多效精餾應用準則包括

導語： 精餾是化工生產中的一個能耗大戶，為了降低其能耗，可以采用多種節能措施，多效精餾（Multi-effect Distillation）就是其中之一。

多效精餾原理

多效精餾是通過擴展工藝流程，來降低精餾操作能耗的一種途徑。其基本原理是：重復使用供給精餾塔的能量，以提高熱力學效率。具體做法是：以多塔代替單塔，將一個分離任務分解為由若干個操作壓力不同的塔來完成，每一個精餾塔成為一效，將前一效塔頂蒸汽作為后一效塔底再沸器的加熱蒸汽，以此類推直至*后一個塔，如圖 1 所示。

在多效精餾過程中，各塔的操作壓力不同，前一效壓力高于后一效壓力，前一效塔頂蒸汽冷凝溫度略高于后一效塔釜液的沸點溫度。

因此，多效精餾充分利用了冷熱介質之間過剩的溫差，特點在于其能位不是一次性降級的，而是逐塔逐級降低的。這樣，在整個流程中，只需**效加入新鮮蒸汽，*后一效加入冷凝介質，而中間各塔則不再需要外加蒸汽和冷凝介質，由此達到了節能的目的。（P1＞ P2＞…＞ PN）

多效精餾流程

多效精餾的工藝流程根據加熱蒸汽和物料的流向不同，通常分為三大類: 并（順）流（從高壓塔進料）、逆流（從低壓塔進料）和平流（每效均有進料），三種典型多效精餾流程如圖2所示。

⑴多效順流精餾是工業中*常見的流程模式，見圖2（a），物料和蒸汽的流動方向相同。

優點是：溶液從壓力和溫度較高的一效流向壓力和溫度較低的塔，這樣溶液在效間的輸送可以充分利用效間的壓差作為推動力，而不需要泵。同時，當前一效溶液流入溫度和壓力較低的后一效時，溶液會自動蒸發，可以產生更多的二次蒸汽。此外，此種流程操作簡單，工藝條件穩定。

但缺點是隨著溶液從前一效逐漸流向后面各效，其濃度逐漸增高，但是其操作溫度反而降低，導致溶液的黏度增大，總傳熱系數逐漸下降。因此，對于隨組成濃度增大其溶液黏度變化很大的溶液不宜采用。

⑵多效逆流精餾流程見圖2（b），物料和加熱蒸汽的流動方向相反，物料從*后一效進入，用泵依次送往前一效，由**效排出；而加熱蒸汽由**效進入。

優點是：溶液的濃度越大精餾塔的操作溫度也越高，因此因組成濃度增大使黏度增大的影響大致與因溫度升高使黏度降低的影響相抵消，故各效的傳熱系數也大致相同。

缺點是：溶液在效間的流動是由低壓塔流向高壓塔，由低溫流向高溫，因此必須用泵輸送，動力消耗較大。此外，各效進料均低于沸點，沒有自蒸發，與并流流程對比，各效產生的二次蒸汽較少。一般來說，多效逆流流程適用于黏度隨溫度和組成變化較大的溶液，但不適用于熱敏性物料的分離。

⑶多效平流流程如圖2（c），原料液平行加入各效，分離后溶液也分別由各效排除。蒸汽由**效流向末效，二次蒸汽多次利用。此種流程適用于處理精餾過程中有結晶析出的溶液，如某些無機鹽溶液的精餾分離，過程中析出結晶而不便于效間輸送，則可以采用多效平流流程。

多效精餾的節能效果和效數

一般來說，多效精餾的節能效果是以其效數來決定的。理論上，與單塔相比，雙塔組成的雙效精餾的節能效果為50%，而三效精餾的節能效果為67%，四效精餾節能效果為75%，由此類推，對于N效精餾，其節能效果為：

式中 η 為節能效果，N為效數。

由此可以看到同樣增加一個塔，從單塔精餾到雙塔精餾的節能效果可達50%，而從三效精餾到四效精餾的節能效果僅增加了8%，所以在采用多效精餾節能時，要考慮到節省的能量與增加的設備投資間的關系。在效數達到一定程度后，再增加效數時節能效果已不太明顯。

需要說明的是，上述的節能效果為理論值，在實際應用時則要低于理論值。隨著效數的增加，加熱蒸汽的消耗量減少，操作費用降低，但同時設備投資費增大。同時效數的增加又使傳熱溫差減小，傳熱面積增大，故換熱器的投資也增大。因此應在全面權衡節能效果和經濟效益的基礎上確定，通常多采用雙效精餾，個別流程采用三效精餾，極少超過三效精餾。

多效精餾應用準則

在多效精餾應用中，一般適用于非熱敏性物料的分離，并且只要精餾塔塔底和塔頂溫差比實際可用的加熱劑和冷卻劑溫差小得多，就可以考慮采用多效精餾。但是，實際上多效精餾要受到以下許多因素的影響和限制。

⑴效數的增加受到**級加熱蒸汽壓力及末級冷卻介質種類的限制，**效的*高操作壓力必須低于塔內物料的臨界壓力；對熱敏物質，**效的溫度不能高于其熱分解溫度。

⑵再沸器的設計溫度*高不得超過可用熱源的溫度。

⑶塔的*低操作壓力通常要根據冷卻介質的冷卻能力而定，要保證所采用的冷卻介質可以冷卻塔頂氣相。

⑷各塔之間必須有足夠的壓差和溫差，以便有足夠的冷凝器和再沸器推動力。

⑸效數的增多使操作更加困難，兩塔之間的熱耦合，需配備更高級的控制系統。

另外，還需考慮體系相對揮發度、進料組成及熱狀態、板效率以及現有塔的利用等因素。

總之，在考慮多效精餾節能方案時，要從系統的全過程進行分析、評估，以便選擇滿足工藝要求的*佳流程方案。

多效精餾主要應用在小規模的分離上，比如乙醇行業中廣泛應用的差壓蒸餾技術（也叫多效精餾），其廣泛應用的原因是和石化行業相比其規模和分離板數都太少，而規模較大的石化行業，較常用的方法是設置中間再沸器和中間冷凝器。

多效精餾應用實例——甲醇-水分離

順流雙效精餾流程如圖3所示， 常壓-減壓塔流程。

T1為常壓塔，則T1塔頂壓力（A）為101kPa，甲醇質量P，質量分數為0.995，溫度為64.6℃。根據物料衡算可得D1+D2=796kg/h，T2塔釜物流W2中甲醇質量分數為0.039。為使熱量順流從T1塔頂送入T2塔釜，則T2塔釜溫度不能超過64.6℃（本應用中不考慮傳熱溫差，近似認為減壓塔塔釜溫度為64.6 ℃），經計算，甲醇-水混合物在甲醇質量分數為0.039、溫度為64.6℃下的飽和氣體壓力為25.1kPa，不考慮塔壓降，則T2的全塔操作壓力為25.1kPa。

T1和T2均為15塊理論板，進料位置為第10塊塔板，回流比分別為1和0.8。經試差計算得T1塔頂采出量為380kg/h，T2塔頂采出量為416kg/h。通過計算得T1塔釜再沸器溫度為72.2℃，再沸器熱負荷為284kW，與單塔流程相比可以節能47.7%；T2塔釜冷凝器溫度為33℃，冷凝器熱負荷為242kW，與單塔流程相比可以節能 50%。

但實際過程中，會有換熱溫差的影響，節能效率會變小。