王儉 堵祖蔭

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

化工過程節(jié)能技術(shù)和綜合能耗的計(jì)算系列講座（2）

蒸餾過程工藝節(jié)能技術(shù)（1）

王儉 堵祖蔭

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

簡(jiǎn)要介紹了蒸餾操作過程和操作工藝的最優(yōu)化，并對(duì)多股進(jìn)料和側(cè)線出料精餾塔進(jìn)行了節(jié)能分析。

蒸餾；節(jié)能；操作工藝；多股進(jìn)料；側(cè)線出料；最優(yōu)化

化工單元操作種類十分繁多，對(duì)于所消耗的能量等級(jí)和大小相差懸殊，其節(jié)能途徑、方法也不盡相同，而且每一種節(jié)能技術(shù)的使用都是有條件的，只有在適宜的工藝、公用工程和環(huán)境的條件下，并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能達(dá)到期待的節(jié)能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

化工分離過程的能耗約占整個(gè)化工過程能耗的40 % ～ 70 % ，構(gòu)成各化工單元操作過程有不同的工藝和設(shè)備的節(jié)能技術(shù)，一般蒸餾過程能耗占整個(gè)化工分離過程能耗的80 % ～ 90 % 左右。因此，了解蒸餾過程節(jié)能技術(shù)對(duì)化工生產(chǎn)節(jié)能具有重要意義，故本節(jié)以蒸餾單元操作為典型例子較全面介紹蒸餾單元操作的工藝節(jié)能技術(shù)。以便化工設(shè)計(jì)工程師從點(diǎn)到面了解化工單元操作的節(jié)能理念、方法和途徑。

蒸餾過程除了常規(guī)蒸餾以外，還有加入第三組分（恒沸劑或萃取劑）的特殊蒸餾過程——恒沸蒸餾和萃取蒸餾，以及蒸餾和反應(yīng)過程耦合的反應(yīng)精餾和催化精餾等，此外，蒸餾塔各項(xiàng)產(chǎn)品的能量利用節(jié)能技術(shù)屬于整個(gè)工藝系統(tǒng)的熱量集成范疇內(nèi)的內(nèi)容。但限于文章篇幅，不在此一一贅述。

1 蒸餾操作過程和操作工藝的最優(yōu)化[1，3]

1.1 采用最佳回流比

（1）回流比與能耗的關(guān)系

影響蒸餾過程能耗的因素很多，其中最主要的是回流比，回流比R為塔頂回流量L與塔頂產(chǎn)品量D之比，即R=L/D。選擇最佳回流比是精餾系統(tǒng)節(jié)能的一項(xiàng)重要措施。精餾塔的能耗隨回流比的增大而增加。因?yàn)榇藭r(shí)再沸器和冷凝器的熱負(fù)荷按比例增大，使加熱劑和冷卻劑的消耗量也按比例增加，這兩項(xiàng)是精餾塔操作費(fèi)的主要部分，所以隨回流比增大使操作費(fèi)增加；另一方面，回流比增加雖使達(dá)到分離要求所需的塔板數(shù)減少，但在回流比較高時(shí)，R的進(jìn)一步增加使塔板數(shù)降低的效果明顯減小，而塔中氣、液相流率則按比例隨R增大而增大，使再沸器、冷凝器、回流罐和回流泵等的尺寸及設(shè)備能力增加，則造成塔及附屬設(shè)備費(fèi)用增加。

回流比與產(chǎn)品成本分?jǐn)偟脑O(shè)備費(fèi)、操作費(fèi)以及總費(fèi)用之間的關(guān)系如圖1所示，操作費(fèi)隨R的增大而增大；在Rmin附近時(shí)，隨回流比增加，設(shè)備費(fèi)由于塔板數(shù)減小而迅速下降，但R繼續(xù)增加，設(shè)備費(fèi)轉(zhuǎn)向增大；總費(fèi)用為設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)之和，故它隨回流比的增加先減小而后增加，存在一個(gè)最小值，此最小值對(duì)應(yīng)的回流比為總費(fèi)用最小時(shí)的回流比。

