差压热耦合蒸馏节能技术

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C HEM I CAL N D USTRY D G I EERI G I AN EN N N PROG RESS

差压热耦合蒸馏节能技术李洪，李鑫钢，一，罗铭芳(天津大学化工学院，天津 30 7;精馏技术国家工程研究中心，天津 3 0 7 ) 0 0 2 0 0 2

摘

要：开发了一种广泛适用于蒸馏分离过程的新型差压热耦合蒸馏技术，该技术将精馏塔分割为两个压力不同

的塔，利用高压塔顶蒸汽作为低压塔底的热源，实现热能的耦合匹配，达到蒸馏过程大幅度节能的目的。利用计

算机模拟方法对该技术应用在丙烯一丙烷分离和混合 C分离过程中的节能效果进行了计算和分析，结果表明与现有常规蒸馏过程相比，差压热耦合低能耗蒸馏过程能耗可以分别降低 9 .%和 8 .%,节能效果显著。 23 71关键词：差压；热耦合；蒸馏；节能

中图分类号：T 2 Q0 8

文献标识码：A

文章编号：1 0 0 0—6 1 (0 8 7 15—0 6 3 2 0 )0一l2 4

Dif r ntpr s ur he m a l o fe e e s et r l c upl d ditla i n t c y e s il to e hno o y f r e r y l g o ne gs v ng a iLIHo g LIXig g, LUO igCn n, n an M n ) g2 a

(S h o o C e cl n ier gadT cn lg, ini U iesy Taj 0 02 C ia Na o aE gn eig co l f hmiaE gn ei n eh oo y Taj nv ri, ini 3 0 7, h: n n t n n t n l n ier i nR sac e t r sl t nT c oo y i j 0 0 2 hn ) eerhC ne f tli eh l,Ta i 3 0 7,C ia r o Di ia o n g nn

Abs r t A if r n r s u e t e m al o pld ditl to e hn og s d v l pe o a hive t ac: d fe e t p e s r h r ly c u e si a i n t c ol y wa e e o d t c e l e r a n negy s vig.I hi e h l gy, a d silto

o u s d vi d t wo c l m s wi fe e t n t s tc no o itlai n c l mn wa i de o t o u n t dif r n h p e s r . et p sr a fom h i h p e s r ol m su e st a negy f h e o ln r s u e Th o te m r tehg— rs uec u n wa s d a hehe te r ort e r b ii g of

t e l w— r s u e c l mn t e e o e t e t e a c u l d p o e s wa e l e .Co p t r smu a i n h o p e s r o u, h r f r h h r l o p e r c s s r a i d m z m ue i lt ot c n og ha be n e h ol y s e us d o n l z t e e g s vng e t a a y e he n r y a i of dif r n pr s u e h r a l c u l d fe e t e s r t e m l y o pe d silto tc no o y n e a a i n f p o a e p o ylne n CaS y oc r n e p ci l .Th itl i n e h l g i s p r to o r p n— r p e a d a’ h dr a bo r s e tvey e r s ls h we t a, c mpa i g e u t s o d h t o rn wih r na y ditla i n t c n o y, e e g o u n c l b t o di r si to e h ol g l n r y c ns mi g oud e

r d c da o t 23 e u e b u . 9

a d 8 .% i e et e a ai n p o e s r s e t ey n 71 nt s h wo s p r t r c s, e p c i l . o v

K e r s d fe e t e s r t r a l ou ld; ditla i n; e e g a i g y wo d - ifr n s u e; he pr m lyc p e si to l n rys vn

精馏是一种应用广泛的化工分离单元操作，是利用混合物中各组分挥发度的不同进行分离的操作单

来巨大的经济效益。迄今为止，已经开发了多种精馏节能的工艺流程，如热泵精馏、热耦精馏、多效

元，在所有的分离方法中，其以独特的优势广泛应用于工业

生产中，并占据着丰导地位【,但精馏过程能 l J耗巨大，高精馏过程的能量利用率始终是科研工作提者研究的热点。作为国民经济支柱产业之一的化学工

精馏等【o 3 J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。最早的热耦精馏是 5年前由 0P t u提出的[,他们的研究表明热耦精馏比常规 eyk l 4 1精馏过程至少节能 3%以上，但由于受到当时技术 0

