关于精馏塔设备的设计与节能探讨

郝阳洋+熊小然+马超

摘要：随着现代工业的高速发展，精馏塔设备在当前工业中还有着十分广泛的应用。精馏塔是化工过程中一个非常耗能的部分，因此，要实现精馏塔设备的节能功效，必须要一套完整的设计方法进行优化。本文精馏塔的原理进行了分析，进一步概述了反应精馏塔的设计，最后对精馏塔设备设计与节能优化方面进行了相关的分析与介绍。

关键词：精馏塔；设计；节能

精馏属于化工行业中使用非常广泛的一个分离单元，整个化工行业中，石油化工耗能非常大。整个精馏过程所耗的能源比较大，但是热力学效率较低，由此可见，精馏塔设备的设计与节能一直都是整个化工行业长期研究的一个重要的课题。精馏塔是整个精馏过程中的最重要的设备装置，精馏塔设计与节能一直业绩关注的焦点，精馏塔设计对整个工程节约都有着不可替代的作用。

1 精馏原理的概述

混合物中含有不同的成分，精馏原理主要是对混合物中不同成分之间的差异进行利用，利用气相与液相回流，让液体与气体两种成分逆向多接，让混合物中比较容易挥发的成分持续从液体中往气体方向实现转移，混合物中不容易挥发的成分需要朝反方向进行转移，通过以上这个过程中，能够有效分离混合物中的不同成分，整个过程中被称之为精馏。精馏过程中，质量传输与热力传输是一起完成的[1]。

2 反应精馏塔设计研究进程

精馏塔是原料从塔上适当的位置放置进入，精馏塔的上半部分为精馏段，下半部分为提馏段。精馏之所以能使液体混合物得到较完全的分离，关键在于回流的应用。回流包括塔顶高浓度易挥发组分液体和塔底高浓度难挥发组分蒸气两者返回塔中。汽液回流形成了逆流接触的汽液两相，从而在塔的两端分别得到相当纯净的单组分产品。塔顶回流入塔的液体量与塔顶产品量之比，称为回流比，它是精馏操作的一个重要控制参数，它的变化影响精馏操作的分离效果和能耗。

目前，以转换变量概念为基础，在精馏塔具体设计中采用的是应用塔板组成线法。部分研究人员所提出的塔板组成法设计反应精馏塔措施，同时还提出了精馏塔“提馏段”与“反应段”组成的精馏塔线，这样的设计能够更好的对各种实例进行计算与调整[2]。在众多化工实际运用的过程中，能够更好的对精馏塔设计的不足进行分析与掌握，这样才能根据实际的情况在进行调整与改进，主要的目的是降低操作成本与投资成本，实现节能效果，提高精馏塔设计的实际成效。

3 精馏塔设备设计与节能

3.1精馏塔的设计

3.1.1设计塔板

随着精馏塔设计的不断完善，塔板的设计过程中根据实验可以得知，组合导向浮阀的效率与传统塔板对比起来，前者有很大的提升，能够有效提高生产效率与质量。相关研究工作人员对塔板上面的区域流动状态进行了深入分析，得知精馏塔的塔板具有推液的具体作用，能够提升最大限度的提升传质的效率。最近几年，精馏塔设计人员研制了FGS-VT这种塔板，精馏塔在精馏的过程中利用FGS-VT可以提升塔的工作效率，尤其是对精馏塔的操作性能上得到了极大的提升，进一步降低了能源的消耗。

3.1.2填料

传统的精馏塔在精馏的过程中主要采用的填料是竹片与石块，随着科学技术的高速发展与改善，精馏塔相关研究者在一定的时期将研究重点放在了填料方面，其中陶瓷拉西环的出现证明了人们对精馏塔填料方面已经正式进入了科学高速发展的阶段。填料塔压力降低，通量大，基于这些优势，已经在化工行业中得到广泛的应用与推广。精馏塔设计的过程中，精馏塔的内件可以是网孔波纹填料，在实际的操作过程中对其科学合理的规划与使用，实践证明，即使相同工艺的情况之下，精馏塔的负荷能够得到最大限度的提升，最终达到技能与高效的目标。

