精馏与节能

1 前言
     节能一直是人们所关注的重要课题。精馏过程的节能，首先要选择或设计高效的精馏设备，其次是适宜复杂混合物分离的流程安排，适宜操作条件和参数的确定及多效精馏、热泵精馏和中间冷凝器、中间再沸器的合理选择等。化学反应过程的节能，应考虑选择适宜的反应温度和反应压力，注意反应途径的合成、反应器类型的合理选择和反应条件的优化等。
2 精馏过程的节能
2.1 在最适宜回流比下操作［1］(P89)
     回流比直接影响再沸器和冷凝器的热负荷，决定精馏分离的净功耗，因此大体上确定了操作费用，同时还与塔设备的投资密切相关。在最小回流比Rmin附近，随R的增长，操作线与平衡线间的距离增大，达到规定分离要求所需的塔板数减少，使得设备费用下降。如果进一步增加回流比，在塔板数减少的同时，塔中蒸气流率和换热器热负荷的增大，造成塔径、再沸器和冷凝器传热面积增大，使设备费用增加。因此，应当根据总费用最小原则来选取适宜回流比Ropt。由于总费用在适宜回流比附近变化不大，可取R=(1.2～1.3)Rmin。这样做总费用增加不大，但操作弹性却增大了许多。
2.2 采用最佳进料热状态
     进料状态（用加料状态参数q表示）的不同将造成塔中精馏段和提馏段气液相流率的变化，从而影响Rmin以及达到规定分离要求所需的理论板数以及再沸器和冷凝器的热负荷。加料浓度的不同，即D/F的不同，料液预热的效果也不同，高温精馏当D/F较大又有适宜于加热料液的低温热源时，应尽量采用较低的q值，即以汽相或汽液混合物进料；当D/F较小时，应尽量采用较高的q值，即以液相进料，因为省去料液预热后,塔釜加热量增加甚少。低温精馏时，无论D/F多大，均宜采用较高的q值而以液相进料，因为此时塔顶的冷凝热负荷越小越经济。对于中等温度范围的精馏操作，即塔釜温度高于大气温度，而塔顶温度低于大气温度，应根据具体情况，确定最佳的进料状态。
2.3 直接利用精馏设备中移出的热量
     精馏塔顶的馏出液和塔釜残液均具有较高的温度，可以利用这些热量来预热进塔料液或其他物料。通过减压使较高温度的釜液闪蒸产生低压蒸气。对于塔顶是多组分产品且其泡点和露点有显著差别时，可以采用两级冷凝，回收高温位的热能。
2.4 采用热泵精馏等措施
2.4.1 采用热泵精馏
     将温度较低的塔顶蒸气经压缩后作为塔底再沸器的热源，称为热泵精馏。热泵精馏有三种典型流程，一种是利用外加的工作流体进行操作；第二种是对塔顶蒸气进行直接压缩，升温后作为塔釜加热剂；第三种流程是将釜液进行节流闪蒸后作为塔顶的冷却介质，该介质则受热气化，自身再经压缩升温后回入塔底。第一种流程所选用的工作流体，可以在压缩特性、汽化热等方面有更优良的性质，但需要用两台换热器，当塔顶蒸气或釜液蒸气有较好的压缩特性和较大汽化潜热时宜选用后两种流程。
2.4.2 采用中间冷凝器和中间再沸器
     在精馏塔内，温度自塔顶向塔底逐渐升高，如果在塔中部设置中间冷凝器，就可以采用较高温度的冷却剂。这意味着可以利用较廉价的冷源，节省有效能。如果在塔的中部设置中间再沸器，对于高温塔，则可以采用较低温度的加热剂。对于二元精馏塔，中间冷凝器和中间再沸器的使用，使操作线向平衡线靠拢，提高了塔内分离过程的可逆程度。
2.4.3 采用多效精馏
     为降低能耗，加热剂最高温度略高于塔底温度，冷却温度略低于塔顶温度。而实际情况是，最方便价廉的冷却剂是水或空气，最常用的加热剂是水蒸气，但是，这些热剂或冷剂很难符合上述要求。所以精馏塔经常无为地多消耗了不少有效能。为此可以采用多效精馏，只要精馏塔塔底和塔顶温度之差比实际可用的加热剂和冷却剂间的温差小很多，就可以考虑采用多效精馏。多效精馏通常可以大幅降低能耗。试论精馏和反应过程的节能十堰职业技术学院学报 2006年第5期 第19卷第5期
2.5 合理安排多组分物料的分离流程［2］（P93～101）
     多组分物料的分离需要采用多塔流程，这些塔如何排列，哪个组分首先分出，对能量的消耗影响很大。为了寻求合理的流程安排，可以采用以下方法：
2.5.1 试探法
     这种方法使用简便，不需要进行十分繁杂的计算，其经验规则如下：
     （1） 选择分离方法的经验规则
     当关键组分间的相对挥发度α＜1.05～1.1时，则不宜采用普通精馏，而应考虑采用加入第三组分的分离方法。分离时，应优先采用常温常压操作。如果精馏塔塔顶冷凝器需用制冷剂，则应考虑以吸收或萃取代替精馏。如果精馏需用真空操作，可以考虑用萃取替代。
     （2） 确定分离顺序的经验规则