（2）最佳回流比的確定

圖1 回流比與費(fèi)用的關(guān)系Fig.1 The relationship between re fl ux ratio and expense

對(duì)于精密精餾填料塔的最佳回流比曲線如圖2所示。可以看出，當(dāng)操作費(fèi)與設(shè)備費(fèi)相比可以忽略不計(jì)。當(dāng)操作費(fèi)增加，Q值增大，最佳回流比就減小。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中回流比的取值偏于保守，通常設(shè)計(jì)時(shí)回流比R取為最小回流比Rmin的1.3 ～ 1.5倍。

圖2 最佳回流比曲線Fig.2 The optimum re fl ux ratio curve

進(jìn)入20世紀(jì)70年代，隨著能源的短缺和價(jià)格的上漲，操作費(fèi)用也相應(yīng)地成倍增加，因此回流比的選取趨于謹(jǐn)慎。近年來，隨著現(xiàn)代物性數(shù)據(jù)和計(jì)算的準(zhǔn)確性以及操作精度的提高，設(shè)計(jì)中對(duì)回流比的取值也相應(yīng)地減小。目前，推薦的回流比值為Rmin的1.2 ～ 1.3倍，或取為1.25Rmin。從節(jié)能的角度考慮，回流比越小，能耗越小，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能減小回流比。

（3）適當(dāng)增加塔板數(shù)以減小回流比

對(duì)于某些精餾塔，可以適當(dāng)?shù)卦黾右恍┧鍞?shù)以減小回流比。如圖3所示，在C2 ～ C4分離塔中，若增加4塊理論板后，使原設(shè)計(jì)的回流比R由0.82（R=1.27Rmin）降到0.7（R=1.08Rmin），可減少能耗11 % 。

然而，用增加塔板數(shù)以降低回流比是有一定限度的。如圖3所示，在實(shí)際回流比R與最小回流比Rmin的比值較大時(shí)，塔板數(shù)的增加使回流比R顯著減小，但隨著塔板數(shù)的增加，曲線逐漸趨于陡立，這時(shí)回流比R接近最小回流比Rmin，增加塔板數(shù)對(duì)回流比的減小已無明顯作用，因而，過多地增加塔板數(shù)并沒有好處。對(duì)于塔板數(shù)少、實(shí)際回流與最小回流的比值高、壓力高及汽化熱大的精餾塔，適當(dāng)增加塔板數(shù)以減小回流比，可有效地降低熱負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖3 回流比與理論板的關(guān)系曲線Fig.3 The relationship between re fl ux ratio and theoretical plate

（4）在降低回流比的同時(shí)應(yīng)注意的問題

①避免過度提高產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，并采用適宜的回流比。

②在盡可能降低回流比的同時(shí)，應(yīng)注意回流比降低有時(shí)會(huì)引起板效率下降的各種因素。

a. 回流比與塔板效率的關(guān)系

在同一體系的精餾塔中，若增加回流比就加大了塔板上相互接觸的氣液兩相溫度差，則塔板效率增加；相反，若減小回流比就降低了相互接觸的氣液兩相溫度差，則塔板效率降低。

b. 若待分離物系的相對(duì)揮發(fā)度較大，而最小回流比較?。ㄈ鏡min為0.2 ～ 0.3），此時(shí)設(shè)計(jì)回流比與塔板效率的問題就顯得更加突出了，這是因?yàn)榛亓鞅刃?huì)引起塔內(nèi)液量的降低，容易引出精餾系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，在實(shí)際操作中通常取回流比R為最小回流比的3 ～ 4倍，即0.7 ～ 1.0這樣的回流比進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

c. 在“夾點(diǎn)”（Pinch Point）附近，塔板上相互接觸的氣液兩相的溫差幾乎等于零，這時(shí)的塔板效率就會(huì)降低。

1.2 選擇最佳進(jìn)料位置

在許多情況下，改變進(jìn)料位置可以降低回流比，雖花費(fèi)的投資很少，卻可以大量地節(jié)能，在多元精餾中，非關(guān)鍵組分的存在，使得最佳加料位置的確定變得困難。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，所謂最佳加料位置是指在同樣回流比的條件下，達(dá)到規(guī)定分離要求所需的塔板數(shù)最少；在核算型計(jì)算中，則指在一定塔板數(shù)和回流比的條件下，達(dá)到最大的分離因子S。分離因子S見式（1）。

