精馏塔节能优化综述

李秀梅

摘要： 本文主要论述的就是精馏塔能耗高的原因和精馏过程的节能原理，分析了精馏塔回流比、操作压力以及进料变化对精馏塔能耗的影响，并对精馏塔节能优化措施进行了详细的探讨。

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.

关键词： 精馏塔；回流比；节能优化

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

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）28-0034-02

0 引言

精馏是石化工业生产中能耗较大的单元操作之一。随着能源价格的不断增长，精馏系统的节能在石化工业的节能中有着重要的地位。但是为了保证产品的质量，在进行精馏生产的时候，装置操作偏向于保守，而操作方法以及操作参数的设置不够合理，过分离现象普遍存在。而且，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[1]。因此，为了使精馏过程节能，就需要研究和探讨如何将节能原理运用到工业生产，对石化工业有着重要的意义。

1 精馏过程节能原理

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：①充分利用精馏过程的热能；②减少精馏过程本身对能力的需求；③提高精馏系统的热力学效率。为了更好地减少精馏过程本身对能力的需要，我们从根本上进行节能的方法，主要应该考虑分离序列的选择和操作条件的优化[2]。

2 分离序列的选择

对一个多组分混合物的分离，可以有许多分离顺序，最优的分离顺序与最差的分离顺序其能耗和费用相差很大，约为50%。因此，确定最佳分离顺序在精馏过程中是很重要的问题。而选择的好坏将对能耗产生重大影响。根据研究结果，可以得出以下结论[2，3]：

①产品按塔顶产品的挥发度依次递减的顺序逐个回收；②最难分离的组需要分别放在最末端进行分离；③将进料按塔顶与塔底各占50%的分馏比例安排；④纯度要求高的产品放在最后分离；⑤对于容易造成系统腐蚀或结焦的组分，在提高后续设备的材质要求后，再进行稳定操作；⑥对于各组分沸点相差甚远的混合物，如果有的组分需要在冷冻的条件下进行分离，就应使进入冷冻系统或冷冻等级更高的系统的组分数尽量减少。

3 操作条件的优化

3.1 选择适宜的回流比 精馏过程的能耗主要取决于塔底再沸器的加热蒸汽（或其他热载体）用量及塔顶冷凝器的冷却水（或其他冷却剂）用量，两者都与塔内上升蒸汽量有关[4]。当塔顶产品流量一定时，上升蒸汽量正比于（R+1），所以增大回流比（R），将增加精馏塔消耗的加热蒸汽量及冷却水用量，操作费用也相应增加。

回流比越小，净功耗越小。因此，我们在可能的条件下减小操作的回流比。当系统的回流比在最小的时候，虽然节能效果显著，但是塔设备费用却在迅速增加，使精馏总费用也随之增加。所以，在回流比趋于最小回流比操作的时候，就会造成塔系统总费用增加，而且操作情况也趋于恶化。

最优回流比主要反映的是设备费用与操作费用之间的最佳权衡。在一般情况下，若在最优回流比下进行操作，总费用大部分是加热蒸汽的费用，约占到70%。当塔顶冷凝器温度低于大气的温度时候，就会增加冷冻费。

对于已定的精馏塔的分离物系，回流比和产品的纯度密切相关。为了保证产品的纯度合格，我们在不降低产品质量等级的条件下，以降低塔底再沸器的能耗为主。

3.2 选择适宜的操作压力 精馏塔的操作压力是影响精馏过程能耗的重要因素，也是精馏过程的一个重要的操作参数。大多数物系的相对挥发度是随压力的降低而增大，因此，减压可以使物系的相对挥发度增大，平衡温度降低。所以，在减压的情况下可以适当减小回流比，以节省能量。同时减压精馏还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，以此减少传热面积，节省投资。[2，5]

在物料组成不变的情况下，加压会使塔顶、塔釜温度升高。所以，加压精馏有利于采用廉价的冷凝介质来提高被分离物系资深的饱和蒸汽压。所采用的水作为冷却介质，在一定程度上较大限度降低了单位产品的投资和可操作费用，同时还能减少冰盐水的使用量，能够降低相应的能耗。从节能角度分析，操作压力提高后，塔顶冷凝器和塔釜重沸器的传热温差将比常压操作时减小，使得单位产品的能耗减少。[2]

在实际生产过程中，许多精馏节能措施是需要通过改变压力来配合实施的。其中压力是精馏过程最重要的也是最基本的参数之一，它的变化直接影响着汽液的平衡关系，从根本上改变了原有的分离基础，使产品的纯度、各塔板的温度以及液汽比等发生相应的变化，压力的改变还会引起塔板数、板间距、塔壁厚度、塔内部结构等的变化。除此之外，节能方法的实施还会使设备数量增加，流程出现复杂化，使得操作难度也相应增加等。因此，需要我们通过多方面的综合考虑，确定一个最佳的操作压力。endprint

3.3 选择适宜的进料板位置 一般对选择精馏塔进料位置的时候，主要根据进料的组成来定，因为进料位置应该选择塔板的组成与进料组成接近的那一层塔板上，否则会因为组成差别较大导致塔板效率下降。[4]如果被分离的物料来源不同，就会导致物料混合后出现单塔处理进料的现象，这也必将增加精馏过程的能耗。[3]

3.4 选择适宜的进料状态 对于操作中的精馏塔，当回流比及塔顶流出液相同时，进料的温度对塔顶冷凝器的热负荷产生不了影响，而是与塔底再沸器的热负荷成反比关系。在任何体系下，进料温度升高，都可能减小塔底再沸器的热负荷，从而达到低消耗的目的，所以条件允许的情况下，可以节省能耗。[4]

精馏塔的分离动力主要来自塔釜再沸器的热量，它与侧线采出的进料状态有关。一般来说，塔底的液量比塔顶要大，塔的液泛都从塔底开始的。[6]

在同一回流比下，冷进料与热进料相比，冷进料可以减小所需塔板数，使塔设备费减少。因此，在对精馏塔进行节能优化操作的过程中，还要全面考虑进料状态对塔板数、回流比、塔顶冷却剂消耗量产液负荷及塔径的影响。因此，最佳进料状态的选择应在权衡经济效益的基础上来确定。

4 结束语

综上所述，可以看出，为了降低精馏系统能耗，可以采取多种多样的途径进行解决。无论采取哪些措施，都会取决于经济效益。但是在大多数情况下，采用节能技术并不一定是最经济的，因为节能操作系统的操作往往较为复杂，要求较高的控制水平才能进行，因此就需要我们综合权衡后，采取最优方案。

参考文献：

[1]薛美盛，祁飞，吴刚，等.精馏塔控制与节能优化研究综述[J].化工自动化及仪表，2006，33（6）：1.

[2]王建忠，马文婵，王鹏辉.精馏系统的节能措施[J].石油和化工节能，2007，2：6-9.

[3]王梦华.精馏过程节能技术探讨[J].齐鲁石油化工，2003，31（4）：324-326.

[4]徐邵红.精馏塔优化设计探讨[J].平原大学学报，2002，19（2）：10-11.

[5]张秀玲，陈玉琴，郑君颖.化工精馏过程节能的探讨[M].知识介绍，78-80.

[6]姚阳照.浅谈精馏塔的节能设计[J].化工设计，1999，9（6）：16.endprint