化工精餾技術(shù)的應(yīng)用及節(jié)能研究

李慧敏， 焦 蓬

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司化工研究院，山西 太原 030021)

引 言

化工生產(chǎn)可以簡(jiǎn)單的分為三個(gè)階段：1) 原料的預(yù)處理階段；2) 原料在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)催化劑催化生成產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)階段；3) 反應(yīng)產(chǎn)物分離提純得到目的產(chǎn)物階段。精餾操作在工業(yè)化的物料分離流程中有著普遍的應(yīng)用。發(fā)展節(jié)能高效的精餾技術(shù)既有利于高純度產(chǎn)品的分離提純技術(shù)的提高，也有利于日常生產(chǎn)過程中的能源節(jié)能。

1 精餾技術(shù)的基本原理

精餾是根據(jù)混合液中不同物質(zhì)間相對(duì)揮發(fā)度差異，將混合液中輕、重組分以物理手段進(jìn)行分離的單元操作。在塔釜為混合液提供熱源，塔頂為物料蒸汽提供冷媒，在精餾塔內(nèi)部混合物料經(jīng)過多次氣液兩相間的質(zhì)量傳遞和能量傳遞，液相中的輕組分得到能量多次部分氣化在塔頂?shù)玫礁呒冚p餾分產(chǎn)品，氣相中的重組分釋放能量多次部分冷凝在塔釜得到高純重餾分產(chǎn)品[1]。

實(shí)際生產(chǎn)過程中根據(jù)操作方式的差異，可分為連續(xù)精餾和間歇精餾。大型、工業(yè)化、連續(xù)化生產(chǎn)項(xiàng)目大多用采用連續(xù)精餾，進(jìn)出料的組成、流量固定，各指標(biāo)(溫度、壓力)穩(wěn)定，項(xiàng)目普遍自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)單位產(chǎn)品消耗的成本低。但是項(xiàng)目前期投資較大。中小規(guī)模生產(chǎn)多選用間歇精餾，物料間歇投入生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)，產(chǎn)品待停留時(shí)間滿足且分析化驗(yàn)合格后一次性排出。這種精餾生產(chǎn)過程靈活、自動(dòng)化程度低工人容易上手操作，但普遍存在單位時(shí)間內(nèi)處理量小，能量耗大，單位產(chǎn)品消耗成本高的缺點(diǎn)。

常壓精餾是精餾塔頂在常壓及微正壓條件下進(jìn)行的精餾。常壓精餾是最常見的精餾技術(shù)，該技術(shù)對(duì)設(shè)備的等級(jí)要求較低，精餾塔的配套設(shè)備相對(duì)較少，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，易于學(xué)習(xí)掌握。常見于精餾工序的前幾個(gè)塔起到粗略分離的效果。

減壓精餾是在負(fù)壓條件下進(jìn)行的精餾。其中真空度高的也叫真空精餾。在負(fù)壓下，各組分的飽和蒸氣壓比正常情況會(huì)降低，相對(duì)揮發(fā)度會(huì)增大。減壓精餾是借助液環(huán)真空泵、蒸汽噴射器等裝置降低操作系統(tǒng)壓力，使混合液各組分泡點(diǎn)降低，在負(fù)壓下就沸騰，滿足減壓精餾的溫度，能起到節(jié)約部分熱量的目的。減壓精餾多于分離沸點(diǎn)較高的混合物，熱穩(wěn)定性差易分解的混合物，高溫易聚合的混合物。例如：乙二醇、植物中精油、香料的提純就用到減壓精餾。

加壓精餾是在加壓條件下進(jìn)行的精餾。加壓精餾常用于分離沸點(diǎn)較低的混合物料，如利用液體空氣分離得到氧氣和氮?dú)獾倪^程。煤制甲醇混合液沸點(diǎn)較低且易揮發(fā)，精餾工序采用加壓精餾能提高精餾塔的處理能力，升高壓力使物質(zhì)沸點(diǎn)升高有利于冷媒的利用率。

2 影響精餾操作的主要因素

精餾系統(tǒng)操作其過程本身較為復(fù)雜，容易受到各種因素的影響。例如：精餾塔內(nèi)溫度分布梯度、塔頂塔釜的壓力及塔內(nèi)各段的壓力降、進(jìn)料量的大小、原料混合液以何種狀態(tài)進(jìn)塔、進(jìn)料組成是否穩(wěn)定、回流比大小等[2]。