式中，xlk，xhk分別表示輕重關(guān)鍵組分的摩爾系數(shù)；下標(biāo)D，B表示塔頂和塔底。分離因子S表示某一單元分離操作或某一分離流程輕重關(guān)鍵組分分離的程度。在工程計(jì)算中，應(yīng)用較廣泛的確定最佳進(jìn)料位置的方法有如下三種。

（1）加料板上液相中關(guān)鍵組分的濃度比值，應(yīng)與加料的液體部分中這個(gè)比值盡量接近。否則就會(huì)發(fā)生由于返混而造成的效率損失，也可能導(dǎo)致提餾段與精餾段的塔板比例不當(dāng)。使得部分塔板處于無效操作狀態(tài)。

（2）將加料的液體中關(guān)鍵組分的濃度與各板液相物料中關(guān)鍵組分濃度的比值，在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙對(duì)塔板數(shù)進(jìn)行標(biāo)繪，見圖4。當(dāng)加料板位置最佳時(shí)，加料板兩側(cè)的斜率幾乎相等。如果加料板位置過高，將在加料板下面一段塔中發(fā)生較嚴(yán)重的逆向精餾；如果加料板的位置過低，將在加料板上面一段塔中發(fā)生較嚴(yán)重的逆向精餾。

（3）在固定板數(shù)與回流比的條件下，改變幾個(gè)加料位置，分別進(jìn)行嚴(yán)格模擬計(jì)算，算出相應(yīng)塔的分離因子S，再將S對(duì)進(jìn)料板數(shù)進(jìn)行標(biāo)繪，曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的進(jìn)料板數(shù)即為最佳加料位置。

上述三種確定加料位置的方法中，方法一是兩元精餾判據(jù)的推廣，曾廣泛應(yīng)用于多元精餾。但是當(dāng)輕重非關(guān)鍵組分的含量高，兩者含量的差距又大時(shí)，這一方法會(huì)引起較大偏差，尤其回流比接近最小回流比時(shí)，此偏差更為顯著。后兩種能夠比較可靠地求得最佳加料位置，比較實(shí)用。

圖4 進(jìn)料位置與關(guān)鍵組分比值的標(biāo)繪Fig.4 The ratio plot of the feed position to the key component

1.3 選擇最佳進(jìn)料狀態(tài)

由過冷液體至過熱蒸汽，精餾過程可以有五種不同的加料狀態(tài)，q為加料熱狀態(tài)，數(shù)值大小等于每加入1 kmol的原料使提餾段液體所增加物質(zhì)的量（kmol）：

