林立江

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510655)

精餾塔的節(jié)能優(yōu)化綜述

林立江

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510655)

精餾塔運行的能耗程度取決于在精餾塔詳細設計過程中，對一系列設計問題進行節(jié)能優(yōu)化，以達到降低能耗節(jié)約能源，本文主要從精餾塔的基本結構設計著手，包括改變進料溫度和與位置，選擇回流比值與精餾塔內件等。

節(jié)能；回流比值；精餾塔內件；進料溫度與位置

在現(xiàn)代各類精細化工品生產過程中，精餾裝置往往在煉化企業(yè)內的能耗上占有很大的比重。據(jù)統(tǒng)計，一個煉化企業(yè)內，能量的40%消耗在精餾過程[1]。目前，精餾裝置為了保證產品合格，一般會采取保守的操作參數(shù)和操作方法，如此便會產生不合理因素，比較常見的便是分離過度。但受迫于迅速升高的能源價格，企業(yè)均將降低能耗作為生產過程中的重點控制工程，這也成為化工設計工作者所關注的重點。故對精餾塔的節(jié)能優(yōu)化的研究探討對石油化學工業(yè)生產有非凡的意義。

1 進料溫度與位置

1.1 進料溫度

塔的模擬表明，精餾塔的分離動力來自塔釜重沸器的熱量，而且全塔上下的負荷并不均勻，與側線采出與進料工況有關[2]。從氣液量上講，塔底相較于塔頂往往是大的，所以一般塔的液泛從塔底開始進行。當選擇冷態(tài)進料時，就要求塔釜重沸器更多的熱量供應，同時增加塔底氣液量。保持已知的分離狀態(tài)下所需要的熱量不變，當精餾系統(tǒng)的進料溫度逐步升高，重沸器的熱負荷相應減少。

1.2 進料位置

進料位置的選擇上，就需要提到最佳進料位置。最佳進料位置是指在相同的理論板數(shù)和同樣的操作條件下，具有最大分離能力的進料板位置或在同一操作條件下所需理論板數(shù)最少的進料板位置[3]。最佳進料口位置的選擇原則是應該保持此進料口位置與該精餾塔相應位置的溫度接近。在進料位置比最佳進料位置高的情況下，則當前狀態(tài)下進料板液相組成中的小質量組分會比最佳進料位置下此板的液相組成的小質量組分要高，同時大質量組分相應會比最佳位置下的液相組成要低，在這種情況下，相比于最佳位置，相當于減少了精餾斷的塔板數(shù)，增加了提留段的塔板數(shù)，故此時塔頂產品質量會明顯下降，塔釜大質量組分的質量會提高。同理，在進料位置比最佳進料位置低時，則當前狀態(tài)下的進料板液相組成的小質量組分會比最佳位置下該板的液相組成的小質量組分要低，同時大質量組分相應會比最佳位置下液相組成要高，相比于最佳位置而言，相當于增加了精餾段的塔板數(shù)，減少了提留段的塔板數(shù)，故此時塔頂產品質量會明顯提高，塔釜大質量組分的質量會下降。

一般情況下，確定精餾塔進料位置主要根據(jù)物料組成，所選擇的進料位置應當使在該塔板的組成與進料組成相近，否則容易引起返混現(xiàn)象，進而降低塔板效率。

2 最佳回流比

在以往的工程設計項目中，工程人員處于保守原則往往將塔設計得相對較小，這樣就帶來一個問題，需要取一個較高的回流比值。這種做法在實際操作上并不會對生產需要造成影響，反而能提高產品純度，亦為以后提高塔的操作負荷留下空間。從而能明顯看出，若要維持塔的正常運轉，必須提高回流比，另一方面則會流失浪費大量能量，回流比R與整體費用的關系詳見圖1。

圖1 回流比R與費用的關系

2.1 回流比R與操作費用

操作費用主要指精餾過程的能量消耗。在精餾塔系統(tǒng)中，消耗的能量分為兩部分，一部分是指精餾塔底部重沸器的熱負荷QB，另一部分則是精餾塔頂部冷卻器的熱負荷QC，以上兩者均隨著塔內上升蒸汽量的增大而不斷增大。而精餾塔內的蒸汽增量隨著R的升高而減小，關系式如下：

QC=(R+1)D RD

(1)

QB=[D(R+1)-F(1-q)](Ig-IW)+Q'

(2)

在工藝條件一定的情況下，q、D、F均為定值，那我們可將 (1)、(2)兩式簡化如下：

Q=Kr+b

(3)

QB=(Ig-IW)[D-(1-q)F]+Q'

(4)

式中：D——塔頂精餾出的液量，kmol/h;

q——進料狀態(tài)參數(shù)；

RD——塔頂蒸汽的平均冷凝熱量，kJ/kmol;

