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1、93第1期 秦娅等：蒸馏过程大型化与节能节能技术专栏蒸馏过程大型化与节能秦 娅1 ，刘德新1 ，姜 斌1，2 ，黄国强1，2 ，李鑫钢1，2（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：蒸馏过程的大型化与节能是炼油工业及其他分离过程发展的必然趋势。针对蒸馏装置大型化过程中面临的问题，本文提出了蒸馏过程大型化理论和节能策略，开发出了低液面梯度技术、气液均匀分布技术、抗堵塞技术以及与此配套的一系列塔内件技术，形成了关键技术的系统集成，显著降低了过程能耗。同时列举了一些蒸馏过程大型化与节能关键技术的成功应用范例。关键词：蒸馏过程；大型化；节能中图分
2、类号：TQ 028.3 文献标识码：A 文章编号：10006613（2007）01009007Magnifying technology in distillation process and energy savingQIN Ya 1，LIU Dexin 1，JIANG Bin 1，2，HUANG Guoqiang 1, 2，LI Xingang 1, 2（1 School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072；2 National Engineering Research Cente
3、r for Distillation Technology，Tianjin 300072）Abstract：The development tendency of large-scale distillation units and energy conservation technology has been discussed. The primary problems existing in industrializing large-scale distillation equipments are pointed out，the magnifying & energy saving
4、distillation technology developed by Tianjin University，such as low liquid-level gradient technology，uniform liquid-vapor distribution technology，anti-clogging technology and a series of tower internals technology，on the basis of modern mass transfer theory，hydrodynamics，calculation hydrodynamics &
5、process system engineering theory，are introduced. Some successful cases in popularizing the key technology are enumerated. Key words：distillation process；magnifying technology；energy saving收稿日期 20061205。第一作者简介 秦娅（1979），女，博士研究生。联系人 姜斌，硕士生导师。电话 02227404701；Email binjiang。精馏技术作为过程工业领域的一项关键共性技术，广泛应用于炼油等
6、大型化工分离过程。现代精馏技术强调通过关键设备大型化实现规模效应，精馏过程大型化也是现代化工行业发展的必然方向，对降低能耗、提高设备效率、减少废物排放等方面具有重要意义。然而，精馏装置的大型化过程必然面临放大效应、长周期运行等一系列科学和工程难题。天津大学在现代传质理论、流体力学与计算流体力学、可视化设计、过程系统工程等理论研究的基础上，形成了精馏过程大型化与系统集成关键技术，大大提升了传统精馏过程的技术水平，显著降低了过程能耗。本文将对蒸馏过程大型化与节能技术及其在大型塔器设计中的应用作一简介。1 蒸馏过程大型化与节能的意义蒸馏过程大型化是炼油及其他分离过程发展的必然趋势。炼油工业的经济效益
