錢伯章

（上海擎督信息科技有限公司金秋能源石化工作室)

節(jié)能塔器和分離技術(shù)

錢伯章*

（上海擎督信息科技有限公司金秋能源石化工作室)

就節(jié)能塔器和分離技術(shù)的國(guó)內(nèi)外最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述，其中包括節(jié)能型塔器內(nèi)件、新型填料、無塔蒸餾精制設(shè)備、熱集成蒸餾塔、超重力場(chǎng)精餾技術(shù)和分壁式塔器等內(nèi)容。

塔器 分離 節(jié)能 蒸餾

蒸餾是目前應(yīng)用最廣、總能耗最大的化工分離過程。精 （分）餾塔是化工行業(yè)應(yīng)用最普遍的裝置之一，但傳統(tǒng)的精餾方式能耗高、熱力學(xué)效率低。隨著煉油、化工、環(huán)保等行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和興起，蒸餾分離過程大處理量、連續(xù)化操作的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮。但蒸餾是高能耗的分離過程，在美國(guó)，蒸餾耗能約占化工行業(yè)的17.6%，大部分國(guó)家的這一比例更高，占到25%～40%。塔器一般占設(shè)備總投資的20%左右，有的甚至高達(dá)50%。在大型工業(yè)化生產(chǎn)過程中，無法避免地遇到產(chǎn)品的高純度與高能耗的矛盾，因此蒸餾技術(shù)的強(qiáng)化與節(jié)能顯得尤為重要，目前這一技術(shù)已成為各國(guó)普遍關(guān)注的科研課題。

1 節(jié)能型塔器內(nèi)件

1.1 塔器內(nèi)件改進(jìn)

美國(guó) 《化學(xué)工程》2010年1月報(bào)道，美國(guó)UOP公司開發(fā)的一種新型蒸餾設(shè)備已在韓國(guó)LG公司麗水的石化裝置上實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，改造的蒸餾塔也將投產(chǎn)，預(yù)計(jì)乙烯處理量是以前普通塔盤的兩倍。普通篩板塔或固定閥塔盤的產(chǎn)能受到泡沫高度和可以?shī)A帶液體量的限制，而UOP的SimulFlow技術(shù)在每一塔段將所有的液體都夾帶到氣體中從而避免形成泡沫，其高處理量是通過在一個(gè)接觸通道內(nèi)使液體和氣體共流并采用高效氣液相分離器而實(shí)現(xiàn)的。SimulFlow技術(shù)與篩板塔的不同之處在于，它具有多個(gè)水平的接觸組件。每個(gè)組件都包括一個(gè)下行導(dǎo)管和兩個(gè)氣液分離器，后者位于下行導(dǎo)管的對(duì)面，在下行導(dǎo)管和分離器之間形成兩個(gè)氣液共流通道。下行的液體通過位于下行導(dǎo)管底部的噴管分散，并被上行的氣體夾帶。兩相混合，然后經(jīng)分離器分開。在LG化工公司裝置的案例中，主要由乙烯和乙烷組成的混合物進(jìn)到塔中，由塔頂?shù)玫礁呒兌纫蚁?，而乙烷凝聚并從塔底回收。圖1所示為SimulFlow新型蒸餾技術(shù)的組件結(jié)構(gòu)。

圖1 SimulFlow新型蒸餾技術(shù)

圖2 降液管分布器內(nèi)部液流方向

據(jù)美國(guó) 《化學(xué)工程》2010年5月1日?qǐng)?bào)道，美國(guó)化學(xué)工程協(xié)會(huì) （AIChE）2010年春季會(huì)議 （圣安東尼奧，得克薩斯，3月21～25日）上提出了一種新型蒸餾塔盤降液管分布器設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以改善液流方式，提高傳質(zhì)效率。降液管分布器由AMT國(guó)際協(xié)會(huì) （得克薩斯州普萊諾市）和馬來西亞石油公司共同承擔(dān)的聯(lián)合研究項(xiàng)目開發(fā)，該項(xiàng)目的目的是消除典型蒸餾塔盤上常見的相對(duì)于理想液相流動(dòng)方式的偏差。由于液相滯流區(qū)的存在，塔盤上流體的返流會(huì)形成這種偏差。降液管分布器技術(shù)可使流體在降液管內(nèi)部及其離開降液管時(shí)定向流動(dòng)和分散。在AMT降液管分布器內(nèi)部 （如圖2所示），通過 “獨(dú)特設(shè)計(jì)的、傾斜式三角形的分布孔”，液體按照預(yù)先規(guī)定好的比例進(jìn)行分布，形成和保持統(tǒng)一的柱塞流流動(dòng)方式。在測(cè)試中，在常規(guī)操作條件和同樣的浮閥塔盤下，相比現(xiàn)有的降液管構(gòu)造，新型降液管分布器始終能提高塔盤效率約5%～10%。AMT認(rèn)為，將該降液管分布器技術(shù)與其高效大通量浮閥塔盤相結(jié)合，應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)液化氣和脫丙烷塔，分別可提高效率24%和29%。開發(fā)方認(rèn)為，該設(shè)計(jì)除增加傳質(zhì)效率外，也對(duì)滯流區(qū)不起作用的問題采取了措施，消除了塔盤上的液相滯流區(qū)，因此可以提高塔的效能。該降液管分布器技術(shù)自2008年開始已經(jīng)在多個(gè)工業(yè)蒸餾塔上得到應(yīng)用，用戶中包括馬來西亞石油公司。

