浅谈精馏操作的节能优化措施

摘 要：通过精馏操作能耗现状分析，多方面提出和分析了精馏节能优化措施，并详细阐述其节能优势及推广价值与意义;同时，也对精馏节能优化措施进行了前景展望。

关键词：精馏;能量消耗;优化措施;热量损失;参数控制

随着石油化工行业的迅猛发展与产业结构的不断转型与扩大，精馏操作的应用也越来越广。精馏操作为石油化工生产中应用最为广泛的化工单元操作及分离过程之一，其技术成熟可靠、投资资本也相对较低，是一个较为复杂的集传质与传热于一体的分离过程，其过程变量多、被控变量多、可操纵变量多，过程动态变化和机理复杂，也是高能耗化工单元操作之一。寻求合理利用精馏自身产热和力求降低系统热能需求与减少系统热能损失的精馏操作将势在必行，也是企业寻求节能降耗的突破口与切入点之一，更是企业生存与发展的途径之一。

1 精馏操作的能量消耗现状分析

石油化工能量消耗在工业生产领域中占比最大，精馏分离操作又是石油化工行业的高能耗操作单元之一。在实际生产当中，分离物料的组分含量复杂多样，对分离产品的纯度要求也越来越高;为确保产品合格率，操作工的操作较为保守，操作方法及操作参数的设置欠优;精馏操作过程中，热量消耗的绝大部分并非用于组分的分离，而是被冷却水或分离组分所带走[1-2]。据统计，美国精馏过程能耗占全国能耗的3%，我国炼油厂消耗的原油占其炼油量8%～10%，其中很大一部分消耗于精馏过程[3]。结合精馏操作并从能量本质来看，精馏过程就是将物理有效能转化为扩散有效能，伴随有物理有效能的降低损失。精馏过程有效能损失是由流体流动压降、同浓度不平衡物流间的传质或不同浓度物流间的混合、不同温度物流间传热或不同温度物流间的混合等过程不可逆性所造成的[4-5]。精馏操作的节能发掘空间大、科研价值较高、其推广价值与意义非凡。

2 精馏操作工艺原理

精馏，是利用混合物中各组分挥发度不同而将各组分加以分离的一种分离过程;精馏操作通常在精馏塔中进行，气液两相通过逆流接触，进行相际传热传质。液相中的易挥发组分进入气相，气相中的难挥发组分转入液相，于是在塔顶可得到几乎纯的易挥发组分，塔底可得到几乎纯的难挥发组分。料液从塔的中部加入，进料口以上的塔段，把上升气体中易挥发组分进一步增浓，称为精馏段;进料口以下的塔段，从下降液体中提取易挥发组分，称为提馏段。从塔顶引出的气体经冷凝，一部分凝液作为回流液从塔顶返回精馏塔，其余馏出液即为塔顶产品。塔底引出的液体经再沸器部分气化，气体沿塔体上升，余下的液体作为塔底产品。塔顶回流入塔的液体量与塔顶产品量之比称为回流比，其大小会影响精馏操作的分离效果和能耗。

3 精馏操作节能优化措施分析

3.1 减少精馏系统的热量损失

精馏操作需要消耗大量热量，其热量消耗则通过通入塔釜再沸器的低压蒸汽所提供。通过在塔体和管道上安装一定厚度的保温层，确保保温层的有效完好，并及时做好保温层的维护保养，可以有效避免精馏系统装置暴露于大气环境引起热量辐射散热而造成系统内热量的损失，进而减少精馏系统低压蒸汽的使用量。

3.2 优化工艺参数控制

通过控制适宜的回流比、进料状态和进料温度，可以有效减少精馏系统自身对热量的需求。在不降低产品质量的情况下，降低回流量就可以降低塔釜再沸器的蒸汽消耗量;在进料温度不变的条件下，如果将进料状态由液态改变为氣态，就可以使操作线更接近于气液平衡线，提馏蒸汽的复合就会减小，再沸器的蒸汽消耗自然会减少;精馏塔的分离动力来源于塔釜再沸器的热量，塔釜再沸器的热量则由通入塔釜再沸器的低压蒸汽所提供，塔底的气液量较塔顶大的多，一切液泛都是从塔底开始的，当进料温度较低时，则给塔釜再沸器提供的热量就多，这会增加塔釜气液量，对应的蒸汽消耗也比较大，提高进料温度自然会减小塔釜再沸器的负荷。

