精馏干货1多效精馏

精馏干货精馏干货 15 ||15 || 多效精馏多效精馏 化工 707 导语 精馏是化工生产中的一个能耗大户，为了降低其能 耗，可以采用多种节能措施，多效精馏（多效精馏（ Multi-effectMulti-effect DistillationDistillation ））就是其中之一。 1 1 多效精馏原理多效精馏原理 多效精馏是通过扩展工艺流程， 来降低精馏操作能耗的一种 途径。其基本原理是重复使用供给精馏塔的能量，以提高热力 学效率。具体做法是以多塔代替单塔，将一个分离任务分解为 由若干个操作压力不同的塔来完成，每一个精馏塔成为一效，将每一个精馏塔成为一效，将 前一效塔顶蒸汽作为后一效塔底再沸器的加热蒸汽前一效塔顶蒸汽作为后一效塔底再沸器的加热蒸汽， 以此类推直 至最后一个塔，如图 1 所示。 1 1 / 9 9 在多效精馏过程中，各塔的操作压力不同，前一效压力高于 后一效压力，前一效塔顶蒸汽冷凝温度略高于后一效塔釜液的沸 点温度。 因此，多效精馏充分利用了冷热介质之间过剩的温差，特点 在于其能位不是一次性降级的，而是逐塔逐级降低的。这样，在 整个流程中，只需第一效加入新鲜蒸汽， 最后一效加入冷凝介质， 而中间各塔则不再需要外加蒸汽和冷凝介质，由此达到了节能的 目的。（ P1＞ P 2＞＞ PN） 2 2 多效精馏流程多效精馏流程 多效精馏的工艺流程根据加热蒸汽和物料的流向不同，通常通常 分为三大类分为三大类 并（顺）流（从高压塔进料）、逆流（从低压塔进并（顺）流（从高压塔进料）、逆流（从低压塔进 2 2 / 9 9 料）和平流（每效均有进料）料）和平流（每效均有进料） ，三种典型多效精馏流程如图2 所 示。 ⑴多效顺流精馏⑴多效顺流精馏 是工业中最常见的流程模式，见图2（a）， 物料和蒸汽的流动方向相同。 优点是溶液从压力和温度较高的一效流向压力和温度较低 的塔，这样溶液在效间的输送可以充分利用效间的压差作为推动 力，而不需要泵。同时，当前一效溶液流入温度和压力较低的后 一效时，溶液会自动蒸发，可以产生更多的二次蒸汽。此外，此 种流程操作简单，工艺条件稳定。 但缺点是随着溶液从前一效逐渐流向后面各效，其浓度逐渐 增高，但是其操作温度反而降低，导致溶液的黏度增大，总传热 3 3 / 9 9 系数逐渐下降。因此，对于随组成浓度增大其溶液黏度变化很大 的溶液不宜采用。 ⑵多效逆流精馏⑵多效逆流精馏 流程见图 2（b），物料和加热蒸汽的流动 方向相反，物料从最后一效进入，用泵依次送往前一效，由第一 效排出；而加热蒸汽由第一效进入。 优点是溶液的浓度越大精馏塔的操作温度也越高，因此因 组成浓度增大使黏度增大的影响大致与因温度升高使黏度降低 的影响相抵消，故各效的传热系数也大致相同。 缺点是溶液在效间的流动是由低压塔流向高压塔，由低温 流向高温，因此必须用泵输送，动力消耗较大。此外，各效进料 均低于沸点，没有自蒸发，与并流流程对比，各效产生的二次蒸 4 4 / 9 9 汽较少。一般来说，多效逆流流程适用于黏度随温度和组成变化 较大的溶液，但不适用于热敏性物料的分离。 ⑶多效平流流程⑶多效平流流程 如图 2（c），原料液平行加入各效，分离 后溶液也分别由各效排除。蒸汽由第一效流向末效，二次蒸汽多 次利用。此种流程适用于处理精馏过程中有结晶析出的溶液，如 某些无机盐溶液的精馏分离，过程中析出结晶而不便于效间输 送，则可以采用多效平流流程。 3 3 多效精馏的节能效果和效数多效精馏的节能效果和效数 一般来说，多效精馏的节能效果是以其效数来决定的。