差压热耦合蒸馏节能技术

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2024年2月3日发(作者：)

化 工 进 展2008年第27卷第7期

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS

·1125·差压热耦合蒸馏节能技术

李 洪1，李鑫钢1,2，罗铭芳2

（1天津大学化工学院，天津 300072；2精馏技术国家工程研究中心，天津 300072）

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-丙烷分离和混合C4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92.3％和87.1％，节能效果显著。

关键词：差压；热耦合；蒸馏；节能

中图分类号：TQ 028 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2008）07–1125–04

Different pressure thermally coupled distillation technology for energy

saving

LI Hong1，LI Xingang1,2，LUO Mingfang2

2（1School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China； National Engineering

Research Center for Distillation Technology，Tianjin 300072，China）

Abstract：A different pressure thermally coupled distillation technology was developed to achieve

energy saving. In this technology，a distillation column was divided to two columns with different

pressure. The top stream from the high-pressure column was used as the heat energy for the reboiling of

the low-pressure column，therefore the thermal coupled process was realized. Computer simulation

technology has been used to analyze the energy saving of different pressure thermally coupled

distillation technology in separation of propane-propylene and C4’s hydrocarbon respectively. The

results showed that，comparing with ordinary distillation technology，energy consuming could be

reduced about 92.3％ and 87.1％ in these two separation process，respectively.

Key words：different pressure；thermally coupled；distillation；energy saving

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，并占据着主导地位[1]，但精馏过程能耗巨大，提高精馏过程的能量利用率始终是科研工作者研究的热点。作为国民经济支柱产业之一的化学工业和炼油工业是能耗最大的加工业，而在化工与炼油产品的生产过程中，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40％～70％的能耗用于分离，而精馏能耗又占其中的95％[2]。

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、多效精馏等[3]。

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50年前由Petlyuk提出的[4]，他们的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。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：2008–04–03。

第一作者简介：李洪（1980—），女，博士后。E–@。联系人：李鑫钢，教授，博士生导师。E–maillxg@。

·1126·

化 工 进 展 2008年第27卷

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（Side rectifier，SR）和侧线提馏塔（Side stripper，SS）；另一种是完全热耦精馏（Fully thermally coupled

distillation column，FC），又称为Petlyuk 塔[5]。

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[6-12]。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间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。

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6

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；

5—辅助冷凝器；6—辅助再沸器；7—回流罐；8—进料

1 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

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，则需要同时开启辅助冷凝器，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。

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）与常规的单塔精馏过程不同，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。

（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

第7期 李洪等：差压热耦合蒸馏节能技术

·1127·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

2.1 丙烷-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-丙烯的分离尤为突出。由于丙烯和丙烷的沸点相接近，组分间相对挥发度较小，采用常规蒸馏方法时，设计的塔可高达90 m，塔板数可在200块以上，回流比大于10，还要进行加压或者制冷等操作，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。

丙烯-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45℃，可以直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88％，但是需要增加20％左右的投资，而且热泵精馏存在流程复杂、操作困难的缺点。

作者以一个工业规模的丙烯-丙烷气体分离系统为典型的计算例子。主要条件如下：进料量为16 832 kg/h（约150 kt/a），进料温度为40 ℃，进料组成为丙烷25.8％（质量分数，下同），丙烯74％，乙烷等组分0.2％，分离要求实现塔顶产品丙烯质量分数大于99％。

现有常规流程蒸馏塔共需要200块理论板，进料位置在第146块。若要实现产品质量要求，模拟得到该精馏塔操作条件为：塔顶温度为43.4 ℃，压力为1800 kPa，塔底温度为58.7 ℃，压力为2100 kPa。

作者利用差压热耦合低能耗蒸馏技术，对丙烯-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145，塔顶压力为1800 kPa，塔底压力为2000 kPa，塔顶温度为43.4 ℃；降压分馏塔的理论塔板数是55，塔顶压力为1100 kPa，塔底压力为1200 kPa，塔底温度为33.7℃；进料位置在降压分馏塔的适当部位。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。

精馏过程主要能耗集中在热量和动力消耗上。表1为丙烯-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。从表1计算结果可以看到，差压热耦合低能耗蒸馏过程需要的仅是压缩机的动力消耗为4.92×106

kJ/h，而现有流程中需要热量消耗为6.39×107

kJ/h，差压热耦合蒸馏流程与现有常规蒸馏流程相比，总能耗降低了92.3％，大幅度削减了丙烯-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

现有常规流程能量消耗

设备名称

塔顶冷凝器

/kJ·h1

－差压流程能量消耗

/kJ·h1

－－6.34×107 —

—

（匹配换热）

－4.88×106

4.92×106

(1366.6 kW)

塔釜再沸器 6.39×107

主换热器

辅助冷凝器

压缩机

—

—

—

2.2 混合C4气体分离过程

C4资源主要来自炼厂催化裂化（FCC）装置和乙烯蒸气裂解装置。混合C4通常含有丁二烯、异丁烯、1-丁烯、2-丁烯、异丁烷、正丁烷等组分。作者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C4分离出后进行