3.3 采取高温物料直接进入精馏塔

高温物料直接进入精馏塔，一则节省了物料储存及再次输送的设备投资费用;二则减少了系统运行成本与消耗;其次节约了人员成本;最重要的是减少了物料在储存及再次输送环节造成热量损失，低温物料直接进入精馏塔会造成塔釜再沸器热量需求加大、塔釜气液量增加、系统蒸汽消耗量增大。

3.4 减压操作，增加组分间的相对挥发度，减少再沸器热负荷

减压精馏可降低混合物的泡点，从而降低分离温度。因此，可以减少塔釜再沸器使用低压蒸汽的消耗量，也可使用较低压力的加热蒸汽;特别是以水蒸气作为热源时，加热温度提高后，所需的饱和水蒸气压力需要提高得更多，这对设备和蒸汽源都提出了新的要求，同时也提高了分离能力。我们知道，被分离混合物之间的相对挥发度越大，越容易分离。在减压操作时，组分间的相对挥发度将增大，越容易分离。对于有毒物质的分离，采用减压精馏可防止剧毒物料的泄漏，减少对环境的污染，在保护人体健康方面是有一定的意义。

3.5 采用多效精馏技术

采用多效精馏技术，合理利用系统内产生的热量，也是精馏节能的重要优化措施之一。多效精馏，就是将上一级精馏塔塔顶冷凝器与下一级精馏塔塔釜再沸器合二为一，即将上一级精馏塔塔顶轻组分物料直接通入下一级精馏塔塔釜再沸器并作为热源，原理等同于多效蒸发;经研究表明，效数越多，节能效果越明显。

3.6 采用热耦精馏技术

采用热耦精馏技术，合理利用系统内产生的热量，也是精馏节能的重要优化措施之一。热耦精馏，就是利用一个全塔和一个副塔代替两个完整的精馏塔，从全塔内引出一股液相物流直接作为副塔塔顶的液相回流，引出一股气相物流直接作为副塔塔底的气相回流，实现热量的耦合，副塔则不再需要设置冷凝器和再沸器，即节省了设备投资费用，又可实现节能降耗。经研究表明，该技术可节能30%左右。

3.7 采用新型有效分离技术

通过采用高效导向筛板、板填复合塔板和新兴高效填料，改善和优化塔内流体流动压降、同浓度不平衡物流间的传质效果或不同浓度物流间的混合效果、不同温度物流间的传热效果或不同温度物流间的混合效果，使精馏塔全塔上下负荷尽量保持均匀，使精馏塔运行平稳，减少人员频繁调节操作，使精馏塔分离效果达到最佳工况，使精馏塔能量消耗达到最低水平。

3.8 采用空冷技术

石油化工行业内，用于精馏塔塔顶冷却器的循环水换热负荷占据生产系统的绝大部分，这对后续循环水场的运行也产生了一定负荷。将精馏塔塔顶循环水冷凝器更换为空气冷凝器，一则节省了设备投资费用;二则减少了系统运行成本与消耗;其次节约了人员成本;最重要的是降低了循环水场的工作负荷与运行成本，减少了生产系统内循环水的蒸发水量，有效节约了水资源。

4 结论

综上所述，精馏塔的节能优化措施与途径多种多样、各有千秋。不管采用哪种措施与途径，均会达到一定的预期节能效果，其最终评定将取决于经济效益分析。如何采取多元化的节能优化措施并集于一体，尽量不增加设备投资费用、不使操作变得更为复杂与苛刻、控制水平适当，也是为众人所期盼与追求的。纵然，精馏节约优化发掘空间大、科研价值高、其推广价值与意义非凡，但在应用节能优化措施时，必须综合权衡、采取最佳方案。

参考文献：

[1] SH N SKEY F G.Distillation Control[M].New York McGraw Hill，1984.

[2]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.

[3]王建忠，马文婵，王鹏辉.精馏过程的节能现状与对策[J].河北化工，2006，29（4）：27-30.

[4]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.

[5]张锋，马斌.精馏塔节能优化措施研究进展[J].广州化工， 2010，38（7）：47-48.

作者简介：

李彦（1977- ），男，甘肃武威人，学历：大学本科，职称：工程师，研究方向：冶金化工。