化工精馏技术的应用及节能研究

李慧敏， 焦 蓬

(阳泉煤业(集团)有限责任公司化工研究院，山西 太原 030021)

引 言

化工生产可以简单的分为三个阶段：1) 原料的预处理阶段；2) 原料在反应器内经催化剂催化生成产物的化学反应阶段；3) 反应产物分离提纯得到目的产物阶段。精馏操作在工业化的物料分离流程中有着普遍的应用。发展节能高效的精馏技术既有利于高纯度产品的分离提纯技术的提高，也有利于日常生产过程中的能源节能。

1 精馏技术的基本原理

精馏是根据混合液中不同物质间相对挥发度差异，将混合液中轻、重组分以物理手段进行分离的单元操作。在塔釜为混合液提供热源，塔顶为物料蒸汽提供冷媒，在精馏塔内部混合物料经过多次气液两相间的质量传递和能量传递，液相中的轻组分得到能量多次部分气化在塔顶得到高纯轻馏分产品，气相中的重组分释放能量多次部分冷凝在塔釜得到高纯重馏分产品[1]。

实际生产过程中根据操作方式的差异，可分为连续精馏和间歇精馏。大型、工业化、连续化生产项目大多用采用连续精馏，进出料的组成、流量固定，各指标(温度、压力)稳定，项目普遍自动化程度高，生产单位产品消耗的成本低。但是项目前期投资较大。中小规模生产多选用间歇精馏，物料间歇投入生产设备内，产品待停留时间满足且分析化验合格后一次性排出。这种精馏生产过程灵活、自动化程度低工人容易上手操作，但普遍存在单位时间内处理量小，能量耗大，单位产品消耗成本高的缺点。

常压精馏是精馏塔顶在常压及微正压条件下进行的精馏。常压精馏是最常见的精馏技术，该技术对设备的等级要求较低，精馏塔的配套设备相对较少，工艺流程相对简单，易于学习掌握。常见于精馏工序的前几个塔起到粗略分离的效果。

减压精馏是在负压条件下进行的精馏。其中真空度高的也叫真空精馏。在负压下，各组分的饱和蒸气压比正常情况会降低，相对挥发度会增大。减压精馏是借助液环真空泵、蒸汽喷射器等装置降低操作系统压力，使混合液各组分泡点降低，在负压下就沸腾，满足减压精馏的温度，能起到节约部分热量的目的。减压精馏多于分离沸点较高的混合物，热稳定性差易分解的混合物，高温易聚合的混合物。例如：乙二醇、植物中精油、香料的提纯就用到减压精馏。

加压精馏是在加压条件下进行的精馏。加压精馏常用于分离沸点较低的混合物料，如利用液体空气分离得到氧气和氮气的过程。煤制甲醇混合液沸点较低且易挥发，精馏工序采用加压精馏能提高精馏塔的处理能力，升高压力使物质沸点升高有利于冷媒的利用率。

2 影响精馏操作的主要因素

精馏系统操作其过程本身较为复杂，容易受到各种因素的影响。例如：精馏塔内温度分布梯度、塔顶塔釜的压力及塔内各段的压力降、进料量的大小、原料混合液以何种状态进塔、进料组成是否稳定、回流比大小等[2]。

塔釜热量，塔顶冷量的变化对精馏塔最直观的影响就是塔顶、塔釜压力立刻变化，进而影响精馏塔内各点温度分布梯度。当出现各测点温度升高，回流罐的温度升高，那么塔顶产品中重组分的杂质含量增加，需要增大回流量给精馏塔降温至正常工艺指标。塔内各点压力与该点温度呈现对应关系。

最小回流比由实际塔板数确定。实际操作中的回流比都大于最小回流比。大回流比利于产物纯度的提高，但是热能、电能、冷却水的消耗量也显著增加。低回流比在产品合格的前提下往往是最具经济性的。实际生产过程中往往需要折中考虑，找出最佳的平衡点。

3 精馏操作的要点

精馏塔的日常操作应重点把握好三个平衡：物料平衡、气液平衡、热量平衡。

物料平衡能反映出精馏塔在单位时间内处理混合液的能力。

气液平衡是实现精馏操作的基础。塔内温度、压力保持稳定的状态，才能确定气液相的平衡组成。整个精馏塔塔气液相的平衡是依靠每层塔板上的气液两相传质传热实现的。气液平衡与物料平衡有着密切关联。

热量平衡是实现物料平衡和气液平衡的根本前提。失去塔釜的的热源，塔釜物料就没有气化并沿精馏塔逐层上升的动力。失去塔顶的冷源，塔顶蒸汽无法有效冷却成回流液，精馏过程就无法实现[3]。

掌握好以上三个平衡是精馏操作技能成熟的关键。三个平衡间是相互影响，相互制约的。实际操作工程中以控制物料平衡变化为主线，与之对对应的调节热量平衡，进而达到每层塔板内气液平衡得到合格产品的目的。

4 节能高效精馏技术的开发应用

4.1 分级换热节能技术

传统精馏技术热量集中在底部提供，冷媒集中在顶部提供。物料在塔釜停留时间较长，温度上升缓慢，热量损比较失大。采用分级换热措施能提高精馏过程中能量的利用率。增加精馏塔对温度变化的反应能力，避免塔顶、塔釜之间出现过大的温差。也能进一步降低塔顶冷媒的使用量。

4.2 塔系热集成技术

适用于多塔精馏的工艺流程。在设备布置过程中选择合理坐标将多个精馏塔的塔釜集中建设。配以性能优良的保温隔热材料。这样能大大降低各精馏塔釜向周围环境的热量损失，显著提高热量的利用效率。

4.3 多效精馏技术

利用温度较高的轻组分为温度较低的重组分交叉换热回收热量，实现热量的多重高效利用。实际操作中往往能以加压塔塔顶轻组分做为热源向常(减)压塔塔釜提供热量。热量多次分级利用。

5 高效节能精馏技术的应用前景

化工项目本身就是能源的消耗大户，相当一大块能源的消耗就发生在物质分离的精馏阶段。发展高效节能的精馏技术在提高煤化工，石油化工领域的生产效率、节能减排方面有非常重要的意义。影响精馏的因素较多，精馏过程较为复杂，彻底掌握，需要扎实的专业理论基础和实际操作经验相结合。可以从培养专业高素质的技术人员入手，国家、行业建立标准化规范的工业装置使用体系一步步推广高效节能精馏技术的使用范围。随着科学技术的不断进步，高纯度物质的分离提纯对精馏技术的要求也将进一步提高。研发高效节能的精馏技术必将是未来化工技术领域的一大新课题。