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化 工 进 展 2008年第27卷

1-丁烯的异构化，其中分离的关键组分异丁烷沸点

为－11.73 ℃，1-丁烯沸点为－6.3 ℃，两者之间沸点差5.43 ℃，若采用常规精馏操作一般需要高压操作，需要好多的理论板数和很高的回流比才能实现严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：17 500 kg/h（约140 kt/a）；进料质量组成为：正丁烷11.54％，异丁烷36.27％，1-丁烯14.78％，反-2-丁烯17.37％，顺-2-丁烯11.31％，其它组分8.73％；进料温度：20℃，压力1400 kPa；塔顶操作压力：0.99 MPa（A），温度：60 ℃；工况要求异丁烷脱除率90％以上，C4烯烃回收率94％以上。

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T-2两个塔，其中T-1塔为脱轻精馏的精馏段，塔顶回流，共80块理论板（含冷凝器），该塔塔顶操作压力为0.99

MPa；T-2为脱轻精馏的部分精馏段和提馏段，全塔也为80块理论板，进料位置在第10块理论板，该塔为降压操作，操作压力较T-1塔压力低，为0.365

MPa，降压操作的目的就是将塔顶蒸气的潜热用于加热塔底的再沸器。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59.5 ℃，降压塔底温度为44.5 ℃，这样常规塔塔顶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常规流程需要热量消耗为2.90×107

3.73×106 kJ/h，kJ/h，差压流程与现有常规流程相比较总能耗降低了87.1％，大幅度降低了混合C4分离过程的能耗。对于该140 kt/a混合C4分离过程来说，采用差压低能耗精馏技术，每小时可节约蒸汽12 t，以蒸汽价

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

现有常规流程能量消耗

设备名称

塔顶冷凝器

/kJ·h1

－格100元/吨、用电价格0.7元/瓦计，每年（8000 h计）节能效益为400万元。

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，通过将常规蒸馏过程分割为常规分馏和降压分馏两个塔，可以实现塔顶蒸汽与塔底再沸器的热量耦合匹配，大幅度降低蒸馏过程的能耗。作者选择工业规模的丙烯-丙烷分离和混合C4分离过程作为典型的模拟实例，对该技术的节能效果进行了计算和分析，结果表明该分离流程节能效果显著，两个过程分别节能92.3％和87.1％。若该技术在化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。

参 考 文 献

[1] Bravo J L，Fair J R，Humphrey J L，et al．Fluid Mixture Separation

Technologies for Cost Reduction And Process Improvement [M]．NJ：Noyes Publications，Park Ridge，1986．

[2] Humphrey J L，Seibert A F．Separation technologies：an opportunity

for energy savings[J]．Chem. Eng. Prog.，1992，88(3)：32-41．

[3] 李群生．精馏过程的节能降耗及新型高效分离技术的应用[J]．化肥工业，2003，30(1)：3-9，57．

[4] Petlyuk F B，Platonov V M，Slavinskii D M．Thermodynamically

optimal method for separating multicomponent mixtures[J]．Int. Chem.

Eng.，1965，5：555-561．

[5] 杨霞，李玉刚，郑世清．一种新型的热偶精馏过程的节能分析与工业应用[J]．现代化工，2007，27（S1）：318-321．

[6] Triantafyllou C，Smith R．The design and optimization of fully

thermally coupled distillation columns [J]．Trans. Ichem. E.，1992，70(3)：118 -132．

[7] Wayburn T L，Seader J D．Solutions of systems of inter linked

distillation columns by differential homotopy-continuation methods

[C]//Processing of Computer-aided Process Design. The University of

Michigan，1984，756.

[8] 许锡恩，李守春．三相热偶合精馏过程的模拟[J]．化工学报，1989，40(1)：28- 37．

[9] Lin Wenjing，Seader J D，Wayburn T L．Multiple solutions to systems

of interlinked separation columns[J]．AIChE J.，1987，33 (6)：886-897．

差压流程能量消耗

/kJ·h1

－[10] Rafael C C，Seader J D，Thomas L W．Multiple steady 2 state

solutions for interlinked separation systems [J]．Ind. Eng. Chem.

Fundam.，1986，25 (4)：566-576．

[11] Rev E，Emtir M，Szitkai Z，et al．Energy savings of integrated and

coupled distillation systems[J]．Comp. Chem. Eng.，2001，25(3)：119-140．

[12] 杨友麒．热偶精馏塔操作特性的模拟研究[J]．化工学报，1990，41 (4)：491-497．

－2.71×107 —

—

（匹配换热）

－1.46×10

3.73×106

(1035.41kW)5塔釜再沸器 2.90×107

主换热器

辅助冷凝器

压缩机

—

—

—

本文标签： 过程常规蒸馏分馏塔精馏