1.2 新型填料

由江西萍鄉(xiāng)車田工業(yè)瓷廠自主研發(fā)的一種節(jié)能高效的新型填料——流線形規(guī)整波紋填料2009年9月下旬通過清華大學(xué)化學(xué)工程系實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。測(cè)試顯示，這一產(chǎn)品具有較高的節(jié)能效果。清華大學(xué)檢測(cè)人員在對(duì)流線形規(guī)整波紋填料與普通規(guī)整波紋填料進(jìn)行對(duì)比測(cè)試后得出結(jié)論，這種新型填料相對(duì)于普通填料具有較低的壓力降，說明這種填料可以在較高的氣液負(fù)荷下運(yùn)行；在較高的氣液負(fù)荷下（Fv＞1.5），流線形填料因壓力降比較小，可正常操作，并表現(xiàn)出了較好的傳質(zhì)性能。據(jù)介紹，目前用于化工、石化等行業(yè)的干燥塔、洗滌塔和精餾分離塔設(shè)備中的填料有多種，而精餾分離塔大都采用由若干塊波紋形板相互交錯(cuò)疊加形成的波紋填料。傳統(tǒng)填料流動(dòng)阻力較大，降低了液體精餾的分離效果，而新研發(fā)成功的流線形規(guī)整波紋填料專利產(chǎn)品解決了這一問題。

杭州快凱高效節(jié)能新技術(shù)有限公司于2010年8月16日宣布，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型導(dǎo)流網(wǎng)格填料已由該公司開發(fā)成功。多家煤化工企業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，該新型填料較傳統(tǒng)填料阻力大大降低，溶液循環(huán)量減少約25%，相應(yīng)地節(jié)電約25%。

據(jù)稱，該新產(chǎn)品填料比表面積成倍增加，具有良好的液體均勻分布性能和導(dǎo)流性能。液體在填料表面的自分布能力好，可避免填料表面干流區(qū) （盲區(qū)）的產(chǎn)生。液體能在柵板表面很好地濕潤(rùn)形成薄膜，使氣液接觸的實(shí)際有效表面積達(dá)到理想值，傳質(zhì) （傳熱）效率高。規(guī)則的垂直流道使得懸浮物很難淤積于填料內(nèi)，因而不易堵塔，塔阻小，壓降低，生產(chǎn)運(yùn)行周期長(zhǎng)。該產(chǎn)品一次注塑成型，具有抗壓強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)、不倒塌等優(yōu)點(diǎn)。

該導(dǎo)流網(wǎng)格填料已獲國(guó)家專利授權(quán)。浙江江山雙氧水有限公司采用該填料對(duì)脫硫系統(tǒng)中傳統(tǒng)的填料塔進(jìn)行改造，取代原規(guī)整填料和散堆填料。運(yùn)行一年多的工況表明，填料層阻力未見升高，填料未停車清洗。福建邵武化肥有限公司將該產(chǎn)品應(yīng)用在造氣系統(tǒng)洗氣塔及氣柜進(jìn)、出口冷卻塔等設(shè)備上，降溫冷卻、煤塵洗滌效果好。與原來空塔噴淋工況相比，氣體溫度普遍降低8～9℃，洗氣塔出口洗滌水中煤塵含量明顯增多，且運(yùn)行近一年半來填料層阻力未見升高，填料未停車清洗。截至目前，已有杭州龍山化工、安徽晉煤金龍?jiān)椿ぁ不諠}上鑫泰化工等多家企業(yè)在技改中選擇了該產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了高效、安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1.3 我國(guó)塔器分離新技術(shù)躋身國(guó)際先進(jìn)行列