q＜0，過熱蒸汽進(jìn)料；

q=0，飽和蒸汽進(jìn)料；

0＜q＜1，汽液混合物進(jìn)料；

q= 1，泡點(diǎn)進(jìn)料；

q＞1，過冷液體進(jìn)料，即進(jìn)料液體溫度低于泡點(diǎn)。

由于加料熱狀態(tài)不同，造成塔中精餾段和提餾段的氣、液相流率發(fā)生變化，從而影響再沸器和冷凝器的熱負(fù)荷；同時(shí)加料熱狀態(tài)不同，使得最小回流比不同，影響達(dá)到規(guī)定分離要求所需的塔板數(shù)。因此加料狀態(tài)的變化能影響系統(tǒng)的投資和操作費(fèi)用，是精餾系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。很明顯，對(duì)加料進(jìn)行預(yù)熱必然減少塔釜所需的加熱量，但是塔頂冷凝器的熱負(fù)荷并不減少，相反因最小回流比的增大而引起回流比增大，冷凝器的熱負(fù)荷變得更大，同時(shí)回流比的變化也會(huì)影響到再沸器的熱負(fù)荷。在特定分離要求下，分析加料濃度不同，即塔頂產(chǎn)物與原料量之比D/F的不同時(shí)，進(jìn)料熱狀態(tài)參數(shù)q對(duì)冷凝器和再沸器熱負(fù)荷的影響，可得圖5所示結(jié)果，當(dāng)D/F較大時(shí)，增加料液的熱狀態(tài)參數(shù)q值，塔釜中的加熱量增加的幅度比冷凝器的熱負(fù)荷下降的幅度要大。這種不同的影響對(duì)于精餾塔經(jīng)濟(jì)性的影響隨塔的溫度而變化。

圖5 進(jìn)料熱狀態(tài)q對(duì)再沸器和冷凝器熱負(fù)荷的影響Fig.5 The in fl uence on heat load of reboiler and condenser from the feed heat condition q

（1）高溫精餾

對(duì)于塔頂和塔釜溫度均高于大氣溫度的高溫精餾，塔釜常用水蒸氣加熱，塔頂用水或空氣冷卻。當(dāng)D/F較大又有適合的低溫?zé)嵩磿r(shí)，應(yīng)盡量采用較低的q值，即以汽相進(jìn)料為宜，以減少塔釜加熱量。

對(duì)于裂解氣深冷分離中的一些高溫精餾塔，例如脫丁烷塔，按照上述原則，在高濃度進(jìn)料時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低進(jìn)料的q值，即提高進(jìn)料溫度。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)脫丁烷塔的進(jìn)料溫度由60 ℃提高到70 ℃，再沸器負(fù)荷節(jié)省約10 % 。當(dāng)利用低壓蒸汽預(yù)熱進(jìn)料到90 ℃時(shí)，則再沸器負(fù)荷可降低30 % 。

（2）低溫精餾

對(duì)于塔頂和塔釜溫度均低于大氣溫度的低溫精餾，塔釜可用0 ℃左右的丙烯一類介質(zhì)加熱以回收冷量，塔頂則需用價(jià)格昂貴很多的低溫制冷劑冷凝。此時(shí)，無論D/F為何值，均應(yīng)以飽和液體進(jìn)料或過冷液體進(jìn)料為宜，因?yàn)榇藭r(shí)塔頂冷凝熱負(fù)荷越小越經(jīng)濟(jì)。

由于裂解氣深冷分離中，大部分能量要消耗在低溫精餾的一些塔上（如脫甲烷塔、乙烯精餾塔等）。因此，合理選擇這些塔的進(jìn)料狀態(tài)對(duì)于降低能耗是十分重要的。從以上分析不難看出，對(duì)于這些塔來說，應(yīng)盡量采用飽和液體甚至過冷液體進(jìn)料為宜。

（3）中溫精餾

以上的高溫精餾和低溫精餾是兩種極端情況，對(duì)于中等溫度范圍操作的精餾過程，即塔釜溫度高于大氣溫度，而塔頂溫度低于大氣溫度的精餾過程，應(yīng)根據(jù)具體所分離物系，分離要求計(jì)算冷凝器、再沸器熱負(fù)荷隨進(jìn)料熱狀況的變化趨勢(shì)，結(jié)合加熱劑和冷卻劑的價(jià)格，是否有廢熱可以利用等，進(jìn)行全面的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，才能最后確定最佳的進(jìn)料狀態(tài)。

2 多股進(jìn)料

當(dāng)兩種或多種成分相同但濃度不同的料液進(jìn)行分離，如低沸點(diǎn)組分濃度分別為xF1，xF2的A，B二組分體系混合液，以F1，F(xiàn)2流量從兩個(gè)工藝中排出時(shí)，要把這兩種原料液精餾分離成A，B單一組分，可考慮如下二種方式，如圖6所示。