     当产品是多元混合物时，能由分离塔直接得到产品是最好的。按照料液中各组分挥发度递减的次序，依次使各组分从塔顶分出最为经济，因为料液中的各组分仅需经受一次汽化和一次冷凝，耗能最少。
     （3）与组分性质有关的经验规则
     料液中热稳定性差的和有腐蚀性组分首先分出；会产生有害化学反应的组分首先分出，最容易的分离首先进行，最困难的分离（挥发度接近的组分）最后进行，这样可以节省净功耗。
     （4）与组成和经济性有关的规则
     宜选用使料液对半分开的分离，即D≈W，当D与W接近时，两塔段中呈现等同情况，塔的总体可逆程度增大，有效能损耗得到减小。宜将高回收率的分离留到最后进行。因为此时要求有很多塔板，塔较高，如果这时还有其他非关键组分存在，塔中汽相流率将增大，塔径也将增大，又高又大的塔将增大投资。宜将原料中含量最多的组分首先分出，含量最多的组分分出后，就避免了这个组分在后继塔中的多次蒸发、冷凝，减小了后继塔的负荷，这样就比较经济。
2.5.2 数学规划法
     数学规划法具有严格的数学基础，一般保证可以合成出最优分离序列。最优分离合成属于非线性混合整数规划问题，既要对可能构成的序列作出离散决策，又要对每个分离器（塔）的设计变量作出连续决策；既要找出最优分离序列，又要找出其中每个分离器的设计变量最优值。
2.6 选择或设计高效的精馏设备［3］ (P261～281)
     精馏塔可以是板式塔也可以是填料塔等。总的来说大直径的板式塔效率高而且操作稳定，设备费用低，小直径板式塔则安装较为困难，造价也高。板式塔适合于过程需要中间换热、中间进料或侧线出料的情况。但是其压降比较大，造成了能耗的增加；而填料塔的压降比较小，也适合于真空操作，用于难分离的气液混合物可以降低塔高。不论是板式塔还是填料塔关键都是要提供良好的气液接触和气液分布，对于填料塔则应尽可能选用那些高效填料，如波纹填料就具有气液分布均匀，气液接触面积大、通量大、传质效率高、流体阻力小等优点，是一种高效节能的新型填料，对于板式塔则应选择和设计压降小、塔板效率高的新型塔板如浮阀塔和其他新型塔板。高效精馏设备的选择和设计是降低过程能耗的基础。
3 化学反应过程的节能
3.1 选择适宜的反应温度和反应压力
     提高温度可以加快反应速率，但是又要受物料的热稳定性、催化剂的活性温度范围和设备材质的限制。一般来说，在保证一定反应速率的前提下，如果能在常温下操作则尽可能在常温下操作，如果是吸热反应过程，在考虑各种限制因素之后，可在较高的温度下操作，如果是放热反应过程，则存在一最佳操作温度曲线，应尽量控制温度沿着最佳温度曲线变化，但是考虑到操作上的方便性，则可采用多段床反应器（固定床），多段床反应器又有直接换热式、间接换热式和混合换热式。为了实现反应过程的绿色化对反应热应加以充分利用，或用于预热反应物料，或进行放热和吸热过程的耦合，或利用反应过程放出的热量产生蒸气。化学反应过程是在一定的压力条件进行的，为了降低能耗，尽可能使反应过程在常压下进行，对于那些必须在高压下进行的反应可以通过改变反应途径、选择适当的催化剂，特别是采用生物催化剂以降低操作压力，对于分子气态反应过程，尤其要考虑减小操作压力、减小能耗、提高平衡转化率；但应尽量避免在真空下操作。
3.2 反应途径的合成
3.2.1 反应的自由能
     按照反应的自由能，可给出反应路线的一个大致的评价准则，一个自发的反应必然伴随着自由能的下降。
     对于一个有效的工业过程，经验法则是：
     （1） △G＜0,反应是可能的；
     （2） △G＜40 kJ/mol，反应还值得考虑；
     （3） △G＞40 kJ/mol，只有在特定的情况下才值得考虑。
     对于反应过程中所有反应的动力学都应随后考虑，特别是趋于平衡状态，反应较充分的情况下，反应自由能△G可由反应温度下产物的自由能与反应物自由能之差来求。
3.2.2 自由能匹配
     可以用两个或多个反应相结合的方法，使一个不能直接进行的反应变为可能。自由能耦合的原则常被用在金属提取的工业过程中。如由镁的氧化物转化为镁的反应。
     2MgO2Mg+O2 △G2100K=420 kJ/mol
这一反应的△G＞＞0，难以进行，但碳的氧化反应：
     2C+O22CO △G2100K=-600 kJ/mol
△G ＜＜ 0，易于进行，所以可用镁分解与碳氧化的耦合反应来提取镁：
     2MgO+2C2Mg+2CO △G2100K=-180 kJ/mol
3.3.1 操作条件及反应过程