南京大學(xué)分離工程研究中心經(jīng)過10年攻關(guān)，研發(fā)成功節(jié)能減排效果突出的塔器分離新技術(shù)，2010年4月11日，這項(xiàng)技術(shù)通過中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)組織的鑒定。鑒定專家組認(rèn)為，該新型塔器分離技術(shù)總體已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，其中菱形母子浮閥等技術(shù)屬國(guó)際首創(chuàng)。

截至目前，該項(xiàng)成果已在國(guó)內(nèi)幾十家企業(yè)獲得應(yīng)用，累計(jì)回收有機(jī)溶劑67萬t，減排氮氧化物40.4萬t，資源化制取50%硝酸112.5萬t，至少節(jié)約2萬t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的蒸汽，為企業(yè)累計(jì)新增產(chǎn)值130億元。該項(xiàng)目已獲國(guó)家發(fā)明專利12項(xiàng)。

南京大學(xué)分離工程研究中心以開發(fā)過程工業(yè)中化學(xué)混合物分離技術(shù)為重點(diǎn)，歷時(shí)10年，在節(jié)能減排塔器分離新技術(shù)的研究與應(yīng)用上取得突破?？蒲腥藛T基于非平衡熱力學(xué)熵增速率函數(shù)，將塔板的熵增速率與其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行直接關(guān)聯(lián)，提出了節(jié)能型新結(jié)構(gòu)塔板設(shè)計(jì)方法。這一新方法在國(guó)內(nèi)外塔板研究史上尚屬首次。工程化測(cè)試表明，基于此新方法研制的超級(jí)浮閥塔板與傳統(tǒng)的導(dǎo)向梯形浮閥塔板相比，干板壓降只相當(dāng)于傳統(tǒng)塔板的42%，液相板效率平均提高36%，操作彈性是傳統(tǒng)塔板的1.67倍，在工業(yè)上使用可大幅提高分離效率并降低能耗。

在此基礎(chǔ)上，課題組又研制出氮氧化物廢氣資源化處理新工藝裝備和精紡過程中有機(jī)溶劑二甲基乙酰胺的高純回收新工藝裝備。這兩項(xiàng)裝備的工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，工業(yè)廢氣中99%以上的氮氧化物活性成分可被捕集并制成硝酸循環(huán)使用，尾氣中氮氧化物含量遠(yuǎn)低于50 mg/m3的國(guó)標(biāo)規(guī)定；回收的二甲基乙酰胺完全滿足高質(zhì)量氨綸聚合纖維生產(chǎn)的要求，回收率高達(dá)99.5%以上，其產(chǎn)品純度和水、堿、酸的含量均為國(guó)際同類技術(shù)最好水平。

當(dāng)前我國(guó)面臨嚴(yán)峻的節(jié)能減排形勢(shì)，過程工業(yè)中化學(xué)物質(zhì)的高精度分離、化石燃料和原料的有效利用以及 “三廢”中化學(xué)物質(zhì)的資源化回收等，都迫切需要高效分離技術(shù)。

1.4 節(jié)能的無塔蒸餾精制設(shè)備

經(jīng)過7年攻關(guān)，河南省安陽(yáng)高新區(qū)當(dāng)代化工研究所于2010年4月11日宣布，成功研制出無塔蒸餾精制系列設(shè)備，開辟出一條無塔蒸餾生產(chǎn)新途徑。據(jù)介紹，該系列設(shè)備于2009年年底定型，包含無塔蒸餾機(jī)、無塔精餾機(jī)、甲醇乙醇無塔精制機(jī)三大類，可單獨(dú)或組合使用，此前國(guó)內(nèi)外尚未見該類技術(shù)報(bào)道。無塔蒸餾機(jī)可以生產(chǎn)90%～95%含量醇，無塔精餾機(jī)可以生產(chǎn)96%～99.5%含量醇，甲醇乙醇精制機(jī)則達(dá)到99.9%～99.95%無水醇和色譜純指標(biāo)。系列產(chǎn)品組合使用時(shí)，可以把15%～30%低度醇一次提高到99.9%～99.95%。目前，無塔蒸餾精制設(shè)備已申報(bào)發(fā)明和實(shí)用新型專利，新型系列提純?cè)O(shè)備樣品機(jī)已公開展示。