圖6 兩種濃度進(jìn)料液的進(jìn)料方式Fig.6 The feed method of two different concentration feed liquid

（1）混合進(jìn)料：把濃度不同的F1，F(xiàn)2兩種原料液混合，形成xfm的Fm=F1+F2進(jìn)料液，用一個(gè)常規(guī)精餾塔處理。

（2）二股進(jìn)料：采用具有兩個(gè)進(jìn)料板的復(fù)雜塔，兩股或多股原料分別在適當(dāng)?shù)奈恢眉尤胨?nèi)，稱多股進(jìn)料。

方式（1）與方式（2）均采用一個(gè)塔，圖7為這兩種方式在y-x圖上的比較。圖7中（1）-a和（1）-b表示原料液混合一塔式精餾段和提餾段的操作線；（2）-a、（2）-b、（2）-c分別是二股進(jìn)料方式的精餾段、中間段和提餾段的操作線。可見，采用二股進(jìn)料時(shí)，操作線較接近平衡線，不可逆損失降低，因而熱能消耗降低。這是因?yàn)榫s分離是以能耗為代價(jià)的，而混合是分離的逆過程。在分離過程中的任何具有勢(shì)差的混合過程，都意味著能耗的增加。采用二股進(jìn)料復(fù)雜塔，由于精餾段操作線斜率減小，回流比減小，所需塔板數(shù)要增加。

圖7 混合進(jìn)料和二股進(jìn)料對(duì)比Fig.7 The y-x fi gure of mix feed and two sections feed

現(xiàn)以兩種濃度的甲醇-水二組分體系原料液精餾為例，其進(jìn)料和塔底、塔頂產(chǎn)品的濃度和流量如下：

二種精餾方式所需熱能如表1所示。

表1 二種精餾方式所需熱能Tab.1 The heat requirement of two distillations

二股進(jìn)料的復(fù)雜塔計(jì)算時(shí)可分為三段：精餾段、中間段和提餾段，每段均可用物料衡算求出其操作線方程。

對(duì)精餾段，設(shè)塔頂為泡點(diǎn)回流，進(jìn)料均為泡點(diǎn)進(jìn)料，則精餾段操作線方程見式（2）。

中間段操作線見式（3）—（7）。

提餾段操作線見式（8）—式（12）。

無論加料熱狀態(tài)如何，塔中精餾段操作線的斜率必小于中間段，中間段的斜率必小于提餾段。各股加料的q線方程仍與單股進(jìn)料時(shí)相同。

減小回流比時(shí)，三段操作線均向平衡線靠攏，所需的理論板數(shù)將增加。當(dāng)回流比減小到某一極限即最小回流比時(shí)，夾點(diǎn)可能出現(xiàn)在精餾線與中間線的交點(diǎn)，也可能出現(xiàn)在中間線與提餾線的交點(diǎn)。對(duì)非理想性很強(qiáng)的物系，夾點(diǎn)也可能出現(xiàn)在某個(gè)中間位置。

3 側(cè)線出料

當(dāng)需要獲得組成不同的兩種或多種產(chǎn)品時(shí)，可在塔內(nèi)相應(yīng)組成的塔板上安裝側(cè)線，抽出產(chǎn)品，即用一個(gè)復(fù)雜塔代替多個(gè)常規(guī)塔聯(lián)立方式。側(cè)線抽出的產(chǎn)品可為塔板上的泡點(diǎn)液體或飽和蒸汽。這種方式既減少了塔數(shù)，也減少了所需塔頂冷凝器冷量和塔釜再沸器熱量，是一種節(jié)能的方式。

乙烯精餾塔是側(cè)線出料的一個(gè)極好的例子，如圖8（a）所示。圖8（b）為側(cè)線產(chǎn)物組成XD'的飽和液體。但無論哪種情況，中間段操作線斜率小于精餾段。在最小回流比下，恒濃區(qū)一般出現(xiàn)在q線與平衡線的交點(diǎn)處。

