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(yùn)行的能耗程度取決于在精餾塔詳細(xì)設(shè)計過程中，對一系列設(shè)計問題進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，以達(dá)到降低能耗節(jié)約能源，本文主要從精餾塔的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計著手，包括改變進(jìn)料溫度和與位置，選擇回流比值與精餾塔內(nèi)件等。

節(jié)能；回流比值；精餾塔內(nèi)件；進(jìn)料溫度與位置

在現(xiàn)代各類精細(xì)化工品生產(chǎn)過程中，精餾裝置往往在煉化企業(yè)內(nèi)的能耗上占有很大的比重。據(jù)統(tǒng)計，一個煉化企業(yè)內(nèi)，能量的40%消耗在精餾過程[1]。目前，精餾裝置為了保證產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)過程中的重點控制工程，這也成為化工設(shè)計工作者所關(guān)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(xué)工業(yè)生產(chǎn)有非凡的意義。

1 進(jìn)料溫度與位置

1.1 進(jìn)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(fù)荷并不均勻，與側(cè)線采出與進(jìn)料工況有關(guān)[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(jìn)行。當(dāng)選擇冷態(tài)進(jìn)料時，就要求塔釜重沸器更多的熱量供應(yīng)，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(dāng)精餾系統(tǒng)的進(jìn)料溫度逐步升高，重沸器的熱負(fù)荷相應(yīng)減少。

1.2 進(jìn)料位置

進(jìn)料位置的選擇上，就需要提到最佳進(jìn)料位置。最佳進(jìn)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(jìn)料板位置或在同一操作條件下所需理論板數(shù)最少的進(jìn)料板位置[3]。最佳進(jìn)料口位置的選擇原則是應(yīng)該保持此進(jìn)料口位置與該精餾塔相應(yīng)位置的溫度接近。在進(jìn)料位置比最佳進(jìn)料位置高的情況下，則當(dāng)前狀態(tài)下進(jìn)料板液相組成中的小質(zhì)量組分會比最佳進(jìn)料位置下此板的液相組成的小質(zhì)量組分要高，同時大質(zhì)量組分相應(yīng)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(dāng)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(chǎn)品質(zhì)量會明顯下降，塔釜大質(zhì)量組分的質(zhì)量會提高。同理，在進(jìn)料位置比最佳進(jìn)料位置低時，則當(dāng)前狀態(tài)下的進(jìn)料板液相組成的小質(zhì)量組分會比最佳位置下該板的液相組成的小質(zhì)量組分要低，同時大質(zhì)量組分相應(yīng)會比最佳位置下液相組成要高，相比于最佳位置而言，相當(dāng)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(chǎn)品質(zhì)量會明顯提高，塔釜大質(zhì)量組分的質(zhì)量會下降。

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

2 最佳回流比

在以往的工程設(shè)計項目中，工程人員處于保守原則往往將塔設(shè)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(chǎn)需要造成影響，反而能提高產(chǎn)品純度，亦為以后提高塔的操作負(fù)荷留下空間。從而能明顯看出，若要維持塔的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須提高回流比，另一方面則會流失浪費(fèi)大量能量，回流比R與整體費(fèi)用的關(guān)系詳見圖1。

圖1 回流比R與費(fèi)用的關(guān)系

2.1 回流比R與操作費(fèi)用

操作費(fèi)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(fù)荷QB，另一部分則是精餾塔頂部冷卻器的熱負(fù)荷QC，以上兩者均隨著塔內(nèi)上升蒸汽量的增大而不斷增大。而精餾塔內(nèi)的蒸汽增量隨著R的升高而減小，關(guān)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(jìn)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(nèi)上升蒸汽的焓(摩爾)；

IW——塔底產(chǎn)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(chǎn)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(fèi)用。

2.2 回流比與設(shè)備費(fèi)用

回流比越小，對應(yīng)需要設(shè)置的塔板數(shù)量就會越大，顯然設(shè)備塔板數(shù)量不能過大，否則設(shè)備的費(fèi)用將會占據(jù)過大的投資額而顯得不經(jīng)濟(jì)；回流比越大，設(shè)備費(fèi)用明顯降低，但當(dāng)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(fù)荷，綜合設(shè)備費(fèi)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(lǐng)域的飛速發(fā)展，化學(xué)物質(zhì)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(nèi)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(shè)計，并且分為填料塔與板式塔。

3.1 板式塔內(nèi)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(zhì)設(shè)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(nèi)。由于其為板式塔中進(jìn)行傳質(zhì)的關(guān)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(shè)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(zhì)進(jìn)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(biāo)：產(chǎn)能大，效率高，壓降小，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡單。不過在實際工程設(shè)計中，任何一種塔板都不可能完全滿足上述的所有指標(biāo)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(jìn)行選擇。

3.2 填料塔內(nèi)件選擇

填料塔是化工企業(yè)中常見的氣液傳質(zhì)量設(shè)備之一，塔內(nèi)填料至一定高度，用以擴(kuò)大流體間的接觸面，由于其結(jié)構(gòu)簡單，日后的生產(chǎn)過程中便于檢修，所以在吸收、精餾、解吸等操作領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)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(nèi)。規(guī)整填料具有相同的、成塊的、規(guī)整的結(jié)構(gòu)。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(nèi)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(yīng)，提高傳質(zhì)傳熱的有效接觸面，進(jìn)一步而提高塔的效率。

4 總結(jié)

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(jīng)濟(jì)效益決定了對其的最終評價。往往操作費(fèi)用會隨著節(jié)能技術(shù)的采用而降低，但同時節(jié)能設(shè)備的增加則使得設(shè)備投資增加。從經(jīng)濟(jì)學(xué)上講，最大限度地節(jié)能并不能滿足經(jīng)濟(jì)性要求，而且節(jié)能措施往往涉及更為復(fù)雜、苛刻、要求較高的控制水平。所以在進(jìn)行決策時需要權(quán)衡節(jié)能成本與經(jīng)濟(jì)效益之間的關(guān)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(shè)計[J].化工設(shè)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(xiàn)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(shè)計工作。

TQ053.5

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