综述专论 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ（）Ｉ ０ＧＹ化工科技， ＩＮ ＣＨＥＭＩ２０Ｃ１Ａｌ３，２ １Ｉ（ＮＤ１）ＵＳ：５４Ｔ￣５ＲＹ ７ 双效精馏节能技术研究进展＊ 代文阳，顾丽莉～，郭晓涛，刘克果，胡慧光 （昆明理工大学化学工程学院，云南昆明６５０５００） 摘要：精馏是化工生产中的重要操作单元，由于其能耗大，节能潜力高而备受关注。双效精馏是利 用２个精馏塔的操作压力不同而设计的，通过重复利用给定数量的能量来提高精馏设备的热力效率。主 要介绍了双效精馏的３种典型的工艺流程：顺流双效精馏、平流双效精馏、逆流双效精馏，并从能源利用方 面分析它们的特点和适用条件。综述了近年的双效精馏的模拟优化成果以及其节能现状与发展趋势。 关键词：双效精馏；优化；发展趋势 中图分类号：ＴＱ０２８．１ ３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—０５１１（２０１３）０１—００５４—０４ 精馏是石油化工行业重要的分离操作单元， 型错误的影响；Ｊ Ｐｏｈｌｍｅｉｅｒ和Ａ ＲｉｘＥ ］１９９６年提 世界上约９５ 互溶液体混合物的分离都是用精 馏操作的。精馏又是耗能较高的单元操作¨１］，在 产品生产成本中占有较大的比重，降低生产过程 中的能耗是降低产品生产成本提高竞争能力的关 键之一。 出了双效精馏塔设备和控制交互设计；同年 Ｍｙｕｎｇｗａｎ Ｈａｎ和Ｓｕｎｗｏｎ Ｐａｒｋ＿－ 提出了双效 精馏结构的多变量控制；１９９９年Ｋｕｍａｒ Ｓａｎｊｅｅｖ 和Ｇ Ｎ Ｔｉｗａｒｉ［６］建立了一个理论模型预计双效 精馏塔的日产量。 国内学者也做了大量研究并取得了一定成 果。刘启魁，王正权Ｅ ］利用流程模拟软件ＰＲＯⅡ 对甲醇双效精馏过程进行了参数优化，通过改变 高压塔的压力，采出比例，找出最佳的压力值和回 多效精馏是利用高压塔顶蒸汽的潜热给低压 塔的再沸器提供热量的热集成精馏系统Ⅲ２］。与单 塔相比，多效精馏可以大大提高能量的利用率。 近年来随着能源紧张和人们环境意识的增强，多 效精馏在化工行业逐渐受重视。双效精馏的原理 是重复利用给定数量的能量来提高精馏设备的热 力效率。精馏系统由不同操作压力的塔组成。利 用较高压力的塔顶蒸汽作为相邻压力较低的精馏 塔再沸器的热源。此较低压力精馏塔的再沸器即 为较高压力精馏塔的冷凝器。塔顶蒸汽的汽化潜 热被系统本身回收利用。因此在较大程度上节约 了精馏装置的能耗。 早在２Ｏ世纪７０年代，国外学者对多效精馏 的节能情况就做了大量研究。Ａ１・Ｅｌｇ和Ｐａ— 流比，达到节能效果。王桂云等Ｅ ］研究了双效精 馏节能的影响因素，主要讨论了塔的操作压力，进 料分配比和回流比对精馏节能的影响。高维平［。 等系统研究了４种多效精馏流程的特点，建立节 能型精馏流程优化模拟机分析系统，并将模拟优 化计算的结果与普通精馏流程对比，结果表明多 效精馏节能率达４Ｏ 以上。李瑞端ｌ１ｏ］等研究新 型的双效精馏一气相进浓缩塔双效精馏流程，使乙 醇一水系统的双效精馏节能效率提高１５ ～ ５４ ｌａｚｏｇｌｕ￣。］在１９８９年建立了高纯度双效精馏塔的 动态模型来研究环干扰以及多环ＰＩ控制器上模 ：２ｏ１２一ｌＯ一１８ １双效精馏的类型与发展 双效精馏主要是利用２个精馏塔的操作压力 ：代文阳（１９８７一），女，河南新乡人，昆明理工大 士，主要从事天然产物的分离与提纯。 联系人。 目：国家自然科学基金资助项目（２０９６６００４）。 不同而设计的。利用加压精馏塔冷凝器作为热 源，向常压精馏塔再沸器（热井）供热，将加压精馏 塔冷凝器和常压精馏塔再沸器耦合成冷凝再沸 第１期 代文阳，等．双效精馏节能技术研究进展 ・ ５５ ・ 器，实现热集成，达到节能目的＿】 ］。按照进料方 向与操作压力梯度方向是否一致，双效精馏可分 为三类：双效并流（分流进料），双效顺流（高压塔 进料）和双效逆流（低压塔进料）＿１４］。 １．１双效顺流流程 双效顺流是流程向高压塔提供热量，高压塔 顶蒸汽的冷凝热供低压塔底再沸器使用，高压塔 的釜底液作为低压塔的原料液，其流程见图１。 再 图１顺流双效精馏流程 近几年来，双效顺流的节能主要是利用 ＡＳＰＥＮ ＰＬＵＳ中的化工模拟软件中的ＲＡＤＦ— ＲＡＣ模块，使用热力学计算模型，对过程进行模 拟。以能耗为目标函数，塔顶的蒸汽量作为决策 变量，来确定最佳的操作条件。