化工精餾技術的應用及節能研究

李慧敏， 焦 蓬

(陽泉煤業(集團)有限責任公司化工研究院，山西 太原 030021)

引 言

化工生產可以簡單的分為三個階段：1) 原料的預處理階段；2) 原料在反應器內經催化劑催化生成產物的化學反應階段；3) 反應產物分離提純得到目的產物階段。精餾操作在工業化的物料分離流程中有著普遍的應用。發展節能高效的精餾技術既有利于高純度產品的分離提純技術的提高，也有利于日常生產過程中的能源節能。

1 精餾技術的基本原理

精餾是根據混合液中不同物質間相對揮發度差異，將混合液中輕、重組分以物理手段進行分離的單元操作。在塔釜為混合液提供熱源，塔頂為物料蒸汽提供冷媒，在精餾塔內部混合物料經過多次氣液兩相間的質量傳遞和能量傳遞，液相中的輕組分得到能量多次部分氣化在塔頂得到高純輕餾分產品，氣相中的重組分釋放能量多次部分冷凝在塔釜得到高純重餾分產品[1]。

實際生產過程中根據操作方式的差異，可分為連續精餾和間歇精餾。大型、工業化、連續化生產項目大多用采用連續精餾，進出料的組成、流量固定，各指標(溫度、壓力)穩定，項目普遍自動化程度高，生產單位產品消耗的成本低。但是項目前期投資較大。中小規模生產多選用間歇精餾，物料間歇投入生產設備內，產品待停留時間滿足且分析化驗合格后一次性排出。這種精餾生產過程靈活、自動化程度低工人容易上手操作，但普遍存在單位時間內處理量小，能量耗大，單位產品消耗成本高的缺點。

常壓精餾是精餾塔頂在常壓及微正壓條件下進行的精餾。常壓精餾是最常見的精餾技術，該技術對設備的等級要求較低，精餾塔的配套設備相對較少，工藝流程相對簡單，易于學習掌握。常見于精餾工序的前幾個塔起到粗略分離的效果。

減壓精餾是在負壓條件下進行的精餾。其中真空度高的也叫真空精餾。在負壓下，各組分的飽和蒸氣壓比正常情況會降低，相對揮發度會增大。減壓精餾是借助液環真空泵、蒸汽噴射器等裝置降低操作系統壓力，使混合液各組分泡點降低，在負壓下就沸騰，滿足減壓精餾的溫度，能起到節約部分熱量的目的。減壓精餾多于分離沸點較高的混合物，熱穩定性差易分解的混合物，高溫易聚合的混合物。例如：乙二醇、植物中精油、香料的提純就用到減壓精餾。

加壓精餾是在加壓條件下進行的精餾。加壓精餾常用于分離沸點較低的混合物料，如利用液體空氣分離得到氧氣和氮氣的過程。煤制甲醇混合液沸點較低且易揮發，精餾工序采用加壓精餾能提高精餾塔的處理能力，升高壓力使物質沸點升高有利于冷媒的利用率。

2 影響精餾操作的主要因素

精餾系統操作其過程本身較為復雜，容易受到各種因素的影響。例如：精餾塔內溫度分布梯度、塔頂塔釜的壓力及塔內各段的壓力降、進料量的大小、原料混合液以何種狀態進塔、進料組成是否穩定、回流比大小等[2]。

塔釜熱量，塔頂冷量的變化對精餾塔最直觀的影響就是塔頂、塔釜壓力立刻變化，進而影響精餾塔內各點溫度分布梯度。當出現各測點溫度升高，回流罐的溫度升高，那么塔頂產品中重組分的雜質含量增加，需要增大回流量給精餾塔降溫至正常工藝指標。塔內各點壓力與該點溫度呈現對應關系。

最小回流比由實際塔板數確定。實際操作中的回流比都大于最小回流比。大回流比利于產物純度的提高，但是熱能、電能、冷卻水的消耗量也顯著增加。低回流比在產品合格的前提下往往是最具經濟性的。實際生產過程中往往需要折中考慮，找出最佳的平衡點。

3 精餾操作的要點

精餾塔的日常操作應重點把握好三個平衡：物料平衡、氣液平衡、熱量平衡。

物料平衡能反映出精餾塔在單位時間內處理混合液的能力。

氣液平衡是實現精餾操作的基礎。塔內溫度、壓力保持穩定的狀態，才能確定氣液相的平衡組成。整個精餾塔塔氣液相的平衡是依靠每層塔板上的氣液兩相傳質傳熱實現的。氣液平衡與物料平衡有著密切關聯。

熱量平衡是實現物料平衡和氣液平衡的根本前提。失去塔釜的的熱源，塔釜物料就沒有氣化并沿精餾塔逐層上升的動力。失去塔頂的冷源，塔頂蒸汽無法有效冷卻成回流液，精餾過程就無法實現[3]。

掌握好以上三個平衡是精餾操作技能成熟的關鍵。三個平衡間是相互影響，相互制約的。實際操作工程中以控制物料平衡變化為主線，與之對對應的調節熱量平衡，進而達到每層塔板內氣液平衡得到合格產品的目的。

4 節能高效精餾技術的開發應用

4.1 分級換熱節能技術

傳統精餾技術熱量集中在底部提供，冷媒集中在頂部提供。物料在塔釜停留時間較長，溫度上升緩慢，熱量損比較失大。采用分級換熱措施能提高精餾過程中能量的利用率。增加精餾塔對溫度變化的反應能力，避免塔頂、塔釜之間出現過大的溫差。也能進一步降低塔頂冷媒的使用量。

4.2 塔系熱集成技術

適用于多塔精餾的工藝流程。在設備布置過程中選擇合理坐標將多個精餾塔的塔釜集中建設。配以性能優良的保溫隔熱材料。這樣能大大降低各精餾塔釜向周圍環境的熱量損失，顯著提高熱量的利用效率。

4.3 多效精餾技術

利用溫度較高的輕組分為溫度較低的重組分交叉換熱回收熱量，實現熱量的多重高效利用。實際操作中往往能以加壓塔塔頂輕組分做為熱源向常(減)壓塔塔釜提供熱量。熱量多次分級利用。

5 高效節能精餾技術的應用前景

化工項目本身就是能源的消耗大戶，相當一大塊能源的消耗就發生在物質分離的精餾階段。發展高效節能的精餾技術在提高煤化工，石油化工領域的生產效率、節能減排方面有非常重要的意義。影響精餾的因素較多，精餾過程較為復雜，徹底掌握，需要扎實的專業理論基礎和實際操作經驗相結合。可以從培養專業高素質的技術人員入手，國家、行業建立標準化規范的工業裝置使用體系一步步推廣高效節能精餾技術的使用范圍。隨著科學技術的不斷進步，高純度物質的分離提純對精餾技術的要求也將進一步提高。研發高效節能的精餾技術必將是未來化工技術領域的一大新課題。