精餾塔控制和節(jié)能優(yōu)化路徑探究

李小剛

(山東斯瑞藥業(yè)有限公司，山東 菏澤 274100)

0 引言

精餾塔作為現(xiàn)代化工產(chǎn)業(yè)的主要能耗大戶，具備發(fā)展成熟度高、操作穩(wěn)定性好、彈性變化大等諸多優(yōu)勢，在化工生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用，但精餾塔在應(yīng)用過程中存在著裝置簡單、設(shè)備能耗較大等諸多缺點(diǎn)。在現(xiàn)代各類精細(xì)化工品生產(chǎn)過程中，精餾塔都是企業(yè)內(nèi)部能源消耗比重較大的關(guān)鍵一環(huán)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，化工生產(chǎn)企業(yè)60%的能源消耗在精餾過程中，且現(xiàn)階段精餾塔設(shè)備為了保障后期產(chǎn)品質(zhì)量合規(guī)，往往以較為保守的操作方式，確保分離過程可控可管理，造成了能源資源的浪費(fèi)。因此，精餾塔控制和節(jié)能優(yōu)路徑的研究分析，也就具備重要價值與意義。

1 精餾及精餾塔設(shè)計

化工產(chǎn)業(yè)的精餾過程，主要是利用化學(xué)混合物中的不同成分在不同的條件下會揮發(fā)，同時在汽化后也會存在著一定的差異，進(jìn)而對其具體設(shè)計形式有不同要求，利用該原理能夠通過氣相或者是液相回流的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，使化學(xué)混合物中的不同成分經(jīng)過分相作用得到收集和利用。也就是說，根據(jù)化學(xué)混合物成分類別的差異，以揮發(fā)性為劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同性質(zhì)的化合物不同的揮發(fā)溫度、濕度或者其他條件等設(shè)置分離過程，就被稱為精餾過程。在化學(xué)物質(zhì)的精餾處理階段，一定質(zhì)量的物質(zhì)的傳質(zhì)和傳熱過程是同步完成的，如圖1所示，即為化學(xué)精餾過程原理示意圖[1]。

圖1 化學(xué)精餾過程原理示意圖

精餾塔是化學(xué)精餾過程的重要基礎(chǔ)，其設(shè)計主要包括了塔板設(shè)計、填料處理設(shè)計和其他方面設(shè)計三方面內(nèi)容，其中，精餾塔塔板設(shè)計隨著近代工業(yè)技術(shù)的不斷優(yōu)化而逐漸將其中的耗能模塊或者低質(zhì)低效模塊去除，上述對精餾塔塔板部分的改變，直接轉(zhuǎn)換了傳統(tǒng)精餾過程中塔板的預(yù)設(shè)計和預(yù)處理方式，使塔板能夠在上述設(shè)計模式下提升精餾效率，進(jìn)而直接促進(jìn)精餾塔生產(chǎn)效率的提升。借助板塊平面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最大程度提高精餾塔塔板的傳質(zhì)效率。此外，在化學(xué)工業(yè)品的精餾處理過程中，為了最大限度促使精餾塔塔板效率的提升，操作人員可以在操作過程中適當(dāng)增加彈性，必要時為資源或工具設(shè)置冗余[2]，從而達(dá)到節(jié)能增效和降低精餾過程成本的目的。

在精餾塔的填料處理過程中，由于精餾塔中添加的材料質(zhì)量不合格，很可能導(dǎo)致整個精餾過程效率和效果大打折扣，嚴(yán)重的甚至?xí)M(jìn)一步損壞已有的設(shè)備，造成參數(shù)信息被破壞。因此有必要對精餾塔填料部分進(jìn)行深度分析和優(yōu)化處理，以精餾塔填料的深度研究，杜絕放料過程中可能出現(xiàn)的各式各樣的故障。在化學(xué)精餾塔的設(shè)計階段，精餾塔填料處理模塊本身具備壓降較小和通量較大的特質(zhì)，能夠借助較少的資源利用實現(xiàn)較大的處理流量，進(jìn)而保障化學(xué)精餾過程質(zhì)效的提升。而在化學(xué)精餾塔的設(shè)計階段，其填料部分設(shè)計能夠以網(wǎng)孔材料為支撐，結(jié)合現(xiàn)階段化合物精餾過程、化工產(chǎn)業(yè)供應(yīng)過程和精餾塔設(shè)計鏈等綜合考慮和設(shè)計處理，促進(jìn)精餾塔負(fù)荷承載能力的提升，也為精餾塔的高效節(jié)能提供支持。

