精餾塔節能優化綜述

李秀梅

摘要： 本文主要論述的就是精餾塔能耗高的原因和精餾過程的節能原理，分析了精餾塔回流比、操作壓力以及進料變化對精餾塔能耗的影響，并對精餾塔節能優化措施進行了詳細的探討。

Abstract： This paper mainly discusses the reasons of the high energy consumption of the rectifying column and the energy saving principle of the distillation process. It analyzes the influence of reflux ratio， operating pressure and feed change on energy consumption of the rectifying column， and discusses the energy saving optimization measures of rectifying column in detail.

關鍵詞： 精餾塔；回流比；節能優化

Key words： rectifying column；reflux ratio；energy saving optimization

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）28-0034-02

0 引言

精餾是石化工業生產中能耗較大的單元操作之一。隨著能源價格的不斷增長，精餾系統的節能在石化工業的節能中有著重要的地位。但是為了保證產品的質量，在進行精餾生產的時候，裝置操作偏向于保守，而操作方法以及操作參數的設置不夠合理，過分離現象普遍存在。而且，精餾過程消耗的能量絕大部分并非用于組分分離，而是被冷卻水或分離組分帶走[1]。因此，為了使精餾過程節能，就需要研究和探討如何將節能原理運用到工業生產，對石化工業有著重要的意義。

1 精餾過程節能原理

從能量的本質不難看出，精餾過程是將物流有效能轉化為擴散有效能，這樣能夠在一定程度上降低損失。精餾過程有效能的損失主要是由不可逆性引起的：一是流體流動的壓降；二是相濃度不平衡物流間的傳質或不同濃度物流間相混合；三是不同溫度物流間的傳熱或不同溫度物流間的混合。基于上述精餾過程的節能原理，目前精餾過程的節能技術主要包括以下幾個：①充分利用精餾過程的熱能；②減少精餾過程本身對能力的需求；③提高精餾系統的熱力學效率。為了更好地減少精餾過程本身對能力的需要，我們從根本上進行節能的方法，主要應該考慮分離序列的選擇和操作條件的優化[2]。

2 分離序列的選擇

對一個多組分混合物的分離，可以有許多分離順序，最優的分離順序與最差的分離順序其能耗和費用相差很大，約為50%。因此，確定最佳分離順序在精餾過程中是很重要的問題。而選擇的好壞將對能耗產生重大影響。根據研究結果，可以得出以下結論[2，3]：

①產品按塔頂產品的揮發度依次遞減的順序逐個回收；②最難分離的組需要分別放在最末端進行分離；③將進料按塔頂與塔底各占50%的分餾比例安排；④純度要求高的產品放在最后分離；⑤對于容易造成系統腐蝕或結焦的組分，在提高后續設備的材質要求后，再進行穩定操作；⑥對于各組分沸點相差甚遠的混合物，如果有的組分需要在冷凍的條件下進行分離，就應使進入冷凍系統或冷凍等級更高的系統的組分數盡量減少。

3 操作條件的優化

3.1 選擇適宜的回流比 精餾過程的能耗主要取決于塔底再沸器的加熱蒸汽（或其他熱載體）用量及塔頂冷凝器的冷卻水（或其他冷卻劑）用量，兩者都與塔內上升蒸汽量有關[4]。當塔頂產品流量一定時，上升蒸汽量正比于（R+1），所以增大回流比（R），將增加精餾塔消耗的加熱蒸汽量及冷卻水用量，操作費用也相應增加。

回流比越小，凈功耗越小。因此，我們在可能的條件下減小操作的回流比。當系統的回流比在最小的時候，雖然節能效果顯著，但是塔設備費用卻在迅速增加，使精餾總費用也隨之增加。所以，在回流比趨于最小回流比操作的時候，就會造成塔系統總費用增加，而且操作情況也趨于惡化。

最優回流比主要反映的是設備費用與操作費用之間的最佳權衡。在一般情況下，若在最優回流比下進行操作，總費用大部分是加熱蒸汽的費用，約占到70%。當塔頂冷凝器溫度低于大氣的溫度時候，就會增加冷凍費。