业和炼油工业是能耗最大的加工业，而在化 _与炼油丁产品的生产过程中，蒸馏过程作为一种热分离方法不但占有重要地位，而且在产品的能耗比重中占有很大的比例。据估计，化工过程中 4%~7%的能耗用 0 0于分离，而精馏能耗又占其中的 9 5。

条件的限制而难以实现工业化。随着对节能要求的

不断提高，以及由于控制技术的提高，热耦精馏方收稿日期：2 0 0 8—0 4—0。 3

随着世界能源的日益短缺，精馏过程一直是研究者节能挖潜的热点对象，它的每一个进展都会带

第一作者简介：李洪lg j . uc。 x@t e a ud

(18一 )女，博士厉。 E— ma 90, i lIJ J。E—m i r l al

l o gt@ 1 3 o i n. h j u 6 . m。联系人：李鑫钢，教授，博士生 c

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面的研究更趋活跃，已开发了多种精馏塔的耦合技

术，主要分为以下两种形式：一种是部分热耦精馏，由主塔和侧线塔构成的复杂精馏塔，包括侧线精馏塔 ( ie e t e,S Sd c f r R)和侧线提馏塔 ( ie tp e, r i i Sd r p r si S )另一种是完全热耦精馏 ( ul tema y o pe S; F l r l u ld yh lcds l t nc lmn C) iiai ou,F,又称为 P t u tl o ey k塔 p。 l J

近年来，针对以上各种形式的热耦精馏开展了 大量的设计、优化和应用研究L引 6。现有的热耦精 馏技术无论从流程还是设备来说，仍摆脱不了精馏过程中所需要的塔顶冷凝液体回流和塔釜再沸蒸汽上升操作的限制。无论是采用预分塔设计、中间侧线换热、侧线蒸馏流程还是侧线提馏

流程，对于主图 1差压热耦合低能耗蒸馏流程示意图 1常规分馏塔：2降压分馏塔；3主换热器；4压缩机一一一~5一辅助冷凝器：6 _ _辅助再沸器； 7 l流罐； 8进料~旦 J一

精馏塔来说，由于塔顶温度要低于塔底温度，即塔顶物料冷凝后的温度要低于塔底物料再沸所要达到

的温度，因而塔顶冷凝器和塔底再沸器之问不能简单地进行匹配换热，也就不能实现完全的热耦合。 通过对各种热耦和热集成精馏过程深入研究， 为了解决以上问题，作者提出了一种新型的差压热凝液进入回流储罐。从回流储罐中流出的冷凝液一部分作为产品采出，另一部分作为常规分馏塔的塔顶回流液体。 在操作过程中若降压分馏塔塔底物料再沸所需热量大于常规分馏塔塔顶冷凝所能提供的热量时， 则需要同时开启辅助再沸器，使得降压分馏塔塔底出来液相的一部分与外部换热来满足降压分馏塔塔底上升蒸汽所需要的全部热量。而若在操作过程中降压分馏塔上升蒸汽所需热量小于常规分馏塔塔顶冷凝所能提供的热量，需要同时开启辅助冷凝器，则

耦合低能耗蒸馏过程，并运用计算机模拟手段初步探讨了该技术的节能效果。

l差压热耦合蒸馏差压热耦合低能耗蒸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

使得常规分馏塔顶蒸汽经过主再沸器冷却后的物料与外部换热来降低该股物料的温度，以降低至常规分馏塔塔顶所需回流液体的温度。因而，在实际操作达到稳定运行后，辅助冷凝器和辅助再沸器一般不会同时开启，根据热量匹配可选择其一作为辅助能源设备，若流程设计中常规分馏塔塔顶冷凝和降

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。

差压热耦合蒸馏节能过程流程如图 1所示。 1为常规分馏塔，2为降压分馏塔。经过常规分馏

塔

压分馏塔塔底再沸蒸汽可以完全匹配的话，则两个辅助设备均无需开启。

分离后的塔底液相物料在压差推动下进入降压分馏塔顶部，降压分馏塔顶部出来的蒸汽通过压缩机加压后进入常规分馏塔底部作为上升蒸汽。降压分馏塔塔底出来的液相一部分可作为产品采出，另一部分与常规分馏塔塔顶出来的蒸汽在主换热器中进行

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。 ( )常规的单塔精馏过程不同， 2与差压热耦合精馏过程的常规分馏塔顶上升蒸汽能够用于加热降压分馏塔塔底物料，满足塔底再沸的要求。