主要包括两塔的 操作压力，进而决定操作温度，回流比，进料位置， 确定最优的工艺流程。肖丰和高维平［１５］通过建 立数模，采用简捷优化法与逐板严格计算相结合 的方法对双效顺流过程进行了优化设计，分析评 价了节能的效果，节能可达到３Ｏ ，在实际中已 经推广使用。同年，张鹏＿１ 等人研究了进料组成 对节能效果的影响。以乙醇一水体系为研究对象， 得出了顺流双效适用于重组分含量高时，最大节 能率可达５Ｏ 。杨家军、肖丰［１ 等人对顺流双效 ＨＧＬ精馏流程作了进一步研究，通过改变进料位 置，提出了顺流双效ＨＧＬ精馏装置。并从塔的 理论板数和总费用之间的关系评估设备费用，得 出了双效顺流的节能潜力。 １．２双效平流流程 双效平流主要是高、低压塔分别进料，塔顶和 塔底都有产品的采出。只给高压塔提供热源，工 作蒸汽的走向与双效顺流精馏相同，高压塔顶冷 凝释放的潜热做为低压塔再沸器的热源，这样就 较大程度上节省了能源，流程见图２。 平流双效精馏流程的研究主要是采用优化设 计的方法，通过建立数学模型，并通过实例来验证 数学模型的通用性，来考察节能的效果。然后提 出一些优化设计的计算方法，分析优化各个工艺 参数，进而得到最优的设计方案。高维平、杨 莹ｌ１ ］对平流双效精馏过程进行了研究，认为平流 双效精馏流程适用于分离低沸组分浓度大于高沸 组分浓度的双组分物系。当热源温度较高，再沸 器中有足够的传热温差和需要高回流比时，使用 平流双效精馏较好。加热蒸汽和冷却水所耗费用 比单塔节省，节省率高达４０ 到５０ 。虽然设备 投资增加了，但年运转费用节省４０ 以上。 再 圈２平流双效精馏流程 １．３双效逆流流程 双效逆流精馏操作流程是物料从低压塔进 料，加热蒸汽从高压塔再沸器进入，产生的高压塔 顶蒸汽作为低压塔再沸器的热源。对逆流双效精 馏，根据高压塔进料的来源以及产品的出处，又可 以将双效逆流的工艺流程分为３种。流程一，原 料进入低压塔，其塔顶采出作为原料送入高压塔， 高压塔塔顶蒸汽向低压塔塔釜提供热量，两塔塔 底均有产品采出，而塔顶只有高压塔有产品采出， 见图３。 塔 剥 顶塔—进底出料出 １料ｌ＼１ 低压塔Ｉ ｌＩ Ｉ 二１ 塔顶ｆ 一ｊ料２ — ●＿ 塔底出料２ 一 器 ’ 图３逆流双效精馏流程一 流程二，原料进入低压塔，其塔底采出作为原 料送入高压塔，高压塔塔顶蒸汽向低压塔塔釜提 供热量，两塔塔顶均有产品采出，而塔底只有高压 ・５６・ 塔有产品采出，见图４。 、图４逆流双效精馏流程二 流程三，原料进入低压塔，其塔顶 塔底采出 作为原料送入高压塔，高压塔塔顶蒸汽向低压塔 塔釜提供热量，高压塔的塔顶和塔底均有产品采 出，低压塔没有产品采出，见图５。 图５逆流双效精馏流程三 近几年来，逆流双效精馏的研究方向主要是 使用模拟软件ＡＳＰＥＮ ＰＬＵＳ以及ＰＲＯⅡ等，对 工艺流程进行模拟，着重考虑了系统设计和控制 交互作用，达到优化的目的。张鹏［１９］等人对这３ 种双效逆流流程的节能效果进行对比研究，使用 模拟软件ＰＲＯⅡ进行双效逆流模拟，得出进料组 成、进料温度对逆流双效精馏节能率的影响，流程 二的节能效果最好，流程三的节能效果次之，流程 一的节能效果最差。３种逆流双效精馏流程的节 能率均随着进料温度的升高而下降，双效精馏最 好应用在进料温度小于泡点温度的情况下。李瑞 端，高维平ｌ＿２。。等人又研究了泡点以上温度进料的 新型节能流程，气体进料做再沸器热源双效精馏 流程，并使用模拟软件ＰＲＯⅡ，对该流程进行模 拟。结果表明，逆流双效精馏的节能率均随进料 温度的先升高后下降再升高，气体进料作再沸器 热源双效精馏最好应用在进料温度在露点附近， 节能效果更佳。刘艳杰等＿２ｌ＿研究了多效逆流精 馏流程的设计型模拟优化计算，建立了逆流精馏 过程的设计计算的通用数学模型，通过实例考核， 第２１卷 证明了所给模型的可靠性和正确性。 ２结束语 精馏过程在化工单元操作中由于能耗大，节 能潜力高而备受关注。作者总结了精馏过程主要 的节能技术，对各类技术的类型、原理及研究现状 进行了综述。双效平流、双效顺流和双效逆流基 本上都是对醇类及烷烃等小分子的提纯精馏，大 多关于甲醇、乙醇及烷烃的双效精馏节能，并且节 能效果显著。芳烃、重芳烃的双效精馏的研究是 在双效逆流条件下有一定的成果，李玮 等对重 芳烃分离装置中逆流双效精馏的特点进行了分 析，并应用ＣｈｅｍＣＡＤ软件进行模拟，优化条件， 使节能率高达４８．９ 。