精馏塔设计以及节能的研究分析

高建国

（沈阳科创化学品有限公司，辽宁 沈阳 110144）

一、精馏三塔工艺设计分析

（一）双塔常压精馏工艺

双塔常压精馏分离是较为常见的工艺流程。该工艺流程主要有2个精馏塔构成，即预塔和主塔。粗甲醇首先进入预塔，它实际上是1个萃取精馏塔，在塔顶或回流槽中加入相当于粗甲醇进料20%～305左右的水，以水作为萃取剂将粗甲醇进料中所含的非水溶性组分与甲醇分离。经预塔脱除了低沸点的甲醇进入主塔，在该塔内实现甲醇与杂醇、水的分离。

（二）三塔精馏分离工艺

三塔精馏分离工艺是将甲醇精馏塔分为2个塔：加压精馏塔和常压精馏塔。该分离流程中，经预塔脱除轻组分后的粗甲醇首先进入加压塔，塔底再沸器采用低压蒸汽加热，塔顶甲醇蒸气进入常压塔塔底的再沸器冷凝，为常压塔提供热源，冷凝后的甲醇部分作为产品，另一部分作为加压塔的回流。加压塔塔底的较低浓度的甲醇水等经减压后流入常压塔。在此塔内完成甲醇、水及高级醇的分离。流程操作的关键是适当确定加压塔操作压力、加压塔采出量。

二、精馏过程节能分析

精馏过程能耗很大，而且热能利用率低，除了采用三塔精馏外，改进换热网络，进行废热回收，不仅可以节省加热蒸汽，减小再沸器规格，也可以节省冷却用水，有效利用能量。

（一）差压热耦合精馏技术的应用

热耦精馏由于既节能又节省设备投资，引起了人们的广泛关注。早在五十年代，Petlyuk等人就提出了完全热耦精馏方案，该研究表明热耦精馏比常规精馏过程至少节能30%以上，但由于受到当时技术条件的限制而难以实现工业化。后来又通过对塔设备组成体系做进一步观察，逐步在完全热耦合方案中摸索出一种完全热耦合精馏技术－差压热耦合精馏技术，在化工节能生产上应用更为广泛。差压热耦合低能耗精馏过程，将普通精馏塔分割为常规分馏和降压分馏两个塔，常规分馏塔的操作压力与常规单塔时相同，而降压分馏塔采用降压操作以降低塔底温度。降压分馏塔塔顶蒸汽经过压缩进入常规分馏塔，降压分馏塔降压操作可以使塔釜物料的温度低于常规分馏塔塔顶物料的温度，这样就可以利用常规分馏塔塔顶蒸汽的潜热来加热降压分馏塔塔底的再沸器，进行两塔的完全热耦合，实现精馏过程的大幅度节能。

差压热耦合低能耗蒸馏与现有热耦蒸馏技术相比，具有以下几方面优点：

(1)差压热耦合精馏过程的常规分馏塔塔顶冷凝的负荷可以与降压分馏塔底再沸器的负荷相匹配，实现热耦精馏，匹配换热。

(2)热消耗是精馏操作中的主要能耗所在，采用差压降温手段实现最小的热消耗，甚至实现冷热负荷完全匹配，热消耗为零。而要实现这一目标，只需在设备中增加一台压缩机，该动力消耗相对于原有的热消耗小很多。张吕鸿等人又对这项技术进行改进，即引入中间冷却器，提出了一种改进的差压热耦合精馏流程，设置中间冷却器的目的在于，该物料在塔顶液相进料，有回流液的作用，可以降低该物料温度，减少与塔内物料的换热，促进塔内传质。这一流程的改进节能效果比原差压热耦合流程更好，节能效率达3.5%，从而使这项技术的应用前景更为广阔。

（二）热泵精馏技术的应用

甲醇精馏不仅是保证甲醇产品质量的重要操作单元，而且精馏过程的能耗也是影响甲醇生产成本的重要因素，因此选择适合企业生产规模的精馏技术，是节能降耗、节水减排、提高企业经济效益和市场竞争力的重要措施。

叶鑫等人提出用热泵精馏工艺直接压缩精馏塔顶精甲醇气体，提高塔顶精甲醇气体的压力和冷凝温度，作为精馏塔塔釜再沸器或中间再沸器的热源，充分利用了精甲醇气体的冷凝潜热，同时减小了塔釜热公用工程和塔顶冷公用工程消耗。热泵精馏只需消耗少量最低级别的水蒸气，同时节省大量更高等级水蒸气。因此，较传统的三塔精馏工艺相比，该工艺比三塔精馏工艺可实现节能50%以上。

（三）机械蒸汽再压缩热泵精馏技术的应用

机械蒸汽再压缩热泵技术是把低品位的蒸汽通过压缩转变为高品位的蒸汽，循环用于热源的供热以减少能耗，也就是基于蒸汽潜热再利用的一种非常高效的节能手段。

杨德明等人提出将机械蒸汽再压缩热泵技术配合一种热集成技术来精馏分离四元混合醇体系的方法，具有很大的优势。热集成技术是一种则是从热力学效率角度出发，对能量进行有效合理的匹配，利用MVR热泵技术回收精馏塔塔顶蒸汽的潜热，再根据分离塔系的温度差，应用热集成技术，可最大程度地发挥精馏过程的节能优势。

（四）多效精馏技术的应用

吴东岳等使用多效精馏工艺提纯甲醇，通过对甲醇－水多效精馏工艺的研究，从单塔、双塔、三塔、四塔这四种顺流精馏工艺中能够得出，随着塔数的增加，能够有效的增加精馏的效数，降低使用能耗，四塔精馏工艺的能耗是最低的。同时，随着塔数的增加，也会增加设备的费用，经过计算与总结，能够得出三塔精馏工艺是在目前甲醇精馏工中最为合适的一种，既能够降低操作与设备的费用，又能够有效的降低能耗。

在工业生产中，Hilde等人阐述的多效精馏在工业实例中的应用表明，节能效果是非常明显的。当他们把多效精馏技术应用在分离乙烷，丁烷等混合体系里，他们对比在工业生产上两种技术的区别通过一系列的计算，他们发现，当应用多效精馏方案时，能量的利用率能提升40%以上，这对于节能生产是极为有利的。