把側(cè)線出料的方式再發(fā)展一步，可用來進(jìn)行多組分精餾。

在采用一個(gè)常規(guī)塔將F1（A，B）分離成A、B二組分，另一個(gè)常規(guī)塔將F2（B、C）分離成B、C二組分的情況下，如果兩個(gè)精餾塔的處理量和內(nèi)部回流比差別不大，就可以采用如圖9所示精餾工藝取而代之。不過這種情況是以塔內(nèi)相對(duì)揮發(fā)度順序不變?yōu)榍疤岬?，并?yīng)按沸點(diǎn)由低到高的次序自上而下進(jìn)料。

圖8 具有側(cè)線出料的精餾塔Fig.8 The rectifying column with side-line discharge

圖9 用側(cè)線出料進(jìn)行多組分精餾Fig.9 The multi-component recti fi cation with side-line discharge

在該工藝中，當(dāng)原料液量F1≈F2，進(jìn)料組成xf1a≈0.5，xf2b≈0.5時(shí)，與采用兩個(gè)常規(guī)塔分離相比，所需塔頂冷凝器冷量和塔釜再沸器熱量只有兩個(gè)常規(guī)塔的一半，而且設(shè)備投資也減少了（塔減少了一個(gè)）。當(dāng)進(jìn)料量F1和F2有很大差別時(shí)，如F1≥F2時(shí)，應(yīng)設(shè)置中間再沸器；如F1≤F2，則側(cè)線餾分S（B）應(yīng)以氣相引出。

但是側(cè)線出料也存在下述問題。

（1）由于難以設(shè)定與原料組成變動(dòng)等外部因素相對(duì)應(yīng)的最宜側(cè)線出料量，故保持側(cè)線出料量一定，這樣，精餾塔的分離機(jī)能就不能得到充分利用。

（2）盡管增加了側(cè)線出料功能，但操作變量沒有增加，故只能對(duì)幾個(gè)組分中的一個(gè)組分進(jìn)行質(zhì)量控制。

在這種方式的靈活性下，必須嚴(yán)密地設(shè)定設(shè)計(jì)條件。另外，當(dāng)側(cè)線餾分要求的純度高時(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)的自由度小，因而要借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

更為詳盡的探討可查閱相關(guān)文獻(xiàn)[1]-[4]。

[1]馮霄. 化工節(jié)能原理與技術(shù)[M]. 第三版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]雷志剛，代成娜. 化工節(jié)能技術(shù)原理與技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011

[3]李鑫鋼. 蒸餾過程節(jié)能與強(qiáng)化技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009

[4]吳俊生，邵惠鶴. 精餾設(shè)計(jì)、操作和控制[M]. 北京：中國石化出版社，1997.

Energy Saving Technology Used in Distillation Process (1)

Wang Jian, Du Zuyin
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai200120）

Distillation process and the optimization of this process were introduced in this article. Moreover the respect of energy saving with multi feeding and side-line discharging in distillation tower was analyzed.

distillation; energy saving; operation process; multiple feeding; side-line discharging; optimization

編者按應(yīng)讀者需求，本刊自今年第一期開辟了工程技術(shù)系列講座，首次講座為化工工藝流程系列，共分四期刊出，受到了廣大工程技術(shù)人員的歡迎。系列講座繼續(xù)推出第二講，化工過程節(jié)能技術(shù)系列講座，系統(tǒng)介紹化工過程節(jié)能技術(shù)和能耗的計(jì)算方面的有關(guān)內(nèi)容,以饗讀者。該文具有廣泛的可讀性，也請(qǐng)各位同行討論并提出意見和建議。本系列預(yù)設(shè)五講，本期為該系列講座第二講，歡迎廣大讀者積極參與討論與交流。

TQ 062+2

A

2095-817X（2017）05-0059-006

2017-09-02

王儉（1972—），女，高級(jí)工程師，長期從事石油化工設(shè)計(jì)和技術(shù)開發(fā)工作。