無塔蒸餾 （精餾）的實(shí)現(xiàn)得益于他們發(fā)現(xiàn)的一種新提純?cè)怼４罅繉?shí)驗(yàn)證明，小巧的無塔分離器提純效果與蒸餾釜上7～25 m的高塔效果相同。新設(shè)備體積大幅縮小，投資更少，基建周期短，操作簡(jiǎn)單，普通廠房即可生產(chǎn)，能耗與傳統(tǒng)蒸餾塔相同或略低。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，化工生產(chǎn)過程中40%～70%的能耗用于分離，其中蒸餾能耗約占95%，蒸餾塔占設(shè)備總投資的25%左右，因此矮塔和無塔蒸餾將是未來的發(fā)展方向，在這一領(lǐng)域我國(guó)已位居世界前列。此前浙江工業(yè)大學(xué)分離研究所推出了全球第一臺(tái)折流式超重力旋轉(zhuǎn)床，將蒸餾塔大幅度矮化，清華大學(xué)評(píng)價(jià)其為 “化工生產(chǎn)跨世紀(jì)的晶體放大器”。安陽(yáng)當(dāng)代化工研究所此次發(fā)明的無塔蒸餾精制設(shè)備則開啟了無塔提純新時(shí)代。

1.5 有助于大量節(jié)能的熱集成蒸餾塔

一種新的蒸餾系統(tǒng)與常規(guī)蒸餾塔相比，可使能耗節(jié)減高達(dá)50%，該系統(tǒng)由日本東洋工程公司與日本先進(jìn)工業(yè)科學(xué)和技術(shù)國(guó)家研究院 （AIST）合作開發(fā)。東洋工程公司對(duì)該過程擁有獨(dú)家轉(zhuǎn)讓權(quán)，其商品名稱為SuperHIDiC，并計(jì)劃在石油煉制、石油化工和精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)裝置中予以應(yīng)用。

SuperHIDiC基于熱集成的蒸餾塔 （HIDiC），東洋工程公司通過進(jìn)一步開發(fā)，改進(jìn)了性能并克服了與傳統(tǒng)的HIDiC相關(guān)的困難。SuperHIDiC不但具有更簡(jiǎn)單的機(jī)械配置，更重要的是還具有與以前HIDiC類似的或更好的節(jié)能性能。

新系統(tǒng) （見圖3）將蒸餾塔分成精餾和汽提兩個(gè)部分，在每一段的中間部分進(jìn)行熱交換。采用熱虹吸系統(tǒng)使混合物進(jìn)行循環(huán)，而不采用泵送操作。使用一臺(tái)壓縮機(jī)以提升塔內(nèi)壓力和溫度，側(cè)線換熱與熱泵的組合使能耗減少了一半。

圖3 SuperHIDiC蒸餾系統(tǒng)基于熱集成的蒸餾塔

東洋工程公司表示，除了節(jié)約能源外，SuperHIDiC更易于維護(hù)，與現(xiàn)有的HIDiC系統(tǒng)相比可實(shí)現(xiàn)寬范圍的應(yīng)用。

1.6 超重力場(chǎng)精餾技術(shù)

浙江工業(yè)大學(xué)開發(fā)的超重力場(chǎng)精餾技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，其專利產(chǎn)品為折流式超重力床，這個(gè)僅1 m高的設(shè)備可代替約10 m高的傳統(tǒng)精餾塔，不僅使設(shè)備體積大大縮小，并且在分離熱敏性物質(zhì)或者高黏度物料方面較傳統(tǒng)設(shè)備具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前該設(shè)備已在全國(guó)推廣應(yīng)用近300套，該技術(shù)成果獲得了中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

2011年11月底，浙江工業(yè)大學(xué)分離工程研究所研發(fā)的折流式超重力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)床已實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，用戶反映甚佳。與傳統(tǒng)的塔器設(shè)備相比，該設(shè)備高度降低1至2個(gè)數(shù)量級(jí)，可大大節(jié)省場(chǎng)地和材料資源，是一種典型的資源節(jié)約型設(shè)備。該研究所發(fā)明的這項(xiàng)專利產(chǎn)品已在國(guó)內(nèi)300多家企業(yè)成功用于甲醇、乙醇等溶劑回收的精餾過程和高黏度、熱敏性物料中殘余溶劑的汽提過程，并開創(chuàng)了在單臺(tái)超重力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)床設(shè)備中完成工業(yè)生產(chǎn)連續(xù)精餾的先河。