     对于已确定的反应路线，设计的中心问题是按给定的反应条件选择反应器类型。按平衡移动规则，高压条件适合于总摩尔数减小的反应过程，高温条件有利于吸热反应，一般来说，从反应动力学分析，高温有利，但催化剂可以在低温加速反应的进行。按化学计量式给定的配比，调整反应物各组分的比例，可使反应试剂总转化率达到最大值。使某一反应组分过剩，可增加其他组分的转化率或减少某些副反应。由反应产物中及时移去某一产物组分，则可以提高反应的转化率。一般情况下，转化率低时选择性高，转化率增高时，选择性递减。必须综合研究反应总投资成本，反应再循环成本与选择性下降的综合平衡问题，最优转化率一般小于最大产率时的转化率，按照生产所需的目标函数，确定反应条件的使用范围，使过程的总能耗降到最低。
3.3.2 反应器类型的合理选择
     吸热反应的反应过程特点，在于反应器内部或外部具有加热表面，应按所需的温度范围正确选择加热剂；可将过程中其他需冷却的热物流作为加热剂，这样可以做到加热与冷却相耦合，很好地节约能源。反应原料进入反应器后，可以先预热至反应温度，以省去反应器内的加热装置。放热反应则需要考虑热量的移除问题，可以借冷循环物流或惰性物质移出，或逐渐加入冷的反应原料，还可以把反应与别的单元操作结合起来，如反应精馏就是把反应与精馏结合在一起的操作，这样常常可以节省能量减少投资。反应效率不但影响能耗，而且影响投资及产品成本，对于反应来说，产率、转化率、反应原料的浓度和相对比例、操作的温度和压力都是重要的参数，选择适当的催化剂可同时改善反应条件，并降低成本。提高原料纯度，也是改善反应效率降低能量消耗的重要措施。
4 结论
     精馏和反应过程中的节能在化工过程中占有十分重要的位置，应当引起足够的重视，并且根据过程的实际情况采取科学有效的措施。在精馏过程中则可以采取最适宜回流比操作，采用最佳进料状态，使用中间冷凝器和中间再沸器，采用多效精馏、热泵精馏和合理安排多组分物料的分离流程，直接利用精馏过程的热量和开发应用高效换热器等措施。在反应过程中则应注意反应途径的合成、反应器的合理选择、高效反应器的设计开发和适宜反应条件的选择及优化等问题。

［参考文献］
［1］ 陆美娟.化工原理［M］.北京：化学工业出版社， 2001.
［2］ 王静康.化工设计［M］.北京：化学工业出版社， 1995.
［3］ 邓 修，吴俊生.化工分离工程［M］. 北京：科学出版社， 2000.

On energy conservation in distillation and reaction process
HU Ju, MA Junlin, LIU Ping
（Dept. of biochemical and environmental Eng., Shiyan Technical Institute, Shiyan 442000, China）
 Abstract:Energy conservation in distillation and reaction process is important on reducing fuel consumption, decreasing production costs and environmental protection. Measures are adopted such as optimum reflux ratio, optimum feed conditions, middle condenser and middle reboiler, multiple effect distillation, heat pump distillation, as well as arrangement of multicomposition separation process, heat utilization in distillation process, development and application of concentrated heat exchanger. For reaction process, great importance should be attached to compound of reaction ways, rational selection of reactors and development of efficient reactors, selection and optimization of reaction conditions.
 Key words: distillation process; chemical reaction process; compound of reaction ways; energy conservation