3.5　精餾操作的節(jié)能優(yōu)化技術(shù)

分離過程是過程工業(yè)中耗能很大的操作，所有分離過程都需要以熱和（或）功的形式加入能量，其能量費用與設(shè)備折舊費相比，前者占首要地位。由于世界能源日趨緊張，過程節(jié)能問題顯得越來越重要，因此，確定完成一個所需的理論最小能量，尋求接近此極限的實際過程或減少使用昂貴能量的實際過程是很有意義的。

3.5.1　精餾過程的熱力學(xué)不可逆性

分離過程所需最小功是由原料和產(chǎn)物的組成、溫度、壓力所決定的。要提高熱力學(xué)效率只能采取措施降低過程的凈功消耗，使過程盡量接近可逆過程。精餾過程熱力學(xué)不可逆性主要由以下原因引起：a.通過一定壓力梯度的動量傳遞；b.通過一定溫度梯度的熱量傳遞或不同溫度物流的直接混合；c.通過一定濃度梯度的質(zhì)量傳遞或者不同化學(xué)位物流的直接混合。可見，如果降低流體流動過程產(chǎn)生的壓力降，減少傳熱過程的溫度差，減少傳質(zhì)過程的兩相濃度與平衡濃度的差別，都將使精餾過程的凈功消耗降低。

在精餾塔中上升蒸汽通過塔板產(chǎn)生壓力降，塔板數(shù)較多時，壓力降也較大。對板式塔而言，減低氣速、降低每塊塔板上的液層高度都可減小壓力降。然而，降低氣速意味著在同等生產(chǎn)能力下需增大塔徑，即增加投資。降低塔板上的液層高度會使塔板效率降低。所以，必須根據(jù)各種影響因素選擇合適的塔徑和液層高度。此外，改變板式塔為高效填料塔也是提高生產(chǎn)能力、降低壓力降的主要途徑。例如，30×10⁴t/a乙烯裝置的脫甲烷塔由浮閥塔改成Intalox填料塔，壓降由42kPa降至12kPa。負(fù)荷提高10%后塔的壓降僅為12.3kPa。

在精餾過程中，再沸器和冷凝器分別以一定的溫差加入和移走熱量。若使傳熱溫差減小，則傳熱面積需增大，而這又會使投資費用增大，因此，要選用高效換熱器及改進(jìn)操作方式，例如采用降膜式再沸器、熱虹吸式再沸器或強制循環(huán)式換熱器等。另外，如果冷凝器冷卻水溫度過低，凈功消耗必定增加，故從冷凝器中釋放熱量的回收利用也是精餾過程降低凈功消耗的一個重要方面。

進(jìn)出每塊塔板的氣液相在組成與溫度上的相互不平衡是使精餾過程熱力學(xué)效率下降的重要因素。由下一塊塔板上升的蒸汽與上一塊塔板下降的液體相比較，溫度要高些，易揮發(fā)組分的含量小于與下降液體成平衡時之?dāng)?shù)值。要降低凈功消耗就必須減小各板傳熱和傳質(zhì)的推動力。這可以歸結(jié)為應(yīng)盡量使操作線與平衡線相接近。可用圖3-18來討論這個情況。

圖3-18（a）代表在大于最小回流比下操作的一般二元精餾。進(jìn)入任一板上的液體與蒸汽間的傳熱推動力和傳質(zhì)推動力將因操作線向平衡線靠攏而減小。圖3-18（b）代表最小回流比時的情況。此時，精餾段操作線和提餾段操作線都已經(jīng)和平衡線相交。最小回流比下操作所需的凈功當(dāng)然小于較大回流比下的數(shù)值。但由圖3-18（b）可以看出，即使在最小回流比下操作，除了在進(jìn)料板附近處，其他各板仍有較大的傳熱和傳質(zhì)推動力。如果將操作線分成不同的幾段，就可以減小這些板上的熱力學(xué)不可逆性。