精餾塔的預(yù)設(shè)過程中能夠通過混合塔板和填料處理口處理過程分析，使塔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計符合整體優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建以多個進(jìn)料口為基礎(chǔ)的精餾塔操作體系，還能夠支持化學(xué)精餾過程選擇多樣化的更適宜和更科學(xué)的計量方式，嚴(yán)格掌控精餾過程進(jìn)料速度、進(jìn)料質(zhì)效等進(jìn)料要求，便于對化學(xué)精餾過程的雙向選擇及優(yōu)化。

2 精餾塔設(shè)備節(jié)能設(shè)計要點(diǎn)

在精餾塔設(shè)備的節(jié)能設(shè)計過程中，由于不同處理階段都能夠按照其預(yù)設(shè)和實際目標(biāo)落實，因此，在保證精餾塔各環(huán)節(jié)設(shè)計合理性和有效性的基礎(chǔ)上，能夠通過精餾塔節(jié)能設(shè)計要點(diǎn)的分析，不斷促進(jìn)其節(jié)能效果的優(yōu)化。精餾塔節(jié)能設(shè)計要點(diǎn)主要可分為合理利用熱集成工藝、分壁精餾處理以及精餾塔耦合設(shè)計等諸多方面，以其中的合理利用熱集成工藝為例進(jìn)行分析可知，由于熱集成化工工業(yè)生產(chǎn)形式具備明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，能夠通過精餾塔塔頂交替的形式對其原材料進(jìn)行處理，該類工藝在冷凝操作過程中并不需要添加額外的冷卻劑，就能夠通過預(yù)熱后的材料進(jìn)行快速分離處理，降低了整個精餾過程難度，使其加熱的幅度大幅度降低，從而使精餾塔的工藝過程熱集成擴(kuò)大，使變壓精餾傳遞參數(shù)對比值能夠得到較大程度的提升，確保在后續(xù)操作階段使精餾塔的操作過程能夠通過正壓精餾、負(fù)壓精餾等諸多操作方式變壓處理，確保其具體操作過程能采取熱處理結(jié)構(gòu)達(dá)到理想的節(jié)能效果[3]。

此外，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，精餾塔設(shè)備的節(jié)能逐步朝著控制精確優(yōu)化和提升上進(jìn)步，集中在線性多變量控制技術(shù)的開發(fā)利用和研究中，借助控制預(yù)測和控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化等諸多方面內(nèi)容確保效率的優(yōu)化和提升，同時在非線性控制技術(shù)的精餾塔智能化和數(shù)字化控制方面也有所進(jìn)步。此外，大數(shù)據(jù)信息技術(shù)的進(jìn)步，使精餾塔內(nèi)部控制逐步朝著注入Delta Distillation PAC Package 等數(shù)字化軟件裝置邁進(jìn)，利用數(shù)字信息技術(shù)的全過程監(jiān)管作用，實現(xiàn)對蒸餾塔內(nèi)部空間的優(yōu)化，還能夠借助數(shù)字信息技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)蒸餾塔內(nèi)部空間預(yù)測控制精確的提高。在蒸餾塔內(nèi)部工藝流程的優(yōu)化方面，使用物料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的智能控制和應(yīng)用也得到了較大的支持，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和模型的逐步成熟，使得蒸餾塔內(nèi)部空間的增益預(yù)測方法使用范圍進(jìn)一步拓寬。

在近年來的蒸餾塔設(shè)備制造和生產(chǎn)技術(shù)上，精餾塔控制性能優(yōu)化和提升，逐步朝著精餾塔兩端組分控制以及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的方向邁進(jìn)，借助組分的實時監(jiān)測裝置，實現(xiàn)監(jiān)測過程中的聯(lián)動，使化學(xué)蒸餾過程的操作人員能夠?qū)⒏嗟臅r間應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化上。