理论 上，与单塔相比，双塔组成的双效精馏的节能效果为50，而 5 5 / 9 9 三效精馏的节能效果为67，四效精馏节能效果为75，由此 类推，对于 N 效精馏，其节能效果为 式中 η 为节能效果， N 为效数。 由此可以看到同样增加一个塔， 从单塔精馏到双塔精馏的节 能效果可达 50，而从三效精馏到四效精馏的节能效果仅增加 了 8，所以在采用多效精馏节能时，要考虑到节省的能量与增 加的设备投资间的关系。在效数达到一定程度后，再增加效数时 节能效果已不太明显。 需要说明的是，上述的节能效果为理论值，在实际应用时则 要低于理论值。随着效数的增加，加热蒸汽的消耗量减少，操作 费用降低，但同时设备投资费增大。同时效数的增加又使传热温 差减小，传热面积增大，故换热器的投资也增大。因此应在全面 权衡节能效果和经济效益的基础上确定，通常多采用双效精馏，通常多采用双效精馏， 个别流程采用三效精馏，极少超过三效精馏个别流程采用三效精馏，极少超过三效精馏。 4 多效精馏应用准则多效精馏应用准则 在多效精馏应用中，一般适用于非热敏性物料的分离，并且 只要精馏塔塔底和塔顶温差比实际可用的加热剂和冷却剂温差 小得多，就可以考虑采用多效精馏。但是，实际上多效精馏要受多效精馏要受 到以下许多因素的影响和限制到以下许多因素的影响和限制。 6 6 / 9 9 ⑴效数的增加受到第一级加热蒸汽压力及末级冷却介质种 类的限制，第一效的最高操作压力必须低于塔内物料的临界压 力；对热敏物质，第一效的温度不能高于其热分解温度。 ⑵再沸器的设计温度最高不得超过可用热源的温度。 ⑶塔的最低操作压力通常要根据冷却介质的冷却能力而定， 要保证所采用的冷却介质可以冷却塔顶气相。 ⑷各塔之间必须有足够的压差和温差，以便有足够的冷凝器 和再沸器推动力。 ⑸效数的增多使操作更加困难，两塔之间的热耦合，需配备 更高级的控制系统。 另外，还需考虑体系相对挥发度、进料组成及热状态、板效 率以及现有塔的利用等因素。 总之，在考虑多效精馏节能方案时，要从系统的全过程进行 分析、评估，以便选择满足工艺要求的最佳流程方案。 多效精馏主要应用在小规模的分离上多效精馏主要应用在小规模的分离上， 比如乙醇行业中广泛 应用的差压蒸馏技术（也叫多效精馏），其广泛应用的原因是和 石化行业相比其规模和分离板数都太少，而规模较大的石化行 业，较常用的方法是设置中间再沸器和中间冷凝器。 5 5 多效精馏应用实例甲醇多效精馏应用实例甲醇 - -水分离水分离 7 7 / 9 9 顺流双效精馏流程如图3 所示， 常压-减压塔流程。 T1为常压塔，则 T1塔顶压力（A）为 101kPa ，甲醇质量 P， 质量分数为 0.995，温度为 64.6℃。根据物料衡算可得 D1D 2796kg/h ，T2 塔釜物流 W2中甲醇质量分数为0.039。 为使热量顺流从 T1塔顶送入 T2塔釜，则 T2塔釜温度不能超过 64.6℃（本应用中不考虑传热温差，近似认为减压塔塔釜温度为 64.6 ℃），经计算，甲醇 -水混合物在甲醇质量分数为0.039、 温度为 64.6℃下的饱和气体压力为25.1kPa ，不考虑塔压降， 则 T2的全塔操作压力为25.1kPa 。 8 8 / 9 9 T1和 T2均为 15 块理论板，进料位置为第10 块塔板，回流 比分别为 1 和 0.8。经试差计算得 T1塔顶采出量为 380kg/h ， T2塔顶采出量为 416kg/h 。通过计算得 T1塔釜再沸器温度为 72.2℃，再沸器热负荷为28