换热并部分汽化，形成降压分馏塔塔底所需的再沸蒸汽，若冷凝负荷小于主再沸器负荷时，需要同时开启辅助再沸器。常规分馏塔塔顶蒸汽经过换热后得到部分或全部冷凝液，当冷凝负荷大于主再沸器负荷时，需开启该部分冷凝液流经的辅助冷凝器， 从而得到常规分馏塔塔顶所需要的回流和采出的冷

() 3热消耗是精馏操作中的主要能耗所在，本文的技术用差压降温手段实现了最小的热消耗，甚至实现冷热负荷完全匹配，热消耗为零。而实现该

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李洪等：差压热耦合蒸馏节能技术

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目的的手段仅仅是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。 差压热耦合低能耗蒸馏技术广泛适用于所有的

本模拟条件下常规分馏塔顶冷凝提供的热量要大于降压分馏塔底上升再沸蒸汽所需要的热量，开启辅

助冷凝器使得通过主再沸器的冷凝流股再一次冷凝达到常规分馏塔顶液相回流要求。 常规蒸馏过程塔顶压力低、塔底压力高，塔顶富含轻组分、塔底富集重组分，因此塔顶温度总是低于塔底温度，塔顶蒸汽的潜热无法被塔底再沸器利用，也就不能进行能量的匹配。作者开发的差压

精馏过程，可以大幅度降低分离过程中的能耗。为了更好地说明本技术在节能降耗方面的优势，选取以下两个工业实际规模的模拟实例加以

说明。

2技术应用 21丙烷一 .丙烯的分离烯烃的提纯在石化工业中为蒸馏中耗能大户， 其中丙烷一丙烯的分离尤为突出。由于丙烯和丙烷的沸点相接近，组分问相对挥发度较小，采用常规蒸馏方法时，设计的塔可高达 9 0m,塔板数可在 2 0 0

热耦合精馏则通过将常规蒸馏塔分割为常规分馏和降压分馏两个精馏塔，再沸器在降压分馏塔塔底。 由于常规分馏塔塔顶蒸汽的温度要高于降压分馏塔塔底再沸器的温度，这样降压分馏塔的再沸器就可以用常规分馏塔塔顶的蒸汽来加热，实现了完全的热耦合。降压分馏塔顶的气相通过压缩机回到常规蒸馏塔的底部，与蒸馏过程再沸器的加热量相比，能耗很低。

块以上，回流比大于 l,还要进行加压或者制冷等 0操作，所以能耗很高。由于能源价格上涨和新技术的不断开发利用，人们对这个问题越来越重视，相应出现了一系列新方法。

精馏过程主要能耗集中在热量和动力消耗上。表 1为丙烯一丙烷分离时现有常规蒸馏过程与差压热耦合低能耗蒸馏过程的主要冷热负荷和压缩机能耗的比较。表 1从计算结果可以看到，差压热耦合低能耗

丙烯一丙烷的分离方法有高压法、低压法和低压热泵法。采用高压法时塔顶温度高于 4℃,可以直 5接用冷却水进行冷凝，但是高压法分离需要的塔板数多，且回流比很大；采用低压法，丙烯丙烷相对

蒸馏过程需要的仅是压缩机的动力消耗为 49×l。 . 2 0 k/,而现有流程中需要热量消耗为 63×1 J, J h .9 0 k/ h差压热耦合蒸馏流程与现有常规蒸馏流程相比，总

挥发度增加，可以减少回流比和理论板数，但是塔顶温度太低，不能采用冷凝水直接进行冷凝，需要其它冷凝剂，这样无疑要增加投资及能耗；如果采用热泵法，节能最高可达 8,但是需要增加 2% 8 0左右的投资，而且热泵精馏存在流程复杂、操作困难的缺点。

能耗降低了 9 _,幅度削减了丙烯一 23大 丙烷精馏分离过程中的能量消耗，真正实现了用蒸馏塔顶蒸汽的潜热加热塔底再沸器的目的，实现了能量真正的匹配，大幅度降低了蒸馏过程的能耗。表 1常规蒸馏过

程和差压热耦合低能耗蒸馏过程主要能量 消耗比较

作者以一个工业规模的丙烯一烷气体分离系丙统为典型的汁算例子。主要条件如下：进料量为1 3 gh ( 10k a,进料温度为 4℃,进 6 8 2k/约 5 f ) 0

