馏段，部分冷凝放出热量，加热提馏段下降液体，从而减少了塔釜热源消耗量。此系统适合于精馏塔顶和塔釜温差较小的低温精馏系统，如乙烯精馏塔。

3.3 热耦精馏：热耦精馏主要用于三元混合物的分离，可分为以下几种形式:○1侧线蒸馏塔，由主塔和侧线蒸馏塔组成；○2侧线提馏塔，由主塔和侧线提馏塔组成：○3完全热偶精馏，最早由Petlyuk 提出，故又称为Petlyuk 蒸馏塔，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；○4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:○1热偶精馏塔较好地解决了中间组分在塔内的再混合问题。○2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。

3.4 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等，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. 减少精馏系统对能量的需要：改变操作条件和方法，降低净功耗，减少精馏过程本身的能量需求，是从根本上进行节能的方法，主要应该考虑选择适宜的操作条件，如对回流比、操作压力、多塔排列顺序和进料状态等方面进行优化。

4.1 回流比：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。在精馏过程中为了节能，操作线和气液平衡状态是非常重要的。操作线的改进就是使精馏过程尽可能地接近于可逆蒸馏过程。减小回流比是一种最容易使操作线接近于平衡线的方法，回流比越小则系统节能效果越明显，因此应在可能条件下减小操作的回流比。但由于塔径随回流比的增加而加大，在回流比趋于最小回流比操作时，就会造成塔设备费迅速增加。因此，一般权衡设备费用与操作费用，选择最优回流比。最小回流比与最优回流比之间没有确定的数学关系式，最优回流比一般为最小回流比的1.1～1.5倍。对于已确定的精馏塔和分离物系，回流比和产品纯度密切相关，精馏塔设计时为保证产品纯度，都设计有一定的回流余量，这必然导致能耗偏高，因此在保证产品质量等级的条件下，只要适当降低回流量，即可降低能耗。

4.2 操作压力：为精馏过程选择适宜的操作压力也有利于减少精馏的能量消耗。一般在减压条件下，平衡温度下降，使许多高沸点化合物在分离过程中可以避免使用具有较高价值的加热介质，如热油等，这时可降低回流比而节省能量。但有时采用加压精馏，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，

因此可以采用廉价的加热介质和冷凝介质，如蒸汽和水，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，从而相应降低了能耗。

4.3 多塔排列顺序：当采用精馏塔将多个组分进行分离时，精馏塔的排列顺序可以有多种方案，排列顺序会对精馏能耗产生较大影响。在选择分离序列时，应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；最难分离的组分或对回收率要求高的组分放在最后，即在所有其他组分都除去后再进行分离。

4.4 进料状态：进料状态直接影响精馏塔的能耗，选择适宜的进料状态，可以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，从而可节省蒸汽能耗。当组分的含量差异较大时，可将混合物料进行单塔处理或一塔多股进料，一般多股进料完成相同的分离任务时，能耗较低；另外在保证产品质量的前提下，如果进料中重组分增加，可降低进料口位置，从而可降低所需的加热热量。

总结：综上所述，伴随世界范围内的能源紧缺，精馏过程的节能技术越来越受到人们的重视，节能型精馏流程对降低化工生产过程的能耗起到非常重要的作用。解决如何合理充分利用精馏过程的热能，降低整个过程对能量的需要，做到增产不增能耗的问题，在工业生产中有着重要的现实意义。在精馏过程中可以从充分利用精馏过程热能，提高蒸馏系统的热力学效率，减少蒸馏过程对能量的需要等几个大的方面入手，采取最适宜回流比、操作压力、最佳进料状态，合理安排多塔排列顺序，使用中间冷凝器和中间再沸器，或采用多效精馏、热泵精馏等措施。虽然每种措施都能达到一定程度的节能效果，但降低精馏系统能耗应考虑多种因素的影响，对多种方案进行综合比较优化，才能使节能效果达到最佳。一般来说，最大限度地节能不一定是最经济的，因为采用节能技术会增加节能设备，使设备和操作成本增加，因此必须综合权衡，根据具体情况作全面的经济核算，最终评价取决于经济效益。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，国内尚未见有报导，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水平整体比较落后有关，因此我国应该加强对节能技术应用的研究，更好的节约能源。

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