当前研究的方向主要是 小分子的醇类和烷烃的双效精馏节能，对芳烃及 大分子的烯烃研究较少。已有研究表明从流程结 构出发，研究新的高效节能精馏流程，把普通精馏 塔顶蒸汽的冷凝热有效合理的利用，实现精馏塔 内或塔间的热集成，就可以大幅度降低精馏的能 耗，从根本上解决精馏能耗高的技术关键问题。 ［参考文献］ ［１］Ｅｎｇｅｌｉｅｎ ＨＫ，Ｓｋｏｇｅｓｔａｄ Ｓ．Ｍｉｎｉｍｕｍ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉａｇｒａｍｓ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｅｆｆｅｃｔ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ ，ｌＪ］．ＡＩＣｈＥ Ｊｏｕｒｎａｌ， ２００５，５１（６）：１７１４－１７２５． ［２］Ａｇｒａｗａｌ Ｒ．Ｍｕｈｉｅｆｆｅｃｔ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ 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ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ－ｅｆｆｅｃｔ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ｄａｉ Ｗｅｎｙａｎｇ，Ｇｕ Ｌｉｌｉ，Ｇｕｏ Ｘｉａｏｔａｏ，Ｌｉｕ Ｋｅｇｕｏ，Ｈｕ Ｈｕｉｇｕａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５０５００．Ｃ ｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａ１ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ａｔｔｒａｃｔｅｄ ｍｕｃｈ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｆｏｒ ｉｔｓ ｅｎｅｒｇｙ－ｗａｓｔｉｎｇ ａｎｄ ａ ｂｉｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｏｒ ｓａｖｉｎｇ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ—ｅｆｆｅｃｔ ｄｉｓｔｉｌ— ｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｏｒｓ，ａｎｄ ｉｔ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｂｙ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｍａｉｎｌｙ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ－ｅｆｆｅｃｔ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｄｏｕｂｌｅ－ｅｆｆｅｃｔ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ，ｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ－ｅｆｆｅｃｔ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃ０ｕｎｔｅｒｃｕｒｒｅｎｔ ｄｏｕｂｌｅ—ｅｆｆｅｃｔ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ）ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｉｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｐ— ｐｌｉｃａｂｌｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ 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