料组成为丙烷 2 . ( 58质量分数，同 )丙烯 7%, 下， 4 乙烷等组分 02分离要求实现塔顶产品丙烯质量 .%,分数大于 9%。 9

现有常规流程蒸馏塔共需要 20块理论板， 0进料位置在第 16块。若要实现产品质量要求，拟得到 4模该精馏塔操作条件为：塔顶温度为 4 .℃,压力为 3 4 10 a 8 0 P,塔底温度为 5 .℃,力为 2 0 P。 k 8 7 10k a作者利用差压热耦合低能耗蒸馏技术，丙烯一对 丙烷分离过程进行模拟。将蒸馏分离分割为常规分馏和降压分馏两个塔，常规分馏塔的理论板为 1 5 4,塔顶压力为 1 0 P,塔底压力为 2 0 P,塔顶 8 0k a 0 0k a温度为 4 .℃;降压分馏塔的理论塔板数是 5, 3 4 5 22混合 C气体分离过程 . C 4资源主要来自炼厂催化裂化 ( C F C)装置和乙烯蒸气裂解装置。混合 C通常含有丁二烯、异丁 烯、l丁烯、2丁烯、异丁烷、正丁烷等组分。作者一一选取工业实际分离数据作为模拟的又一个典型例子，分离目的是将异丁烷从混合 C分离出后进行

塔顶压力为 1O P,塔底压力为 10 P,塔底 10k a 2 0k a温度为 3 .￣进料位置在降压分馏塔的适当部位。 37C;

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1丁烯的异构化，其中分离的关键组分异丁烷沸点 .为一1.℃,1丁烯沸点为一63℃,两者之间沸 13 7一 .点差 5 3℃,若采用常规精馏操作一般需要高压操 . 4作，需要好多的理论板数和很高的回流比才能实现严

格 1 0元/、用电价格 07元/计，每年 ( 0 0 0吨 .瓦 80 h计 )节能效益为 4 0万元。 0

3结论 文中开发了一种新型的差压热耦合蒸馏节能新技术，过将常规蒸馏过程分割为常规分馏和降通

格的高纯度分离要求。作者利用差压热耦合低能耗蒸馏技术对该过程进行模拟

,具体操作参数如下。原料进料量： 7 0 g ( 10k a; 1 0k m约 4 f )进料质量组成为： 5 正丁烷 1.4,异丁烷 3 .7,1丁烯 1 .8, 5 1 62 一 47 反一一 2丁烯 1 .7,顺 .一 7 3 2丁烯 1 .1,其它组分 1 3 8 3;进料温度：2℃,压力 10 k a . 7 0 4 0 P;塔项操作压力：09 a(,温度：6℃;工况要求异丁 . MP A) 9 0

压分馏两个塔，以实现塔顶蒸汽与塔底再沸器的可热量耦合匹配，大幅度降低蒸馏过程的能耗。者作

选择工业规模的丙烯一丙烷分离和混合 C分离过程 作为典型的模拟实例，该技术的节能效果进行了对计算和分析，结果表明该分离流程节能效果显著， 两个过程分别节能 9 .和 8 .。该技术在化 23 71若 工分离过程得到大幅度推广和应用，将对我国石油及化工行业节能减排工作的发展具有重要的推动作用。

烷脱除率 9%以上，C烯烃回收率 9%以上。 0 4 采用差压热耦合精馏技术，将常规脱轻精馏塔分为常规分馏塔 T 1和降压分馏塔 T2两个塔，其 _ -中 T1为脱轻精馏的精馏段，塔顶回流，共 8块 _塔 0理论板 (冷凝器 )该塔塔顶操作压力为 0 9含， . 9MP; - a T2为脱轻精馏的部分精馏段和提馏段，全塔也为 8 0块理论板，进料位置在第 1 0块理论板，该

参

考

文

献

[] B a oJ,F iJ 1 rv L a R,H mp ryJ r u h e L,e a.Fud xue e aa o t 1 li Mitr S p r in t T cn lge r o t e u t n n rc s I rv met M] N - e h o i f s R d c o dP o es mpo e n ( . J o so C i A .No e u l a in, P r d e 1 8 . y sP b i t s c o a kRi g, 9 6