圖3-18（c）是將精餾段操作線和提餾段操作線各分為兩段時的情況。此時在精餾段用了兩個不同的回流比，上一段的回流比小于下一段的回流比。這相當(dāng)于在精餾段中間加了一個冷凝器，在提餾段中間加了一個再沸器。在加料板處的氣液流率，圖3-18（c）和圖3-18（b）的情況是一樣的，故圖3-18（b）所示的塔頂冷凝器負(fù)荷必為圖3-18（c）所示的即兩個冷凝器負(fù)荷之總和。再沸器負(fù)荷的情況也類似。所以，圖3-18（c）與圖3-18（b）相比，其熱力學(xué)效率得以增大并不是由于總熱量消耗減少，而是由于所用熱量的品質(zhì)不同。中間再沸器所加入的熱量，其溫度低于塔底再沸器所加入熱量的溫度；由中間冷凝器引出的熱量，其溫度高于由塔頂冷凝器所引出熱量的溫度。

圖3-18（d）是圖3-18（c） 的進(jìn)一步延伸，操作線與平衡線已完全重合，即所謂“可逆精餾”。要達(dá)到圖3-18（d）這樣的情況，就要有無限多個平衡級，無限多個中間再沸器和中間冷凝器。此時，精餾段的回流量是越往下越大，提餾段的蒸汽上升量是越往上越大，塔徑應(yīng)是兩頭大、中間小。當(dāng)然，實際上不可能使用“可逆精餾”，它只代表一種極限情況。

3.5.2　多效精餾

采用雙效或多效精餾是充分利用能級的一個辦法。其原理如同多效蒸發(fā)，即采用壓力依次降低的若干個精餾塔串聯(lián)流程，前一精餾塔塔頂蒸汽用作后一精餾塔再沸器的加熱介質(zhì)。這樣，除兩端精餾塔外，中間精餾裝置可不必從外界引入加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)。多效精餾操作的基本方式如圖3-19所示。不論采用哪種方式，其精餾操作所需的熱量與單塔精餾相比較，都可以減少30%～40%。而塔壓、液體及蒸汽流動組合方式的確定與分離物系的相對揮發(fā)度、進(jìn)料中低沸點組分和高沸點組分的相對比例、進(jìn)料狀態(tài)以及熱源蒸汽壓力和冷卻介質(zhì)的溫度等有關(guān)。

甲醇-水體系的逆流雙效精餾法如圖3-20所示。在該流程中，只向低壓塔進(jìn)料，把低壓塔釜液作為高壓塔的進(jìn)料，高壓塔釜排放廢水。采用蒸汽和液體逆流方式的雙效精餾工藝，根據(jù)物料衡算，低壓塔塔釜約含50%甲醇，因此低壓塔塔釜溫度比純水時低。所以，作為低壓塔加熱源的高壓塔蒸汽溫度就可以降低，高壓塔可以在比較低的壓力下操作。

3.5.3　低溫精餾的熱源

對于組分沸點差較小的低溫精餾系統(tǒng)，熱泵流程是一種有效的提高熱力學(xué)效率的手段。它的原理是使用膨脹閥和壓縮機來改變冷凝（或沸騰）溫度，將塔頂蒸汽絕熱壓縮后升溫，重新作為再沸器的熱源，把再沸器中的液體部分汽化。而壓縮氣體本身冷凝成液體，經(jīng)節(jié)流閥后一部分作為塔頂產(chǎn)品抽出，另一部分作為塔頂回流液，使冷凝器中放出的熱量用作再沸器中加熱所需的熱量。這樣，除開工階段外，可基本上不向再沸器提供另外的熱源，節(jié)能效果十分顯著。應(yīng)用此法雖然要增加熱泵系統(tǒng)的設(shè)備費，但一般兩年內(nèi)可用節(jié)能省下的費用收回增加的投資。當(dāng)冷凝器和再沸器不相匹配時，可用輔助冷凝器和再沸器。常用的熱泵流程有三種。

（1）用外部制冷劑的熱泵

將外部制冷劑用于塔頂冷凝器和再沸器所構(gòu)成的封閉循環(huán)中，冷凝器作為制冷劑的蒸發(fā)器，再沸器作為制冷劑的冷凝器。圖3-21為該熱泵循環(huán)用于分離丙烯-丙烷系統(tǒng)的流程。用丙烷作為外部制冷劑，使它在1.67℃下蒸發(fā)，并在43.33℃下冷凝，可使冷凝器和再沸器所需的熱負(fù)荷完全匹配。因此不用冷卻水和加熱蒸汽，只耗電1173kW（假定制冷劑的壓縮過程是等熵的）。

