劉艷杰 欒國顏 高維平

(吉林化工學(xué)院化工與材料工程學(xué)院,吉林 吉林 132022)

精餾過程是利用混合物中各組分揮發(fā)度的差異來分離均相混合物，是以熱能的消耗換取產(chǎn)品的分離提純的過程。在分離操作過程中，精餾分離過程的能量消耗是最大的。由于全球范圍能源危機(jī)和日益強(qiáng)烈的環(huán)保需求，針對精餾過程的節(jié)能研究也是尤為重要的[1，2]。

多效精餾是化學(xué)工業(yè)中較為常見的一種精餾節(jié)能措施，在多效精餾中最普遍的是雙效精餾，其流程特點(diǎn)是精餾系統(tǒng)由壓力不同的雙塔組成，由高壓塔逐漸向低壓塔供熱，提高了過程的熱力學(xué)效率，大幅度地降低了能耗，從根本上解決精餾過程能耗高的關(guān)鍵技術(shù)問題[2～5]。影響雙效精餾節(jié)能效果的因素主要有進(jìn)料組成、進(jìn)料溫度、回流比及操作壓力等以及這些因素的組合。筆者針對3種不同結(jié)構(gòu)形式的雙效精餾流程進(jìn)行節(jié)能特性的研究，在已優(yōu)化的回流比、進(jìn)料位置及操作壓力等條件下，主要考察進(jìn)料溫度對節(jié)能效果的影響，為雙效精餾的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 雙效精餾的研究流程①

原料由高壓塔(Ph)進(jìn)入，由于進(jìn)料物流是氣相且溫度較高，所以給出了原料直接做為高壓塔進(jìn)料的流程及與其對應(yīng)的先以進(jìn)料物流加熱高壓塔塔底物料而后作為高壓塔進(jìn)料的流程。為便于研究分析，分別命名為雙效精餾流程A、雙效精餾流程B和雙效精餾流程C，流程結(jié)構(gòu)如圖1～6所示。

圖1 雙效精餾流程A-1

圖2 雙效精餾流程A-2

雙效精餾流程A的特點(diǎn)是輕組分產(chǎn)品分別在高壓塔(Ph)和低壓塔(Pl)采出，而重組分產(chǎn)品只在低壓塔采出。

圖3 雙效精餾流程B-1

圖4 雙效精餾流程B-2

雙效精餾流程B的特點(diǎn)是輕組分和重組分產(chǎn)品均在低壓塔采出，高壓塔沒有產(chǎn)品采出。

圖5 雙效精餾流程C-1

圖6 雙效精餾流程C-2

雙效精餾C的特點(diǎn)是重組分產(chǎn)品分別由高壓塔和低壓塔采出，而輕組分產(chǎn)品在低壓塔采出。另外，兩種流程的低壓塔進(jìn)料狀態(tài)是不同的。

2 模擬計算

全部的模擬優(yōu)化工作采用PRO/Ⅱ工程模擬軟件完成。模擬體系為乙醇-水。在模擬計算中，液相為非理想溶液，氣相為非理想氣體，選用NRTL方程計算氣-液相平衡數(shù)據(jù)，過程熱損失忽略不計。進(jìn)料組成為0.5(乙醇的摩爾分率)，進(jìn)料流量為100kmol/h。分離任務(wù)為：塔頂輕組分產(chǎn)品中乙醇的摩爾分率為0.8，塔底重組分產(chǎn)品中乙醇的摩爾分率為0.1。操作條件為：單塔精餾為常壓操作，雙效精餾的低壓塔為常壓操作，高壓塔的塔壓根據(jù)兩塔的平均換熱溫差不小于10℃的換熱要求進(jìn)行優(yōu)化確定；各塔均在已優(yōu)化的最佳回流比和進(jìn)料位置下操作。進(jìn)料溫度分別為130、140、150、160、170℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 雙效精餾A

在不同的進(jìn)料溫度時，單塔精餾和雙效精餾流程A的能耗情況和節(jié)能率對比見表1。

表1 單塔精餾和雙效精餾流程A對比

注：E——節(jié)能率；Qc——冷凝器熱負(fù)荷；QR——單塔再沸器或雙塔輔助再沸器熱負(fù)荷；QE——熱交換器熱負(fù)荷，QE=Qc+QR；tf——進(jìn)料溫度。

由表1可見，在考察的進(jìn)料溫度范圍內(nèi)，雙效精餾流程A的兩種不同結(jié)構(gòu)均具有顯著的節(jié)能效果。節(jié)能率均隨進(jìn)料溫度的升高而下降，但下降幅度不是很大，且在相同的進(jìn)料溫度下，兩種流程的節(jié)能率略有差別。因此，對于兩種流程的選擇，可視具體生產(chǎn)條件確定。從節(jié)能率分析，更適宜低溫氣體進(jìn)料。

3.2 雙效精餾流程B

在不同進(jìn)料溫度時，單塔精餾和雙效精餾流程B的能耗情況和節(jié)能率對比見表2。

表2 單塔精餾和雙效精餾流程B對比

由表2可見，在考察的進(jìn)料溫度范圍內(nèi)，雙效精餾流程B的兩種不同結(jié)構(gòu)均具有一定的節(jié)能效果，節(jié)能率均隨進(jìn)料溫度的升高而增大，但增大的幅度是很小的，且雙效精餾流程B-2節(jié)能率約為雙效精餾流程B-1的兩倍。兩種流程為保證分離任務(wù)，均需設(shè)輔助再沸器，但雙效精餾流程B-2輔助再沸器的熱負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雙效精餾流程B-1，所以，綜合考慮設(shè)備投資和節(jié)能效果，選擇雙效精餾流程B-2且進(jìn)料溫度在150～170℃為宜。

3.3 雙效精餾流程C

在不同進(jìn)料溫度下，單塔精餾和雙效精餾流程C的能耗情況和節(jié)能率對比見表3。

表3 單塔精餾和雙效精餾流程C對比

由表3可見，在考察的進(jìn)料溫度范圍內(nèi)，雙效精餾流程C-2的節(jié)能率約為雙效精餾流程C-1的3倍，兩種流程的節(jié)能率隨進(jìn)料溫度的升高雖都有增大趨勢，但增大的幅度很小。同雙效精餾流程B一樣，為保證分離任務(wù)，兩種流程均需設(shè)輔助再沸器，但雙效精餾流程C-2輔助再沸器的熱負(fù)荷低于雙效精餾流程C-1，所以綜合考慮設(shè)備投資和節(jié)能效果，采用雙效精餾流程C-2節(jié)能效果要更優(yōu)于雙效精餾流程C-1，進(jìn)料溫度選擇160～170℃為宜。

4 結(jié)束語

通過對乙醇-水系統(tǒng)的研究表明：3種雙效精餾流程的節(jié)能率隨進(jìn)料溫度的變化均有不同程度的變化，但同種不同結(jié)構(gòu)流程的節(jié)能率變化的幅度都不大。具體流程的選擇可視實(shí)際生產(chǎn)過程，綜合考慮設(shè)備投資和節(jié)能效果再確定。