7、与其规模密切相关，因此，炼油厂的大型化得到了世界各国的普遍重视。据测算，在同等规模下，单套装置比双套装置投资约少24%，装置能耗约减少19%；相同规模，3套装置投资比单套装置增加约55%，能耗增加约29%。一般认为，大型炼油厂以1020 Mt/ a为宜。与2000年相比，2005年初世界炼厂数目由756座减少到674座，减少10.85，而原油加工能力却增长了1.05，使炼厂平均规模由5 390 kt/a提高到6 110 kt/a，提高了13.421。2000年，我国炼厂平均规模约为2 290 kt/a，2005年已增长到4 150 kt/a，虽有较大提高，但与国外炼油水平相比仍有很大差距，行业
8、结构调整任重道远2。为此，“十一五”我国规划建设十几套千万吨级炼油装置，已成为国家的重大能源战略。未来几年，随着炼油装置结构的不断调整，大型常减压蒸馏装置还将得到进一步发展，因此我国已进入发展大型常减压蒸馏装置的重要时期。随着经济的快速发展，我国已成为第二大能源消费国，而其中石油的消费量呈逐年大幅度上升趋势，石油安全问题日趋显著。2006年能源蓝皮书中国能源发展报告(2006)指出，中国2004年原油进口达1.23亿吨，首次突破亿吨大关，石油进口依存度(净进口量占消费量比例)达到40，预计2010年将达到50。而由于世界石油出口集中于少数国家，再加上地缘政治因素，如何长期稳定地保证石油供应是一
9、个不容易解决的问题，也是涉及国家安全的重大问题。另一方面，与发达国家相比，我国能源利用效率只有33.4 ，远低于先进国家的52553。由此可见，我国在降低能耗强度方面大有潜力。所以，采用先进的节能技术，优先做好节约工作是解决我国能源问题的一个关键。精馏是化工分离主要耗能过程之一，占40%以上。降低精馏过程能耗是精馏技术创新的客观要求，因此蒸馏过程大型化与节能技术的开发将对我国能源问题的解决起到极大的促进作用。2 蒸馏过程大型化与节能关键技术开发2.1 大型化过程中面临的问题蒸馏过程大型化过程中必然面临以下几方面的问题：(1) 放大效应。在大装置上所能达到的某些指标，通常低于小型试验结果，即产生
10、所谓的“放大效应”，原因是随着装置的放大，物料的流动、传热、传质等物理过程的因素和条件发生了变化。(2) 长周期一般运行问题。大型装置的开、停工及检修时间较长，开、停工时的物料损耗较大，因此需要采取各种措施，特别是做好防腐、防垢、防止结焦等工作以保证大型装置长周期运转。国外大型装置的检修周期都在3年以上4。(3) 大型化设备及其微变型控制。装置规模的扩大必然带来设备的大型化，如何解决大直径塔的支撑结构微变形问题、保证气液两相均匀接触、实现物料均匀分布等问题的重要性和艰巨性是不言而喻的。(4) 高能耗。如果装置的规模增大，但能耗却不能减少，这样的规模难以真正地发挥应有的规模效益5。2.2 过程分
11、析与模拟作为精馏过程的设计依据，过程分析、工艺计算和流程模拟至关重要。流程模拟优化技术是提高工厂经济效益、降低生产成本、消除装置“瓶颈”的主要手段之一。因此，利用计算机模拟精馏过程操作，日益受到国内外科研工作者的关注。应用稳态过程模拟软件，可对全工艺流程进行多方案的对比计算，以提高收率、降低能耗、降低装置投资、减少对环境的污染为目标，优选生产的工艺流程及各单元之间的中间操作参数（如温度、压强、流速、组成等），并对各中间操作参数做敏感性分析，判断流程中各单元的可操作性及安全性。在新产品及新工艺研究开发的前期，对开发的可行性进行量化评估，提高过程开发的成功率。2.3 计算流体力学气体和液体广泛存在
12、于自然界和工业工程中，其行为又复杂多变。因而计算流体力学（CFD）一直是科学与工程计算中最重要和最有挑战性的领域之一。近些年来，随着计算机软硬件的发展以及计算流体力学理论和方法的不断发展完善，使用计算流体力学方法精确地模拟精馏设备中的流体流动特性已经成为可能。精馏过程在塔板和填料上属于气液两相流动传热传质过程，在气体分布、液体分布、塔内气液流动等存在大量多相流体力学问题，因此计算流体力学更有着特殊的意义。在传统数学分析难于实现的复杂边界条件和复杂几何形状处理方面的问题，可以通过计算流体力学得到很好的解决。本文对多项塔内件进行了流体力学性能研究，通过流场分布模拟，指导内件的设计开发，同时优化了部