超重力旋轉(zhuǎn)床又稱超重力機(jī)，是上世紀(jì)80年代初從國(guó)外先發(fā)展起來的一種新型氣液傳質(zhì)設(shè)備，典型的結(jié)構(gòu)是填充式旋轉(zhuǎn)床。其基本原理是利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一種穩(wěn)定的離心力場(chǎng)來代替常規(guī)重力場(chǎng)，使氣液兩相之間的傳質(zhì)傳熱或反應(yīng)過程得到強(qiáng)化。由于旋轉(zhuǎn)床設(shè)備具有體積小、重量輕、維修方便、靈活可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而被稱為 “化學(xué)工業(yè)的晶體管”。我國(guó)對(duì)于該技術(shù)的研發(fā)在1985年前基本空白，1990年北京化工大學(xué)建立了我國(guó)第一家超重力工程技術(shù)研究中心，之后華南理工大學(xué)、湘潭大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)等一些高等院校也都相繼對(duì)其基礎(chǔ)理論展開研究，包括對(duì)旋轉(zhuǎn)床內(nèi)的流體流動(dòng)現(xiàn)象、流體力學(xué)特性、氣液傳遞過程及傳質(zhì)模型、停留時(shí)間測(cè)定、微觀混合特性和模型以及旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)對(duì)傳質(zhì)的影響等方面，并取得了不同程度的突破。

據(jù)介紹，折流式超重力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)床是浙江工業(yè)大學(xué)經(jīng)過多年努力，于2004年成功開發(fā)出的一種動(dòng)、靜折流圈鑲嵌的旋轉(zhuǎn)床設(shè)備，主要應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)中的精餾、吸收、解吸、除塵以及氣液、液液化學(xué)反應(yīng)等化工單元操作。 該設(shè)備在研發(fā)過程中采用了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，使設(shè)備整體性能大大提升。

針對(duì)填充式、碟片式、螺旋式旋轉(zhuǎn)床分離能力不足以及無法使用單臺(tái)設(shè)備用于連續(xù)精餾等問題，浙江工業(yè)大學(xué)分離工程研究所的科研人員創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出折流式超重力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)床裝置和多層折流式超重力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)床裝置，實(shí)現(xiàn)了氣液逆向接觸流動(dòng)的功能，并可成倍提高理論塔板數(shù)。他們還成功地將折流式超重力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)床裝置應(yīng)用于連續(xù)精餾，實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)多層式設(shè)備中多單元操作的工藝集成，如汽提與精餾、反應(yīng)與吸收、精餾與萃取。這是目前國(guó)際上的其他旋轉(zhuǎn)床所無法實(shí)現(xiàn)的。在結(jié)構(gòu)上，該設(shè)備采用了轉(zhuǎn)子上蓋板靜止，解決了動(dòng)與靜的矛盾，省掉了轉(zhuǎn)子與氣相出口之間的動(dòng)密封，提高了設(shè)備的可靠性，降低了制作難度，并可在同一臺(tái)設(shè)備上串聯(lián)安裝兩組以上的轉(zhuǎn)子。

2004年在浙江省某藥企投入使用的第一套折流式超重力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)床設(shè)備6年來一直保持穩(wěn)定運(yùn)行。該廠采用該設(shè)備最明顯的好處在于，一是不需要專門用于精餾塔的框架，整個(gè)精餾裝置的占地面積小，可以靈活利用空間，若采用分布式溶劑回收的方法，甚至不再需要溶劑回收車間；二是持液量小，開停車時(shí)間短，一般開車15 min就可以正常進(jìn)出料；三是設(shè)備安裝維護(hù)方便，不再需要高空吊裝。 2004年，折流式超重力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)床裝置獲得了中國(guó)發(fā)明專利；2006年3月，被列為浙江省重大科技計(jì)劃招標(biāo)項(xiàng)目的高效氣液傳質(zhì)設(shè)備超重力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)床項(xiàng)目通過了浙江省科技廳鑒定。

在強(qiáng)調(diào)節(jié)能減排的今天，可大大節(jié)省場(chǎng)地和材料資源、效率高、能耗低的折流式超重力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)床受到企業(yè)熱捧。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，該設(shè)備不同于傳統(tǒng)的填料式、碟片式和螺旋式等旋轉(zhuǎn)床，應(yīng)用于甲醇-水等體系的工業(yè)連續(xù)精餾過程具有效率高、能耗低、體積小等特點(diǎn)，技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平。

1.7 離心強(qiáng)化分離技術(shù)

