精馏塔控制和节能优化研究

精馏塔控制和节能优化研究

刘明

中石化股份有限公司天津分公司化工部  天津市 300450

摘要：在精馏过程中，为了确保最终产品能够达到质量标准，大多数员工的操作过于保守。同时，企业选择的运行模式和运行参数也缺乏合理性，经常出现过度分离现象。精馏过程中的大部分能源被冷却水和分离的组分带走。因此，我们应该深入探讨如何降低精馏过程中的能耗，并将其应用到实际的化工行业中，这对石化行业的发展起到重要的积极作用。

关键词：精馏塔控制；节能；优化措施

1精馏原理

精馏指的是通过将特定浓度的溶液置入精馏设备之内，从而令其持续进行部分冷凝与汽化，最终在精馏塔的顶部与底部取得预期产品的一项操作流程。在进行精馏活动时，需要使用的设备主要包括精馏塔、冷凝器、再沸器、回流罐与回流泵。而连续精馏装置的运作原理是，通过进料泵把溶液输入至精馏塔以内，因为溶液的液体沸点存在差异性，可依据沸点的高低将其进行分组，其中沸点较低的一组由于容易挥发的原因，可能会发生汽化并不断向上升腾；而沸点较高的一组则由于无法挥发而逐渐向下流淌，同时和另一组溶液形成的蒸汽在塔板进行接触。

在压力不变的情况下，如果针对一组溶液进行不断的加热，温度不会发生变动，然而若是在混合溶液沸腾之后进行加热，那么溶液的温度便会出现显著变动。在压力不变的情况下，溶液的组分状况和气相平衡之间存在着极为紧密的关联性，同时组分的浓度和沸点之间也存在着正相关性，若沸点提升则浓度也会取得相应的增长，平衡稳定也将随之提升，和一些纯物质不同，混合溶液的液相和气相都处于在平衡条件下的温度存在差异。在一组沸点较高的溶液进入釜液泵之后，便会转变为塔底产品，同时沸点相对较低的液体便会转变为塔顶产品，通过上述两项操作的结合，便能把混合溶液中存在的液体进行有效的分离，以此来取得两种不同的产品。

通过精馏的手段，能对混合液体进行处理，依据其沸点的高低，依靠精馏装置实现汽化与冷凝，并通过这两种手段将其区分。与此同时，溶液在发生冷凝与汽化反应时，分别会放出与吸收周边环境中存在的热量，所以精馏装置应当分别设置再沸器与冷凝器等设施，来为其进行辅助，以此来确保精馏装置能够完整运行，最终在精馏塔的顶部与底部取得预期的产品。

2精馏塔控制和节能优化策略

2.1夹点技术

夹点技术(PinchTechnology)于1978年由英国的BodoLinnhoff首次提出，现已发展成为一种过程工业的能量集成技术，是石化行业的一个重要节能手段。我国学者娄强昆于80年代将夹点分析引入精馏系统，并给出了过程热集成的方法和应用范围。

所谓的夹点，即：将过程中的冷、热物流分别组合起来构造成冷、热物流的能流总组合曲线，两曲线纵坐标最靠近的位置称之为夹点。夹点的确定方法主要有T-H图法和问题表格法。热物流与冷物流的夹点温度的差ΔTmin为该体系允许的最小传热温差，并且ΔTmin决定了系统的最大热回收量。夹点将过程分为了冷端和热端，根据其能量特点，应用夹点技术设计或改造换热网络时需要遵循三个规则：夹点以上不应设置任何公用工程冷却器；夹点以下不应设置任何公用工程加热器；不应有跨越夹点的传热。

夹点分析目前已经广泛地应用于过程热回收系统的设计和优化，比如：用水网络优化设计、CO2捕集工艺等等。在炼油、化工精馏领域应用夹点技术设计和改造的项目非常多，并且取得了不错的效果。在设计甲醇五塔精馏流程时结合夹点分析，通过在常压精馏塔设置中间再沸器回收了双效精馏体系过程的低温余热，减少了低压蒸汽的用量，降低能耗；尚建龙等人应用夹点技术，消除了过程中违背夹点规则的换热，并对焦化装置的分馏塔与吸收稳定系统的换热网络做了进一步的优化改造，最终使得年能耗降低11.89×104GJ，年增经济效益457.7万元。