13、分内件结构，以实现流线形分布，减少塔内件压力降，力图实现节能。2.3.1 环形折返流气液分布器大型蒸馏装置为气液两相进料且进气速度很高，气体分布器设计的好坏将直接影响塔器的设计水平和开车效果。双切向环流挡板式进气分布器是一种性能优良的进气初始分布器，但由于其向下冲击力较大，其轴向上返气容易产生严重的雾沫夹带，如此设计需要较高的进料闪蒸段。环形折返流气液分离分布器（见图1），是在双切向挡板式进料分布器的设计基础上，另外加设了捕液吸能器。这样基本上消除了液相的夹带，也使进入塔内的气体上返后更加均匀，这对于大直径的塔器可以更好地发挥填料及塔板的效率，进料闪蒸空间高度也大大降低。本分布器的设计采用Fl
14、uent流体力学计算软件，对流体在塔内的流动进行分析，并对结构设计结果进行验证。图2为环形折返流气液分离分布器内速度分布云图。可以看出随着高度的增加塔截面上的流场分布不均匀度逐渐减小，速度场分布更加均匀。气体分布的不均匀度和压降是评价气体分布器性能好坏的重要指标。图3和图4为不同气体进料流速下，分布不均匀度和压降的实验值与模拟值比较结果。对于处在同一高度的塔截面，随着进气速度的增加，不均匀度降低，压降随之增加，这符合塔内流体的一般分布规律。图1 环形折返流气液分离分布器三维效果图（a）塔轴向截面流场分布(X=0)（b） 塔径向截面流场分布(Z=0)（c）塔径向截面(Z=1.5)（d）塔径向截面
15、(Z=1.8 )（e）塔径向截面(Z=2.0)（f）塔径向截面(Z=2.5)图2 环形折返流气液分离分布器内速度分布云图图3 不同进料流速下气体分布不均匀度的实验值与模拟值比较图4 不同进料流速下压降的实验值与模拟值比较2.3.2 变孔径预分布管大型槽式分布器一般采用中间进料，在预分布管中部产生分流。预分布直接影响整个分布器的液体分布均匀性，若分布不均匀则在水平段起始端会产生较大的液体震荡，从而影响压头正常分布。多孔管中的液体分配比较复杂，具有很多种形式，理论上不能够实现绝对均匀液体分配，当等孔径预分布管不能够满足液体预分布要求时，可以采用变孔径开孔预分布管进行液体初始分配。由于流体流动极其复
16、杂，采用CFD进行模拟计算，优化设计不同位置的孔径。图5和图6分别为改进前后进料管的各个孔的流量分布图，对比得知，优化开孔直径后进料管分布均匀性能方面得到了明显的改善。 2.4 可视化设计为了提高设计质量、提高设计效率、降低设计成本、提高设计管理水平等，本文引入了塔内构件的可视化设计。它可以解决设计中最突出的几个问题，如复杂的投影线生成问题、漏标尺寸和漏画图线问题、机构几何关系和运动关系的分析讨论问题等。我国精馏装备制造行业已经发生了根本性的变化，然而，从制造业的发展来看，精馏塔器设计和制造还停留在传统的二维阶段，设计工作中存在很多重复性劳动。精馏塔以及内件的参数化设计能有效地提高产品质量达到
17、国际先进水平；智能化设计将有效地减少设计时间，降低设计成本；数字化设计将能有效地促进制造业信息化和计算机辅助制造。图7和图8分别为采用可视化方法设计的ZUPAC系列规整填料和槽式液体分布器的三维效果图。图7 ZUPAC系列规整填料三维图图8 槽式液体分布器的三维图2.5 结构优化蒸馏装置大型化必然面临塔内件的结构优化，以填料支承装置为例，其作用是支承塔内填料床层。对填料支承装置的要求是：应具有足够的强度和刚度; 应具有大于填料层空隙率的开孔率，防止在此发生液泛; 结构要合理，利于气、液两相均匀分布，阻力小，便于拆装6。大型塔支撑梁的设计好坏对填料的效率影响很大。本文借用铁路桥梁桁架的设计原理，
18、支撑梁设计时采用桁架支撑梁（示意图见图9）。桁架支撑梁具有强度高、挠度小等优点。减压塔填料及槽盘式集油箱的支撑梁均采用桁架支撑梁，桁架支撑梁中间可以穿行，可利用空间高度大大降低；同时改善了大支撑梁造成的气流旋流、冲击而影响填料性能的发挥，提高了气体的轴向通透性、水平通透性以及液体的轴向通透性，同时使支撑填料及集油箱的高度降低，从而降低了全塔高度。通过三维设计精确计算操作温度下和流场下桁架梁的强度、刚度、稳定性和可靠性。图9 桁架支撑梁以下以9.2 m塔径塔器的填料的支撑梁为例，应用三维设计软件来进行应力和挠度、稳定性的核算，并与工字梁进行了对比，计算结果见图10图13。桁架梁与工字钢的性能比较