3 節(jié)能優(yōu)化方案

3.1 進(jìn)料溫度與位置

進(jìn)料溫度和進(jìn)料位置是精餾塔節(jié)能控制過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在精餾塔的過程中，其分離動力主要來自于重沸器的熱量，但該熱量在整個精餾塔的上部和下部之間的分布并不均勻，與其側(cè)線產(chǎn)出和進(jìn)料的實際操作工作過程存在較強(qiáng)相關(guān)性。從精餾塔的氣液量來講，精餾塔塔底相較于塔頂?shù)臒崃扛螅虼?，通常情況下的精餾塔內(nèi)部空間反液過程較為明顯，很容易因此產(chǎn)生不良影響。當(dāng)精餾塔內(nèi)部進(jìn)料條件選擇為冷態(tài)方式進(jìn)料輸送時，精餾塔內(nèi)置的重沸器要求有更多的熱量供給，借助塔底氣液量的增加，確保整個精餾塔內(nèi)部空間處于高能量狀態(tài)，進(jìn)而能夠在分離狀態(tài)下實現(xiàn)熱量的正常傳遞，確保精餾塔系統(tǒng)進(jìn)料溫度呈現(xiàn)遞增趨勢，確保精餾塔內(nèi)部重沸器模塊的熱負(fù)荷參數(shù)呈現(xiàn)相對減少趨勢。

原材料的進(jìn)料位置確定往往需要先確定理論板數(shù)和操作工藝條件，在既定條件下將原材料進(jìn)料口設(shè)置在最高位置，使具備分離能力的進(jìn)料口位置需要的理論板數(shù)量最少，此時要盡可能地保證精餾塔進(jìn)料口和塔底位置的溫度趨同，規(guī)避進(jìn)料口位置選擇不當(dāng)造成的能量耗費(fèi)。當(dāng)精餾塔進(jìn)料位置標(biāo)高參數(shù)高于最佳進(jìn)料口位置時，進(jìn)料板儲存的小質(zhì)量的組分質(zhì)量會高于最佳進(jìn)料口位置時的小質(zhì)量組分，其大質(zhì)量組分混合物會比最佳進(jìn)料口位置得到的參數(shù)更低，在此條件下，進(jìn)料口位置變換能夠?qū)崿F(xiàn)精餾過程塔板數(shù)減少的目的，也就相當(dāng)于直接增加了塔板停留段的個數(shù)，最終使整個精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量不會出現(xiàn)大幅度的降低，也能夠讓大質(zhì)量組分的混合物質(zhì)量優(yōu)化快速提高。

當(dāng)精餾塔進(jìn)料位置標(biāo)高參數(shù)低于最佳進(jìn)料口位置時，進(jìn)料板儲存的小質(zhì)量的組分質(zhì)量會低于最佳進(jìn)料口位置時的小質(zhì)量組分，其大質(zhì)量組分混合物會比最佳進(jìn)料口位置得到的參數(shù)更高，在此條件下，進(jìn)料口位置變換能夠?qū)崿F(xiàn)精餾過程塔板數(shù)增加的目的，也就相當(dāng)于直接減少了塔板停留段的個數(shù)，最終使整個精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)大幅度的降低，也能夠讓大質(zhì)量組分的混合物質(zhì)量優(yōu)化快速提高[4]，因此，一般情況下要想確定精餾塔進(jìn)料位置，就必須根據(jù)化合物的物料組成成分選擇適宜的進(jìn)料位置，使整個精餾塔的塔板組成和進(jìn)料組成成分相近，避免引起兩者之間不相混的混返現(xiàn)象而降低塔板的作用。

3.2 最佳回流比

就最佳回流比設(shè)計而言，在設(shè)計精餾塔的過程中，一旦精餾塔參數(shù)設(shè)計的相對較小時，很容易造成較高參數(shù)的回流比，上述設(shè)計方法在實際操作過程中并不會降低混合物的分離效果，反而會提高整個化合物的產(chǎn)品純度，也會給以后精餾塔的操作負(fù)荷留下較大的提升空間。但根據(jù)如圖2所示回流比和費(fèi)用關(guān)系示意圖可知，要維持精餾塔的正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程，就需要提高整個精餾塔的回流比參數(shù)，此時會使能量資源存在著較大浪費(fèi)，不利于整個精餾塔操作過程的節(jié)能環(huán)保。因此，精餾塔回流比參數(shù)越小，需要對應(yīng)設(shè)置的精餾塔塔板數(shù)量就會增大，顯然會使精餾塔的設(shè)備塔板數(shù)增多。但該數(shù)量不可能無限制地增大，否則就會導(dǎo)致整個精餾塔的設(shè)備費(fèi)用出現(xiàn)較大幅度的增長，占據(jù)過多的投資金額，呈現(xiàn)出不經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。當(dāng)回流比增大時，整個精餾塔的設(shè)備費(fèi)用將會明顯降低，一旦超過某一臨界值參數(shù)，將會增加精餾塔塔底重沸器和塔頂冷凝器的工作負(fù)荷，使其綜合設(shè)備的利用效率降低。也就是說，在化學(xué)精餾過程中回流比的取得值不能過大也不能過小，應(yīng)該取其中間值，以促進(jìn)最佳回流狀態(tài)的呈現(xiàn)。