2.2逆流双效技术的应用

双效或多效精馏即在两个或多个有一定压力梯度的精馏塔之间利用高压塔顶的蒸汽冷凝潜热为低压塔塔底再沸器提供热源的一种热耦合技术，全程只有两端的精馏塔的冷凝器和再沸器需要使用冷、热公用工程，具有良好的节能效果。按物料流向与压力梯度的方向之间的关系，可将双效精馏分为并流双效、顺流双效和逆流双效。针对甲醇精馏体系的特点进行分析，相比经典的甲醇三塔顺流双效流程，逆流双效更有利于节约能耗、降低投资。这是因为：流程中的三个精馏塔塔底甲醇浓度是依次降低的，因而在相同操作压力下的沸点温度依次升高。如果将第二精馏塔作为常压塔，其塔釜温度将低于传统顺流双效流程中的常压塔的塔釜温度，进而其加热热源加压塔塔顶(第三精馏塔)蒸汽的温位要求降低，操作压力随之下降，更有利于节能。

2.3多效精馏

尽管多效精馏的总能量降级与单塔相当，但能量是逐塔、逐级降低的，而非一次性的降低。每个塔的塔顶、塔底换热温差减小，即：传热的“推动力”减小，从而降低了过程的不可逆性，减少了有效能损失。按物料与多效精馏加热蒸汽流向之间的关系，多效精馏的操作模式有顺流、逆流和并流式多效精馏，考虑到实际操作的便捷性，顺流形式的应用较多。多效精馏的节能效果在工业实践中已得到了良好的展现，目前在醋酸、氯硅烷提纯以及甲醇精馏等装置中都得到了应用和推广。

2.4隔板塔的应用

隔板塔因其内部设置垂直隔板这一特殊结构，可等效于两个精馏塔，并且节省了一个精馏塔和冷凝器、再沸器等附属设备，适用于三元或多元体系的分离。隔板塔的使用不但较大程度地减少精馏塔内的浓度返混，而且可以在塔内实现“完全热耦合”，提高能量利用率。这样一来，既减少了设备投资，又降低了能量损失，减小了过程功耗。由于甲醇精馏符合上述多组分体系的特征，因此在该流程中引入隔壁塔有利于提高精馏效率、节能降耗。

2.5填料塔的优化

填料塔的传质机理是液相在重力的作用下沿着填料表面下流与上升的气相逆流接触实现传质分离。与此同时，由于填料层的孔隙率一般在90%以上，因此相比于板式塔，填料塔具有效率高、压降低、持液量小、操作弹性大的优势。精馏塔填料分为散堆填料和规整填料两大类。散堆填料具有操作灵活、适应性强的特点，因而适用范围广泛，有着悠久的应用历史。特别是是对于高液气比、高操作弹性的精馏体系，散堆填料是最佳选择。常见的散堆填料有鲍尔环、拉西环、矩鞍环等，国内近些年来也相继开发了QH扁环，MSR系列……高效散堆填料。

规整填料由于其网孔、波纹的特殊结构特点，不仅有利于液膜的形成，也具有导向作用，相比散堆填料能够更多地消除液体流动的随机性，改善沟流、空穴等现象，因此具有较低的等板高度HETP，较高的传质效率，但是成本也相对较高。金属板波纹填料是国内目前应用最多的规整填料，在常减压、吸收稳定装置都有应用；丝网填料的精馏效率最高，适用于分离精度要求较高的体系。

结论

精馏过程能耗较大，能量利用率较低，开展节能技术的研究具有重要的意义。改进精馏过程的操作条件；采用先进的精馏节能技术优化工艺流程和换热网络，促进精馏体系的能量集成；选择高效的内件优化精馏设备是精馏过程节能降耗的重要手段。尽管在建设初期可能会增加一部分设备投资，但是对化工企业的长久稳定的发展和经济效益的持续增长大有裨益。在当前双碳政策的影响下，蒸汽单价、电单价均有所上涨，节能降碳不仅意味着降低生产成本，同时也与企业在未来“碳交易”市场的竞争力息息相关。

参考文献

[1]王栋．碳达峰背景下我国石油化工企业参与碳排放权交易市场建设路径分析[J]．现代管理科学，2021,5:3-9.

[2]姜睿．我国碳交易市场发展现状及建议[J]．中外能源，2017,22(1):3-9.

[3]萨如丽．基于化工生产中降低精馏技术能耗的研究[J]．化学工程与装备，2017,1:155-156.

[4]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.

[5]王帆．双效适用性及并行双效精馏工业实例的模拟研究[D]．天津：天津大学，2013.