塔釜熱量，塔頂冷量的變化對(duì)精餾塔最直觀的影響就是塔頂、塔釜壓力立刻變化，進(jìn)而影響精餾塔內(nèi)各點(diǎn)溫度分布梯度。當(dāng)出現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)溫度升高，回流罐的溫度升高，那么塔頂產(chǎn)品中重組分的雜質(zhì)含量增加，需要增大回流量給精餾塔降溫至正常工藝指標(biāo)。塔內(nèi)各點(diǎn)壓力與該點(diǎn)溫度呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

最小回流比由實(shí)際塔板數(shù)確定。實(shí)際操作中的回流比都大于最小回流比。大回流比利于產(chǎn)物純度的提高，但是熱能、電能、冷卻水的消耗量也顯著增加。低回流比在產(chǎn)品合格的前提下往往是最具經(jīng)濟(jì)性的。實(shí)際生產(chǎn)過程中往往需要折中考慮，找出最佳的平衡點(diǎn)。

3 精餾操作的要點(diǎn)

精餾塔的日常操作應(yīng)重點(diǎn)把握好三個(gè)平衡：物料平衡、氣液平衡、熱量平衡。

物料平衡能反映出精餾塔在單位時(shí)間內(nèi)處理混合液的能力。

氣液平衡是實(shí)現(xiàn)精餾操作的基礎(chǔ)。塔內(nèi)溫度、壓力保持穩(wěn)定的狀態(tài)，才能確定氣液相的平衡組成。整個(gè)精餾塔塔氣液相的平衡是依靠每層塔板上的氣液兩相傳質(zhì)傳熱實(shí)現(xiàn)的。氣液平衡與物料平衡有著密切關(guān)聯(lián)。

熱量平衡是實(shí)現(xiàn)物料平衡和氣液平衡的根本前提。失去塔釜的的熱源，塔釜物料就沒有氣化并沿精餾塔逐層上升的動(dòng)力。失去塔頂?shù)睦湓?，塔頂蒸汽無(wú)法有效冷卻成回流液，精餾過程就無(wú)法實(shí)現(xiàn)[3]。

掌握好以上三個(gè)平衡是精餾操作技能成熟的關(guān)鍵。三個(gè)平衡間是相互影響，相互制約的。實(shí)際操作工程中以控制物料平衡變化為主線，與之對(duì)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)熱量平衡，進(jìn)而達(dá)到每層塔板內(nèi)氣液平衡得到合格產(chǎn)品的目的。

4 節(jié)能高效精餾技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用

4.1 分級(jí)換熱節(jié)能技術(shù)

傳統(tǒng)精餾技術(shù)熱量集中在底部提供，冷媒集中在頂部提供。物料在塔釜停留時(shí)間較長(zhǎng)，溫度上升緩慢，熱量損比較失大。采用分級(jí)換熱措施能提高精餾過程中能量的利用率。增加精餾塔對(duì)溫度變化的反應(yīng)能力，避免塔頂、塔釜之間出現(xiàn)過大的溫差。也能進(jìn)一步降低塔頂冷媒的使用量。

4.2 塔系熱集成技術(shù)

適用于多塔精餾的工藝流程。在設(shè)備布置過程中選擇合理坐標(biāo)將多個(gè)精餾塔的塔釜集中建設(shè)。配以性能優(yōu)良的保溫隔熱材料。這樣能大大降低各精餾塔釜向周圍環(huán)境的熱量損失，顯著提高熱量的利用效率。

4.3 多效精餾技術(shù)

利用溫度較高的輕組分為溫度較低的重組分交叉換熱回收熱量，實(shí)現(xiàn)熱量的多重高效利用。實(shí)際操作中往往能以加壓塔塔頂輕組分做為熱源向常(減)壓塔塔釜提供熱量。熱量多次分級(jí)利用。

5 高效節(jié)能精餾技術(shù)的應(yīng)用前景

化工項(xiàng)目本身就是能源的消耗大戶，相當(dāng)一大塊能源的消耗就發(fā)生在物質(zhì)分離的精餾階段。發(fā)展高效節(jié)能的精餾技術(shù)在提高煤化工，石油化工領(lǐng)域的生產(chǎn)效率、節(jié)能減排方面有非常重要的意義。影響精餾的因素較多，精餾過程較為復(fù)雜，徹底掌握，需要扎實(shí)的專業(yè)理論基礎(chǔ)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合?？梢詮呐囵B(yǎng)專業(yè)高素質(zhì)的技術(shù)人員入手，國(guó)家、行業(yè)建立標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范的工業(yè)裝置使用體系一步步推廣高效節(jié)能精餾技術(shù)的使用范圍。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高純度物質(zhì)的分離提純對(duì)精餾技術(shù)的要求也將進(jìn)一步提高。研發(fā)高效節(jié)能的精餾技術(shù)必將是未來(lái)化工技術(shù)領(lǐng)域的一大新課題。