華東理工大學(xué)針對(duì)環(huán)己酮生產(chǎn)裝置廢堿污染難題，在環(huán)己烷氧化清潔生產(chǎn)工藝中通過引入離心強(qiáng)化分離技術(shù)，提出了梯級(jí)脫堿新工藝，建立了設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)、零速包絡(luò)面、顆粒群湍流結(jié)構(gòu)、分散顆粒四種層次結(jié)構(gòu)的協(xié)同關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了污染物的精細(xì)分離。

2 節(jié)能的分壁式塔器技術(shù)

化工行業(yè)在能耗上的花費(fèi)是其總的操作成本的30%～40%。而美國(guó)煉油廠的能耗花費(fèi)平均為50%或以上。在俄羅斯、委內(nèi)瑞拉和中東，這個(gè)數(shù)字大約是70%。在石油煉制行業(yè)，蒸餾過程能耗占總能耗約為40%。在美國(guó)，擁有4萬座蒸餾塔，在歐洲估計(jì)也有大約相同數(shù)量的蒸餾塔。世界上還有更多數(shù)量的蒸餾塔。因此，蒸餾是應(yīng)對(duì)能源消耗挑戰(zhàn)的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。在這樣的形勢(shì)下，新型塔器塔盤和填料得到了應(yīng)用，新型分壁式蒸餾節(jié)能技術(shù)也得到了推廣。

采用創(chuàng)新的蒸餾方案可改進(jìn)能效，節(jié)能的分壁式 （DW）塔器已投入商業(yè)化應(yīng)用。圖4所示為節(jié)能的分壁式塔器。

圖4 節(jié)能的分壁式塔器

分壁式塔器已由幾家公司應(yīng)用于不同領(lǐng)域：

（1）UOP公司應(yīng)用于煤油分餾裝置，以及UOP公司應(yīng)用于其專有的PEP工藝過程 （作為線型烷基苯生產(chǎn)過程的組成部分）。

（2）巴斯夫公司應(yīng)用于化學(xué)品生產(chǎn)。

（3）沙索公司應(yīng)用于1-己烯回收。

（4）埃克森美孚公司應(yīng)用于二甲苯分離。

（5）KBR公司用于為BP公司設(shè)計(jì)的重質(zhì)石腦油分餾。

（6） 維巴 （Veba） 集團(tuán)也有應(yīng)用。

（7）伍德公司用于為雪佛龍公司設(shè)計(jì)的從熱解汽油中脫除純苯的工藝。伍德公司也將分壁式塔器與萃取精餾相組合，用于BTX芳烴抽提。

使用分壁式 （DW）塔器可分離三組分混合物，無需使用第二座塔。巴斯夫公司是該領(lǐng)域技術(shù)的世界領(lǐng)先者。第一座DW塔設(shè)置于1985年，應(yīng)用于回收精細(xì)化學(xué)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全世界DW工業(yè)化塔器不足20座，大多由巴斯夫公司建設(shè)和操作。而至2005年7月，已有近60座DW塔器投入運(yùn)行，其中42座為巴斯夫公司擁有，其余為其他公司所建，但其中有一些得到巴斯夫公司的技術(shù)支持，例如位于德國(guó)Hollriegelskreuth的林德公司采用巴斯夫的關(guān)鍵技術(shù)建設(shè)了三座DW塔器，包括世界上最高的一座，高107 m，為南非薩索爾公司用于回收己烯-1。

分壁式 （DW）塔器，顧名思義，是用直立壁將塔器中間部分分隔開。在典型的操作中，三組分混合物進(jìn)入塔器中間部分分壁的一側(cè)，輕質(zhì)和重質(zhì)組分分別從塔頂和塔底被回收 （像常規(guī)蒸餾那樣），中間組分從塔器進(jìn)料口背面一側(cè)以側(cè)線抽出除去。

當(dāng)今燃料費(fèi)用上漲，采用DW塔器可節(jié)能20%～45%，投資可節(jié)約約30%。另一收效是：當(dāng)兩座塔組合成一座塔時(shí)，因?yàn)橹胤衅鞅砻娴臒釓?qiáng)度減小，故在熱敏產(chǎn)品的蒸餾中，可獲得較高的產(chǎn)率和較好的產(chǎn)品質(zhì)量。

3年前，巴斯夫公司將DW塔器技術(shù)拓展用于4組分分離 （見圖5）。目前，已有三座這類的塔器投入運(yùn)轉(zhuǎn)，用以回收精細(xì)化學(xué)品中間體。4組分分離的關(guān)鍵是這些化學(xué)品的沸點(diǎn)必須相當(dāng)接近，以便限制重沸器和冷凝器之間的溫差。