19、见表1。图10 桁架梁等效应力分布图11 工字梁等效应力分布图12 桁架梁挠度变形图13 工字梁挠度变形表1 桁架梁与工字钢的比较项目最大挠度/mm最大等效应力/MPa金属消耗量/kg是否影响气相分布材料利用率桁架梁结构4.8993.25562否高工字钢结构5.1393.18319是低由表1可以看出，等高的桁架梁结构和工字梁结构的刚度和强度基本相同。但是金属消耗量存在较大差别，工字梁结构比桁架结构大约多消耗60的金属材料。从桁架结构与工字梁结构的等效应力分布图可以看出，工字梁结构应力分布不均匀程度要高于桁架结构，材料利用率较低。另外工字梁结构会阻碍气相自由流动，容易造成气相分布不均，影响分离效
20、率。以下以炼油装置减压蒸馏大型化与节能、催化裂化吸收稳定过程优化与节能、精密分离过程的差压蒸馏节能为例说明其应用情况。3 应用实例3.1 大型减压蒸馏强化与节能技术本文介绍了开发出的具有自主知识产权的蒸馏过程大型化关键技术，在炼油工业连续刷新并创造了单套装置处理能力由最初2 500 kt到5 000 kt、6 000kt、8 000 kt直至10 000 kt的全国记录，为12 000 kt炼油能力的实现打下坚实基础。针对炼油减压分离装置的节能及其大型化面临的气液分布、流体力学、传质传热等科学和工程难点，创造性地综合应用现代传递理论、流体力学与计算流体力学和系统分析优化等过程强化手段和方法，建
21、立了炼油分离过程大型化可视化设计方法，实现了传质传热多相流复杂体系、多目标下分离过程的强化与优化。采用高效规整填料及气液均布技术，开发出大型炼油减压蒸馏深度切割和过程强化关键集成技术和设备，实现大型减压塔的流线型低压降内构件设计。攻克了大型减压塔在工程放大过程中带来的液面梯度大、气液分布不均、易堵塞、大跨度支撑难度大等工程难点。该技术的应用使国内首套10 000 kt/a规模加氢原料减压蒸馏装置单位能耗降低24%，运行周期可延长1倍，减排二氧化硫30以上。该项目实施效果及其与国内外技术指标比较见表2、表3。该项目的应用推广覆盖了我国炼油能力80，推动了国民经济的发展。对推动行业技术进步做出重要
22、贡献，为“十一五”规划建设十几套千万吨级炼油装置，特别是天津市滨海新区大炼油项目的建设奠定了坚实的基础。表2 项目实施效果项目提供加氢原料/kta1最大动能因子/Pa0.5蒸馏强度/tm2h1全塔压降/mmHg拔出率/%二氧化硫排放速率/kgh1改造前7502.13.384549.540.2改造后设计值1 5003.627.051050.536.2标定值1 7004.657.96860.925表3 与国内外技术指标对比项目负荷率/%连续运行周期/年能耗/kg(标油)t1国外平均水平80以上3413.30国际领先水平90510.02国内平均水平70左右1.5311.9本项目水平90预计4年以上1
23、0.3723.2 催化裂化吸收稳定系统节能技术7精馏过程节能有很多种方法，但是通过流程改进，采用系统工程的方法实现节能，效果更加显著。吸收-稳定系统为催化裂化装置的后处理部分，传统的吸收-解吸有单塔和双塔两种流程810。双塔流程解吸塔主要有冷进料、热进料和冷热两股进料3种进料方式9。双股进料结合了单股冷进料解吸气量少和单股热进料可有效利用稳定汽油热量的优点，并克服了各自的缺点，使吸收塔和解吸塔的负荷均比较小，不仅有利于改善吸收塔的吸收效果，而且可以减小解吸塔底再沸器的负荷。值得指出的是，在常规双股进料工艺中，同样组成但温度不同的物料分两股进入塔的不同部位，扰乱了塔内汽液相组成剖面，冷、热进料之