圖2 回流比和費(fèi)用關(guān)系示意圖

3.3 精餾塔內(nèi)件選擇

精餾塔內(nèi)件的選擇也是化學(xué)精餾的重要途徑之一，精餾塔作為精餾裝置主要采取塔式的混合接觸的設(shè)計方式，包括了填料塔和板式塔兩大部分，其中，板式塔的內(nèi)件選擇主要用于氣體和液體、液體和液體之間接觸分離的傳質(zhì)設(shè)備，一般情況下包括了塔體和塔板兩大部分，塔板主要是根據(jù)一定的間距水平在精餾塔的塔內(nèi)設(shè)置，而根據(jù)其塔板中傳質(zhì)的重要功能設(shè)置，塔板是影響整個精餾塔能量消耗的最主要部件，對其內(nèi)件的選擇將會使整個精餾塔板式塔部分的能源消耗快速降低。一般而言，塔板部分均勻布設(shè)一定數(shù)量的通道，上述通道作為氣體從下到上穿過上層液體之間的路徑通道，能夠保證不同相態(tài)的介質(zhì)進(jìn)行充分的反應(yīng)，而氣體通道具備不同的形式，直接決定著板式塔的性能，也就能夠區(qū)分精餾塔的具體類別。在評價精餾塔塔板的性能方面，主要可參考產(chǎn)能、效率、壓降、操作彈性和結(jié)構(gòu)五個部分，應(yīng)該盡可能地選擇能參數(shù)大、生產(chǎn)效率高、壓降參數(shù)小、操作過程彈性大、結(jié)構(gòu)設(shè)置較為簡單的塔板。在實際的工藝設(shè)計過程中，由于任意塔板都不可能無限制地滿足上述五個參數(shù)指標(biāo)要求，因此，往往需要針對化學(xué)精餾過程，根據(jù)不同的工藝選擇流程和參數(shù)，自行選擇更加適宜的操作過程。

作為填料塔的核心部件，填料設(shè)計有著不同做法，一般常用的是散堆填料和規(guī)整填料兩種，散堆填料主要由顆粒體組成，顆粒體呈現(xiàn)出不同的形狀、尺寸，散堆于一精餾塔內(nèi)部，規(guī)整的填料則是指相同的或者成塊的成規(guī)則型的結(jié)構(gòu)，以均勻和整齊規(guī)整的走向設(shè)計，能夠快速提升精餾塔的整體性能。此外，為了保障化學(xué)精餾過程能源資源的節(jié)約，還可以在填料塔內(nèi)部安裝分布器，該措施能夠直接提升填料過程的效率，使其料層頂部的液體分布更加均勻，從而減少液體不良分布所帶來的負(fù)面作用，提高液體之間的傳質(zhì)和傳熱接觸面，也就增加了整個精餾塔的工作效率，如圖3所示，即為甲醇精餾內(nèi)件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 甲醇精餾內(nèi)件結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

文章以精餾塔控制和節(jié)能優(yōu)化路徑為研究對象，在探究精餾原理及精餾塔設(shè)計的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了精餾塔設(shè)備節(jié)能設(shè)計要點(diǎn)，并進(jìn)一步對精餾塔設(shè)備節(jié)能設(shè)計方案進(jìn)行分析，論述了精餾塔設(shè)備節(jié)能設(shè)計要點(diǎn)，探究了精餾塔設(shè)計過程中的進(jìn)料溫度與位置、最佳回流比和精餾塔內(nèi)件選擇等諸多內(nèi)容，將為精餾塔設(shè)計優(yōu)化奠定更扎實的基礎(chǔ)。