對于已定的精餾塔的分離物系，回流比和產品的純度密切相關。為了保證產品的純度合格，我們在不降低產品質量等級的條件下，以降低塔底再沸器的能耗為主。

3.2 選擇適宜的操作壓力 精餾塔的操作壓力是影響精餾過程能耗的重要因素，也是精餾過程的一個重要的操作參數。大多數物系的相對揮發度是隨壓力的降低而增大，因此，減壓可以使物系的相對揮發度增大，平衡溫度降低。所以，在減壓的情況下可以適當減小回流比，以節省能量。同時減壓精餾還可以使許多高沸點化合物在分離過程中避免使用高價值的加熱介質，以此減少傳熱面積，節省投資。[2，5]

在物料組成不變的情況下，加壓會使塔頂、塔釜溫度升高。所以，加壓精餾有利于采用廉價的冷凝介質來提高被分離物系資深的飽和蒸汽壓。所采用的水作為冷卻介質，在一定程度上較大限度降低了單位產品的投資和可操作費用，同時還能減少冰鹽水的使用量，能夠降低相應的能耗。從節能角度分析，操作壓力提高后，塔頂冷凝器和塔釜重沸器的傳熱溫差將比常壓操作時減小，使得單位產品的能耗減少。[2]

在實際生產過程中，許多精餾節能措施是需要通過改變壓力來配合實施的。其中壓力是精餾過程最重要的也是最基本的參數之一，它的變化直接影響著汽液的平衡關系，從根本上改變了原有的分離基礎，使產品的純度、各塔板的溫度以及液汽比等發生相應的變化，壓力的改變還會引起塔板數、板間距、塔壁厚度、塔內部結構等的變化。除此之外，節能方法的實施還會使設備數量增加，流程出現復雜化，使得操作難度也相應增加等。因此，需要我們通過多方面的綜合考慮，確定一個最佳的操作壓力。endprint

3.3 選擇適宜的進料板位置 一般對選擇精餾塔進料位置的時候，主要根據進料的組成來定，因為進料位置應該選擇塔板的組成與進料組成接近的那一層塔板上，否則會因為組成差別較大導致塔板效率下降。[4]如果被分離的物料來源不同，就會導致物料混合后出現單塔處理進料的現象，這也必將增加精餾過程的能耗。[3]

3.4 選擇適宜的進料狀態 對于操作中的精餾塔，當回流比及塔頂流出液相同時，進料的溫度對塔頂冷凝器的熱負荷產生不了影響，而是與塔底再沸器的熱負荷成反比關系。在任何體系下，進料溫度升高，都可能減小塔底再沸器的熱負荷，從而達到低消耗的目的，所以條件允許的情況下，可以節省能耗。[4]

精餾塔的分離動力主要來自塔釜再沸器的熱量，它與側線采出的進料狀態有關。一般來說，塔底的液量比塔頂要大，塔的液泛都從塔底開始的。[6]

在同一回流比下，冷進料與熱進料相比，冷進料可以減小所需塔板數，使塔設備費減少。因此，在對精餾塔進行節能優化操作的過程中，還要全面考慮進料狀態對塔板數、回流比、塔頂冷卻劑消耗量產液負荷及塔徑的影響。因此，最佳進料狀態的選擇應在權衡經濟效益的基礎上來確定。

4 結束語

綜上所述，可以看出，為了降低精餾系統能耗，可以采取多種多樣的途徑進行解決。無論采取哪些措施，都會取決于經濟效益。但是在大多數情況下，采用節能技術并不一定是最經濟的，因為節能操作系統的操作往往較為復雜，要求較高的控制水平才能進行，因此就需要我們綜合權衡后，采取最優方案。

參考文獻：

[1]薛美盛，祁飛，吳剛，等.精餾塔控制與節能優化研究綜述[J].化工自動化及儀表，2006，33（6）：1.

[2]王建忠，馬文嬋，王鵬輝.精餾系統的節能措施[J].石油和化工節能，2007，2：6-9.

[3]王夢華.精餾過程節能技術探討[J].齊魯石油化工，2003，31（4）：324-326.

[4]徐邵紅.精餾塔優化設計探討[J].平原大學學報，2002，19（2）：10-11.

[5]張秀玲，陳玉琴，鄭君穎.化工精餾過程節能的探討[M].知識介紹，78-80.

[6]姚陽照.淺談精餾塔的節能設計[J].化工設計，1999，9（6）：16.endprint