UOP公司將DW設(shè)計(jì)應(yīng)用于Pacol改進(jìn)工藝（PEP）的工業(yè)化裝置，這種復(fù)雜的分離是UOP公司長(zhǎng)鏈烷烴脫氫為長(zhǎng)鏈烯烴的Pacol工藝的組成部分 （見圖6）。烯烴再與苯烷基化生成線型烷基苯（LAB）。PEP過程在Pacol與烷基化步驟之間，其功能是從Pacol物流中去除重質(zhì)芳烴副產(chǎn)物。在PEP中產(chǎn)生兩股物流，它們?cè)贒W塔中被分離，形成烯烴/烷烴產(chǎn)品，以及苯 （用于下游烷基化步驟）。

圖5 分離4組分的分壁式塔器

圖6 UOP公司PEP工藝分壁式塔器

第一套工業(yè)化PEP裝置已在美國(guó)投運(yùn)了5年之久，其他三套裝置也在世界各地建設(shè)中。與以前雙塔分餾系統(tǒng)相比，DW設(shè)計(jì)可節(jié)約投資費(fèi)用約14%，節(jié)能50%。UOP公司也將DW設(shè)計(jì)應(yīng)用于其他幾個(gè)工藝過程中，包括從反應(yīng)物中分離高辛烷值汽油調(diào)合組分。

西班牙南部CEPSA公司Algeciras煉油廠在催化重整下游，有一溶劑蒸餾裝置，用以分離烷烴和異構(gòu)烷烴，得到不同組分和沸點(diǎn)的溶劑。為增產(chǎn)新溶劑，決定改造原有蒸餾塔，采用分壁式蒸餾節(jié)能技術(shù)。該煉廠應(yīng)用優(yōu)化過程仿真模型對(duì)常規(guī)雙塔蒸餾和分壁式塔器 （DWC）方案進(jìn)行分析，結(jié)果改造很成功。取得的效益有：節(jié)能30%，節(jié)約改造投資30%，可得到高純?nèi)軇┬庐a(chǎn)品，占地小。圖7為常規(guī)蒸餾與分壁式塔器蒸餾方法流程。圖8為常規(guī)己烷和庚烷分離裝置流程與分壁式塔器分離5種產(chǎn)品的新流程。圖8（a）的常規(guī)蒸餾有兩座蒸餾塔。塔1（D-V3，為設(shè)備號(hào)，下同）為脫己烷（C6）塔，塔頂分出己烷，塔底為庚烷 （C7），側(cè)線為異庚烷。塔2（D-V4）為脫戊烷 （C5）塔，降低塔底產(chǎn)品己烷 （C6）沸點(diǎn)。圖8（b）為分壁式塔器分離方案，仿真軟件包設(shè)計(jì)達(dá)到以下要求： （1）降低側(cè)線抽出nC6和nC7損失，以達(dá)到增產(chǎn)目的；（2）脫己烷塔 （D-V3）負(fù)荷切換到脫異己烷塔（D-V3），原有重沸器和冷卻器系統(tǒng)再用于新的負(fù)荷； （3）塔2（D-V4）高度不變，在原有塔體內(nèi)設(shè)置新的塔器內(nèi)件，成為分壁式塔器。

圖7 常規(guī)蒸餾與分壁式塔器蒸餾方法流程

圖8 常規(guī)塔裝置流程和分壁式塔器新流程

圖9 為原有塔器（D-V4）和按分壁式蒸餾要術(shù)改造的塔器比較。表1列出了常規(guī)蒸餾與分壁式塔器蒸餾流程的性能比較。采用分壁式蒸餾流程，達(dá)到了以下目的： （1）可生產(chǎn)新產(chǎn)品異己烷（iC6）；（2）塔器可在超水力負(fù)荷下運(yùn)行； （3）比原塔器降低了操作費(fèi)用，節(jié)約了能耗。