Ig——重沸器內上升蒸汽的焓(摩爾)；

IW——塔底產品的焓(摩爾)；

Q——重沸器的熱量損失，kJ。

由以上可知，在精餾過程中所產生的能量消耗與R值是成正比。所以，回流比R對精餾過程中的能量消耗有重大的影響，如能降低回流比，降顯著降低能量消耗，減少操作費用。

2.2 回流比與設備費用

回流比越小，對應需要設置的塔板數(shù)量就會越大，顯然設備塔板數(shù)量不能過大，否則設備的費用將會占據(jù)過大的投資額而顯得不經濟；回流比越大，設備費用明顯降低，但當超過某一臨界值后，也將增大塔底重沸器與塔頂冷凝器的工作負荷，綜合設備費用反而是增加的。

2.3 回流比取值發(fā)展趨勢

近些年我過化工領域的飛速發(fā)展，化學物質的物性數(shù)據(jù)、計算算法的完善，加上日益提高的自控水平，回流比取值呈現(xiàn)下降趨勢。目前該值由過去的傳統(tǒng)的在(1.3～2.0)Rmin之間取值慢慢向(1.1～1.3)Rmin之間取值，取值日益向最小回流比靠[4]。

3 精餾塔內件選擇

顧名思義，精餾塔是一種精餾裝置。一般精餾塔均采用塔式汽液接觸方式設計，并且分為填料塔與板式塔。

3.1 板式塔內件選擇

板式塔用于氣體與液體、液體與液體之間系統(tǒng)的分級接觸傳質設備，一般由塔體和塔板組成。塔板根據(jù)一定間距水平裝置在塔內。由于其為板式塔中進行傳質的關鍵部位，所以塔板是影響板式塔能量消耗的重要部件。

在一般設計上，塔板會被均勻地開有一定數(shù)量通道，這些通道為氣體從下至上穿過板上液層提供路徑，以此來保證不同相態(tài)介質進行充分接觸。氣體通道有許多不同形式，它決定著塔的性能，我們也以此區(qū)分塔的類型。

在評價塔板的性能方面，存在五個指標：產能大，效率高，壓降小，操作彈性大，結構簡單。不過在實際工程設計中，任何一種塔板都不可能完全滿足上述的所有指標要求，它們往往各具特點，這就需要我們根據(jù)不同工藝流程、工藝參數(shù)和工藝目的進行選擇。

3.2 填料塔內件選擇

填料塔是化工企業(yè)中常見的氣液傳質量設備之一，塔內填料至一定高度，用以擴大流體間的接觸面，由于其結構簡單，日后的生產過程中便于檢修，所以在吸收、精餾、解吸等操作領域均有廣泛的應用。

作為填料塔的核心部件，填料方面又有不同的做法，一般比較常見的可分為散堆填料和規(guī)整填料。散堆填料由顆粒體組成，其顆粒體具有不同的形狀尺寸，散堆于塔內。規(guī)整填料具有相同的、成塊的、規(guī)整的結構。由于其排布均勻、堆砌規(guī)整，為氣液規(guī)定走向，可以很大地提高精餾塔整體性能。

填料塔內一般都會安裝分布器，此舉旨在充分發(fā)揮填料的效率，原理是使填料層頂部的液體分布更加均勻，減少液體不良分布所帶來的放大效應，提高傳質傳熱的有效接觸面，進一步而提高塔的效率。

4 總結

綜上所述，從多方面角度我們依然可以找到降低精餾系統(tǒng)能耗的途徑，并有一定程度的節(jié)能作用，但經濟效益決定了對其的最終評價。往往操作費用會隨著節(jié)能技術的采用而降低，但同時節(jié)能設備的增加則使得設備投資增加。從經濟學上講，最大限度地節(jié)能并不能滿足經濟性要求，而且節(jié)能措施往往涉及更為復雜、苛刻、要求較高的控制水平。所以在進行決策時需要權衡節(jié)能成本與經濟效益之間的關系，采用最合適的方案。

[1] 李照杰，謝 鵬，竇華中，等.精餾塔能量優(yōu)化策略研究[J].數(shù)字石油與化工，2009(4):49-52.

[2] 姚陽照.淺談精餾塔節(jié)能設計[J].化工設計，1999，9(6):15.

[3] 張 鋒，馬斌.精餾節(jié)能優(yōu)化措施研究發(fā)展[J].廣州化工，2010，38(7):47-49.

[4] 李夢啟.精餾塔的節(jié)能優(yōu)化[J].河北化工，2011，34(12):33-35.

(本文文獻格式：林立江.精餾塔的節(jié)能優(yōu)化綜述[J].山東化工，2017，46(06)：61-62.)

2017-02-13

林立江(1990—)，廣東人，本科畢業(yè)生，從事化工工藝、配管設計工作。

TQ053.5

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