塔为降压操作，操作压力较 T 1 _塔压力低，为 03 5 . 6 MP,降压操作的目的就是将塔顶蒸气的潜热用于 a

(] Hu￣e L e e . e a t n e h o ge a p otnt 2 mp yJ,S i rA F S p r i c l i bt a o t n o s no p r i u y o e

i[、C e E g fr n rysvn s] h m. n e g a gJ, 19,8 () 24 . 9 2 83:3 _ 1

加热塔底的再沸器。作者对差压热耦合蒸馏流程和常规蒸馏流程进行了模拟比较，常规塔顶温度为 5 .℃,降压塔底温度为 4 .℃,这样常规塔塔 95 45项蒸汽的潜热就可以用于加热降压塔塔底的再沸器，实现能量的耦合匹配。 表 2为差压热耦合蒸馏过程和常规蒸馏过程能

[]李群生.精馏过程的节能降耗及新型高效分离技术的应用[ .化 3 J J肥工业，2 0,3 r1 -,5 . 0 3 0 l:39 7

【】 P t u 4 e y kF B,P a n v V M,Sa isi D M.T emo y a cl l loo t l nk i v h r d n mi l ay o t a m to r e aa n l c mp n n x rs]/tC e . p i l eh df p r igmu i m o s t t o o e t t e[ .n. h m mi u JEn . 1 6 g, 9 5, 5 5 5 5 .: 5— 61

[]杨霞，李刚，郑世清 .一种新型的热偶精馏过程的节能分析与 5工业应川[ .现代化工，2 0,2 S ) 1— 2 . J J 0 7 7( I:3 83 1 [] T i t lu C,S t R.T e d s n a d o t z t n o I 6 r na o a l mi h h ei n pi a o f I g mi i y te a yc u ld i iai lm s J.Ta s1h m E, 19, h r l pe s l t nc u n[ m l o d tl o o] r n .c e . 9 27 f 1 l 8— 3 . O 3: l 1 2

耗计算结果的比较。从表 2计算结果可以看到，差压热耦合低能耗蒸馏过程需要压缩机的动力消耗为 37 。, .3 l I x 0常规流程需要热量消耗为 29 x 1 .0 0k/,差压流程与现有常规流程相比较总能耗降低 J h

[] Wa b r 7 y u n T L,S a e J D.S lt n fs s ms o t i e ed r oui so y t fi e l k d o e nr nd si ai n c l m s b i e e t l h m o o y c n iu t n m e o s it lt o u l o n y df rni o a t p— o t ai ￣ d n o

了 8.,大幅度降低了混合 C分离过程的能耗。 71 4对于该 1 0 t混合 C分离过程来说，采用差压低 4/ ka 4能耗精馏技术，每小时可节约蒸汽 1,以蒸汽价 2t表 2现有流程和差压热耦合低能耗蒸馏过程主要能量消耗比较

I/ rc sig f o p t -i dP o es s n T eU ie i f f]P o es C m ue a e r cs i . h nv r t o / no r d De g syM ih g n, 1 8 c ia 9 4, 7 6 5.

[]许锡恩， 8李守春 .三相热偶合精馏过程的模拟[ _工学报，9 9 J化】 18,4r1 8 3 O l:— 7. 2

[] L n￣i, ed r D, y unTL Mut l s lt n t s ms 9 i We n S a e g J Wa b r . lpe oui s os t i o ye o nel k d sp rt n c l l J., f i r n e e aa o ou s] t i i mr[ C8 6 8 7 8—9 .

,1 8, 3 () 9 7 3 6:

[0 R fe C C,S a e 1] a l a e d rJD,T o s L W .Mut l s a y 2 s t h ma lpe t d t e i e a s l i s fr i el e e aai y t ou o o n r n d sp t n s s ms[ ./d E g h m. tn t i k r o e J r n .C e J iFu d m. 1 8 n a, 9 6,2 4: 5 6 5 6. 5r) 6—7

[1 R v 1] e E,E t m iM,S i az,ea.E eg vn s fn ga dad r zki t t 1 nr s ig iert y a o t enc u ldds l t nss ms] o p C e . n . 0 1 53: o pe i ia o yt[ .C m . h m E g,2 0,2 () tli e Jl 9 l O l一 4 .

[2杨友麒 .热偶精馏塔操作特性的模拟研究[ .化工学报， 19, 1] J】 904lr ) 4 l 4 7. 4: 9一 9

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