瓦萊羅能源公司已于2011年2月15日成功地開啟了美國(guó)得克薩斯州和田納西州煉油廠采用的先進(jìn)的重整生成油降苯分離器。三個(gè)應(yīng)用于移動(dòng)源空氣毒物 （MSATⅡ）純苯濃縮單元，分別位于瓦萊羅能源公司得克薩斯州Port Arthur和Sunray以及田納西州Memphis的煉油廠。它們利用先進(jìn)的重整生成油分離器分壁式塔器 （DWC）進(jìn)行分除，這些分壁式塔器由KBR公司進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。瓦萊羅能源公司位于路易斯安那州Norco的St.Charles煉油廠的第四個(gè)純苯濃縮單元，已于2011年投用。分壁式塔器可用于從汽油物流中濃縮和去除純苯，從而可使煉油廠滿足美國(guó)限制車用汽油中苯含量的法規(guī)指令要求。

2011年1月美國(guó)已經(jīng)按照新法規(guī)將汽油含苯量從原先的1% （體積）降低到0.62% （體積），這是美國(guó)環(huán)保局 （EPA）頒布的移動(dòng)源毒物排放法規(guī)第二階段 （MSATⅡ）要求的一部分。大多數(shù)煉油商在生產(chǎn)中都已滿足了這個(gè)法定要求。在生產(chǎn)成本上難以承受的一些小煉油廠被允許推遲在2015年執(zhí)行這個(gè)法規(guī)。

圖9 原有塔器和按分壁式蒸餾要術(shù)改造的塔器比較

表1 常規(guī)蒸餾與分壁式塔器蒸餾流程性能比較

瓦萊羅能源公司選用了低成本的新方法滿足這個(gè)降苯要求。在自己的四座煉油廠都沒有建設(shè)投資大的苯萃取新裝置，所用的方法是通過蒸餾生產(chǎn)苯的濃縮物，然后再把苯的濃縮物送到在得克薩斯州的Corpus Cheisti煉油廠原有的芳烴回收裝置進(jìn)行回收。選用的蒸餾新方法就是分壁式蒸餾塔（DWC），將重整生成油通過分壁式塔蒸餾，生產(chǎn)出苯的濃縮物。三座煉油廠的分壁式塔已在2010年年底投產(chǎn)，第四座煉油廠的分壁式塔也已在2011年投產(chǎn)。

分壁塔的優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行三組分混合物分離，而用其它方法進(jìn)行分離需要兩座塔串聯(lián)。與兩塔串聯(lián)的方法相比，采用分壁塔能節(jié)省投資，能量消耗少，二氧化碳排放少。

瓦萊羅公司所用分壁塔的工藝流程是，重整油從中部送進(jìn)分壁塔，輕餾分向上流動(dòng)并從塔頂部導(dǎo)出，重餾分從塔底部回收，在塔中分隔壁進(jìn)料側(cè)中部流動(dòng)的富苯餾分從分隔壁另一側(cè)的中部進(jìn)行回收。瓦萊羅公司稱，分壁塔實(shí)際上能回收進(jìn)料中所有的苯，在苯的濃縮物中苯的純度很高。用常規(guī)單塔蒸餾，只能得到三分之一到二分之一的濃度，因此轉(zhuǎn)移物料的費(fèi)用為分壁塔的2～3倍。分壁塔的性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，分壁塔的成本通常比常規(guī)塔兩塔串聯(lián)低30%～40%，能耗減少30%左右。

KBR公司倫敦技術(shù)中心稱，瓦萊羅公司在煉油廠使用分壁塔是分壁塔技術(shù)進(jìn)展中的重大事件，是在西半球的首次應(yīng)用。雖然分壁塔在上世紀(jì)80年代就開始工業(yè)應(yīng)用，但推廣不快，許多用戶對(duì)其操作性能和控制仍有保留。目前世界上在用的分壁塔還為數(shù)不多，且大多數(shù)都在德國(guó)巴斯夫公司。UOP公司在其生產(chǎn)線型烷基苯 （LAB）組合工藝的Pacol強(qiáng)化工藝 （PEP）中選用了分壁塔，選擇性脫除烯烴/烷烴原料中的芳烴。用分壁塔把混合料中的烷烴、芳烴和苯分離，然后生產(chǎn)直鏈烷基苯。到目前為止，UOP公司已設(shè)計(jì)了采用分壁塔的PEP裝置共5套，其中3套已經(jīng)投產(chǎn)。

Energy-saving Columns and Separation Technology

Qian Bozhang

Reviewed the latest progress on energy-saving columns and separation technology at home and abroad,including inner parts of energy-saving columns,new packing,refining distillation equipments without tower,heat integrated distillation towers,high gravity distillation technologies and dividing wall columns etc.

Columns;Separation;Energy-saving;Distillation

TQ 051.8+1

*錢伯章，男，1939年生，教授級(jí)高工。上海市，200127。

2012-06-21）