24、间的部分存在轴向返混，使得推动力下降，塔板效率严重恶化。另一方面，大量气液混合进料会先冷却到40 左右以后，冷凝汽油的一部分再经稳定汽油加热，然后作为热进料进入解吸塔。这个“先冷却后加热”的过程从本质上讲是一种能量损耗，为此，本课题组提出一种节能工艺流程，主要具有以下优点。(1) 采用两级冷凝工艺，大幅度降低了平衡罐前的冷却负荷，而且避免了原流程中先冷却后加热的耗能过程，显著减少了不必要的能耗；二级冷凝可以使凝缩油中C2含量明显减少，从而解吸塔内负荷降低，解吸效果增强；二级冷凝具备了冷热两股进料的优点，但其冷、热两股进料的组成不同，有效地避免了返混。(2) 采用解吸塔中部加设再沸器的工艺，不仅
25、可充分利用稳定汽油的余热，而且可以使解吸塔底部再沸器的负荷大幅度降低。(3) 新流程与传统双塔流程相比，平衡罐前冷却负荷约减少了41.97 %，总冷负荷亦占有很大的优势；热负荷按蒸汽耗量计算，新流程可节约40.66 %左右。所有这些数据以及可靠的流程模拟结果都充分证明，所提出的催化裂化吸收稳定系统新流程可以在节能方面取得良好效果，有望在未来石油工业中获得广泛应用3.3 精密分离的差压蒸馏节能技术炼油厂铂重整碳九芳烃中主要含有邻（间、对）甲乙苯、均三甲苯、偏三甲苯、连三甲苯等同分异构体。其中偏三甲苯、均三甲苯、连三甲苯等组分是比较重要的有机化工原料，采用重整碳九芳烃可以生产偏三甲苯、均三甲苯及连
26、三甲苯等产品，由于碳九芳烃组分为一系列同分异构体，相互间沸点差小，用普通蒸馏塔器分离十分困难，工艺模拟计算和生产实际表明，蒸馏塔板数比较大，属精密分馏。碳九混合物的分离工艺分并联工艺和串联工艺，并联工艺又分为常压工艺和差压热集成工艺。锦州石化C9芳烃分离装置原工艺为常压方案，即采用双常压塔。本课题组提出了两套改进方案：常压优化进口方案和差压方案。通过优化T2塔进料口位置，可以减少热负荷从而实现节能。差压方案则采用一个常压塔、一个减压塔：T1塔底再沸器的热负荷提供T2塔顶的冷凝器所需的冷却负荷。3个方案的参数对比结果如表4所示，可见改进后工艺节能效果显著，尤其是差压方案。表4 三种方案的参数对比
27、方案温度/热负荷/MkJh1蒸汽总量/ th1偏三甲苯与常压方案能耗比较塔顶塔底冷却负荷加热负荷纯度/%收率/%常压方案T1160.9178.412.000811.53845.4698.686.621T2168.9185.5常压优化进口方案T1160.9178.410.21149.74914.6198.686.6284.8%T2168.9185.6差压方案T1128.5150.66.26675.83652.769998.5951.42%T2198.3214.44 结 论（1）蒸馏过程的大型化和节能是炼油工业及其他分离过程发展的必然趋势。（2）针对大型化过程中面临的问题，天津大学开发出了低液面梯
28、度技术、气液均匀分布技术、抗堵塞技术以及与此配套的一系列塔内件技术。（3）以炼油装置减压蒸馏大型化与节能、催化裂化吸收稳定过程优化与节能、精密分离过程的差压蒸馏节能为例，介绍了蒸馏过程节能的一些措施，表明蒸馏过程节能具有很大的潜力。 （4）开展蒸馏过程的大型化研究、过程节能及工程化应用，能够极大地提高设备效率、显著降低能耗、大量减少废物排放；对提升行业的技术水平、实现国际先进水平的规模效应具有显著的推动作用。参 考 文 献1 张德义. 近年来世界炼油工业发展动态及未来趋势J. 当代石油石化，2005，13（8）：511.2 张德义. 世界炼油工业结构调整及对我国的启示J. 石油化工技术经济，2
29、005，21（3）：17.3 华贲. 中国能源形式与炼油企业节能问题J. 炼油技术与工程，2005，35 (4)：15.4 徐承恩. 炼油厂的大型化J. 炼油设计，1997，27（5）：14.5 赖周平. 我国炼油厂大型化的探讨J. 石油化工设备技术，1996，17（6）：14.6 胡晖，徐世民，李鑫钢.大型填料塔技术及其工业应用J. 现代化工，2005，25（7）：5355.7 秦娅，周文娟，李鑫钢. 催化裂化吸收稳定系统工艺节能J. 化工进展，2006（增刊）：25.8 许学旺. 催化裂化吸收稳定装置调查报告J. 炼油设计，1993，23（2）：1421.9 李鑫钢，孙津生，姜斌，等.催化裂化吸收稳定过程模拟与分析J. 石油化工设计，1996，13（2）：4553.10 郑陵，杜英生，孙津生，等. 催化裂化吸收稳定系统的技术改造J. 石油化工设计，1994，11(4)：3945，63.