（2）壓縮塔頂蒸汽的熱泵

當(dāng)餾出物是一種好的制冷劑時，塔頂蒸汽被壓縮，使它的冷凝溫度（35℃）高于塔底產(chǎn)物沸點（16℃），冷凝放出的熱量用于再沸器。離開再沸器的冷凝液通過一個膨脹閥，閃蒸到塔頂壓力，以提供回流和餾出產(chǎn)品。過剩的蒸汽再循環(huán)進(jìn)入壓縮機。此方案常被稱為蒸汽再壓縮。圖3-22給出此類熱泵在丙烯-丙烷分離中的應(yīng)用。由于壓縮到1482kPa的塔頂蒸汽不足以提供再沸器所需的全部熱量，所以標(biāo)出了一個輔助的蒸汽加熱再沸器。

（3）用再沸器液體閃蒸的熱泵

當(dāng)塔底產(chǎn)品是一種好的制冷劑時，塔釜液通過膨脹閥閃蒸到相應(yīng)于餾出物飽和溫度的壓力。塔頂分凝器又起再沸器的雙重作用，在分凝器中生成的蒸汽在進(jìn)塔前被再壓縮到塔底壓力。圖3-23為該熱泵系統(tǒng)在丙烯-丙烷分離中的應(yīng)用。將釜液閃蒸到496kPa壓力，用它來除去冷凝器中所需的熱量。在等熵壓縮中，加入的額外熱不足以彌補再沸器和冷凝器負(fù)荷上的差別，故需要一個輔助的蒸汽加熱再沸器。

以上三種丙烯-丙烷分離流程的熱力學(xué)效率比較列于表3-5。分析表中數(shù)據(jù)可見，三種熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)效率均高于普通低溫精餾，其中用再沸器液體閃蒸的熱泵具有最高的熱力學(xué)效率。

3.5.4　設(shè)置中間冷凝器和中間再沸器

在普通精餾塔中，熱量從溫度最高的再沸器加入，從溫度最低的塔頂冷凝器移出。因此，凈功消耗大，熱力學(xué)效率很低。加熱和冷卻的費用也隨釜溫的升高和頂溫的降低而升高。若采用中等溫度下操作的中間再沸器和中間冷凝器，可以使操作向可逆精餾的方向趨近，減少凈功消耗。同時可節(jié)省和回收較高品位的熱能，特別適合于塔頂、塔釜有較大溫差的情況。若中間冷凝器和中間再沸器之間加一個熱泵，則可獲得進(jìn)一步的改進(jìn)。圖3-24表示出了上述兩種情況的流程。

由Mah，Nicholas和Wodnik評價和開發(fā)的SRV精餾是產(chǎn)生二次回流和再沸的另一種方法。在圖3-25所示的方案中，精餾段的操作壓力高于提餾段，此壓差可導(dǎo)致足夠的溫差，致使精餾段和提餾段的一對塔板之間能進(jìn)行希望的熱交換。沿全塔布置的換熱元件能大大降低塔頂冷凝器和塔底再沸器的負(fù)荷。這樣，液相回流量在精餾段中自上而下穩(wěn)定地增加，而蒸汽流率在提餾段中自下而上穩(wěn)定地增加。對于沸點相近的混合物的冷凍分離，SRV精餾可以減少公用費用，所以它很有吸引力。

降低精餾過程能耗的途徑是多種多樣的，無論采用哪一種措施，均能獲得一定程度的節(jié)能效果，但最終評價的準(zhǔn)則是經(jīng)濟效益。在大多數(shù)情況下，精餾過程采取節(jié)能措施可使操作費用減少，但需要的節(jié)能裝置將使設(shè)備投資費用增加，而且往往使操作變得更復(fù)雜，并要求提高控制水平。因此降低精餾過程的能耗與相應(yīng)的最大經(jīng)濟效益之間有一最佳節(jié)能點。應(yīng)該說，最大限度節(jié)能不一定是最經(jīng)濟的，應(yīng)尋求最優(yōu)條件。實際生產(chǎn)中精餾過程是整個生產(chǎn)過程的一個組成部分，因此要對整個生產(chǎn)過程的節(jié)能狀態(tài)進(jìn)行分析，對精餾過程而言可能不是最佳點，但對全過程節(jié)能有利，因此，必須就整個過程加以權(quán)衡。