3.1.3其它

精馏塔设计从混合塔板、进料位置等等方面进行研究与改善。对精馏塔进行优化设计，需要多设计几个进料口，方便在具体的施工或者操作过程中根据产品性质来选择进料的时间与进料的位置，这样能够更好的避免在精馏塔精馏的过程中，由于混合物成分的波动而影响到精馏的成效，降低了精馏预期的产量。针对某些馏段负荷较大的区域来看，对整个精馏塔分组分离上，可以利用混合塔板来操作。

3.2精馏塔的节能优化工艺

精馏塔设备设计与节能工艺一直是行业中关注最多的焦点，广大研究者在长期的研究过程中提出很多科学合理的方法来降低精馏塔在整个精馏过程中的能源消耗，其中比较常用的有这些方面：

3.2.1分隔壁精馏塔

分隔壁精馏塔是在精馏塔的内部设置的垂直隔板，从而将整个精馏塔划分为中检测线的采出段、精馏塔的进料段、上部与下部公共精馏段就，将精馏塔划分位了4个部分。分隔壁精馏塔设计，研究人员设计出了这些类型的精馏塔，包括了DWCL、DWCU、DWCM，同时还提出了实际操作的控制策略与动力学的行为。三种类型的精馏塔对比研究，其中DWCU相对较差，在化工行业大多数实际操作情况中，DWCL动力学表现的比较好，同时耗能也非常大。DWCU与DWCL两者对比起来，从控制性能角度来分析，两者的差异性并不大，但是经效益比较高。分隔壁精馏设计最近几年发展速度加快，属于化工行业中比较新型的设备，分隔壁精馏塔的侧线产品的纯度比较高，而且整个设备相对简单，因此，在设备投资方面比较少，能有效提高经济效益。曾经有研究人员将分隔壁精馏与分离裂解汽油三塔流程进行对比，前者与后者相比较在设备投资上比较高，对能源的使用效率也比较高好。实际操作的过程中，设备运行热损失比较少，将更多的能量都用在了生产方面，有效提升了工作效率。另外，分隔壁精馏塔在精馏的过程中，能够降低对冷却剂与加热剂的说那个量，通过相关资料的分析与对比，采用分隔壁精馏塔，对空分系统进行合理利用，能够实现利用分隔壁精馏与传统空分流程相对比，就热力学角度，整个能量使用的效率可以提高近5%。

3.2.2热集成

热集成是对精馏塔顶气相潜热对精馏料进行预热，这种方式的特点是，气相冷聚的过程中不需要投入消耗冷却剂，而且通过预热过后的精馏料，实现料液分离就更加简单，有效降低了加热剂的持续使用量，达到节能的效果[3]。关于精馏塔设备设计与技能的研究过程中，利用Aspe Plus模拟乙醇-乙腈体系变压精馏。从整个研究的过程来分析，热集成变压精馏与传统变压精馏两者进行分析与对比。两种精馏方式在精馏的过程中主要关注的是能耗的方面的对比与分析，热集成精馏比传统精馏在能量使用上减少了35%。还有一些研究者通过对苯-甲苯物系进行集成精馏塔研究，还是与传统的精馏方式进行对比，精馏的过程中通过内部集成的方式最大限度的降低使用能源率能够达到35%—58%之间。另外，精馏塔在整个精馏的过程中，存在正压、负压、常压精馏，因此，在化工行业实际的操作过程中，需要充分利用加压精馏塔顶气相给负压常压精馏进行加热，以这种方式达到节约能源，降低成本的目标。

4 结语

总之，对精馏塔设备设计与节能研究方面，要合适的将理论实验方法，然后以科学合理的方式解决一些“理想”方面的问题，加强这方面的研究与设计，实现精馏塔节能工艺，降低精馏过程中的能源消耗，最终实现节能的目标，提高经济效益。

参考文献：

[1]李红海，姜奕.精馏塔设备的设计与节能研究进展[J].化工进展，2014，S1：14-18.

[2]周艳明.精馏塔先进控制算法理论分析与设计[D].东华大学，2014.

[3]李克景.浅谈精馏塔的工艺控制方案设计[J].石油化工应用，2013，03：119-124.