1 多效精馏

1.1 多效精馏原理

多效精馏是通过扩展工艺流程，来降低精馏操作能耗的一种途径。其基本原理是重复使用供给精馏塔的能量，以提高热力学效率。具体做法是以多塔代替单塔，将一个分离任务分解为由若干个操作压力不同的塔来完成，每一个精馏塔成为一效，将前一效塔顶蒸汽作为后一效塔底再沸器的加热蒸汽，以此类推直至最后一个塔，如图1所示。在多效精馏过程中，各塔的操作压力不同，前一效压力高于后一效压力，前一效塔顶蒸汽冷凝温度略高于后一效塔釜液的沸点温度。因此，多效精馏充分利用了冷热介质之间过剩的温差，特点在于其能位不是一次性降级的，而是逐塔逐级降低的。这样，在整个流程中，只需第一效加入新鲜蒸汽，最后一效加入冷凝介质，而中间各塔则不再需要外加蒸汽和冷凝介质，由此达到了节能的目的。

HCY是蛋氨酸循环的中间代谢产物，是含硫的氨基酸。有研究发现，HCY在代谢过程中损伤血管内皮细胞，是心脑血管疾病的独立危险因子之一[6-7]；致病机制是由于HCY是中间代谢产物，在体内的不稳定性，易产生过氧化物和氧自由基，启动低密度脂蛋白的过氧化反应，导致肾组织细胞的损害和凋亡，从而加速病情的进展；HCY能促进动脉平滑肌细胞增生并加快动脉粥样硬化斑块形成；同时HCY通过激活凝血因子和促进血小板聚集来启动凝血功能，降低纤溶活性，从而使增加血栓形成概率。该研究结果显示，血清HCY的表达水平与ACR呈正相关，各组间比较差异有统计学意义（P＜0.05），监测HCY水平有助于判断DN的发生发展。

 

  

图1 多效精馏原理Fig.1 The schematic diagram of multi-effect distillation

1.2 多效精馏流程

多效精馏的工艺流程根据加热蒸汽和物料的流向不同，通常分为三大类：并（顺）流（从高压塔进料）、逆流（从低压塔进料）和平流（每效均有进料），三种典型多效精馏流程如图2所示。

多效顺流精馏是工业中最常见的流程模式，见图2（a），物料和蒸汽的流动方向相同。优点是：溶液从压力和温度较高的一效流向压力和温度较低的塔，这样溶液在效间的输送可以充分利用效间的压差作为推动力，而不需要泵。同时，当前一效溶液流入温度和压力较低的后一效时，溶液会自动蒸发，可以产生更多的二次蒸汽。此外，此种流程操作简单，工艺条件稳定。但缺点是随着溶液从前一效逐渐流向后面各效，其浓度逐渐增高，但是其操作温度反而降低，导致溶液的黏度增大，总传热系数逐渐下降。因此，对于随组成浓度增大其溶液黏度变化很大的溶液不宜采用。

《白皮书》显示，全国年轻家庭母婴用品月均花费达1294元，较2016年增长48%，高级别城市花费更多。但随着租房成本上升，局部母婴消费市场还是呈现出了明显的“消费降级”趋势。然而，绝大多数父母并不愿意在“食品”上动刀，而选择把减少开支的矛头指向“亲子游”“玩具”等非必需品。

多效逆流精馏流程见图2（b），物料和加热蒸汽的流动方向相反，物料从最后一效进入，用泵一次送往前一效，由第一效排出；而加热蒸汽由第一效进入。优点是：溶液的浓度越大精馏塔的操作温度也越高，因此因组成浓度增大使黏度增大的影响大致与因温度升高使黏度降低的影响相抵消，故各效的传热系数也大致相同。缺点是：溶液在效间的流动是由低压塔流向高压塔，由低温流向高温，因此必须用泵输送，动力消耗较大。此外，各效进料均低于沸点，没有自蒸发，与并流流程对比，各效产生的二次蒸汽较少。一般来说，多效逆流流程适用于黏度随温度和组成变化较大的溶液，但不适用于热敏性物料的分离。

  

图2 多效精馏流程（操作压力P1＞P2＞…＞PN）Fig.2 The multi-effect distillation process (operating pressure:P1＞P2＞…＞PN )

多效平流流程如图2（c），原料液平行加入各效，分离后溶液也分别由各效排除。蒸汽由第一效流向末效，二次蒸汽多次利用。此种流程适用于处理精馏过程中有结晶析出的溶液，如某些无机盐溶液的精馏分离，过程中析出结晶而不便于效间输送，则可以采用多效平流流程。

1.3 多效精馏的节能效果和效数

一般来说，多效精馏的节能效果是以其效数来决定的。理论上，与单塔相比，双塔组成的双效精馏的节能效果为50 %，而三效精馏的节能效果为67 %，四效精馏节能效果为75 %，由此类推，对于N效精馏，其节能效果为：

近年来，针对各种形式的热耦精馏开展了大量的设计、优化和应用研究。现有的热耦精馏技术无论从流程还是设备上来说，仍摆脱不了精馏过程中所需要的塔顶冷凝液体回流和塔釜再沸蒸汽上升操作的限制。无论是采用预分塔设计、中间侧线换热、侧线蒸馏流程还是侧线提馏流程，对于主精馏塔来说，塔顶温度要低于塔底温度，因而塔顶冷凝器和塔底再沸器之间不能简单地进行匹配换热，也就不能实现完全的热耦合。通过对各种热耦和热集成精馏过程深入研究，天津大学开发了一种新型的差压热耦合低能耗蒸馏过程。

 

式中 η为节能效果。

由此可以看到同样增加一个塔，从单塔精馏到双塔精馏的节能效果可达50 %，而从三效精馏到四效精馏的节能效果仅增加了8 %，所以在采用多效精馏节能时，要考虑到节省的能量与增加的设备投资间的关系。在效数达到一定程度后，再增加效数时节能效果已不太明显。

需要说明的是，上述的节能效果为理论值，在实际应用时则要低于理论值。随着效数的增加，加热蒸汽的消耗量减少，操作费用降低，但同时设备投资费增大。同时效数的增加又使传热温差减小，传热面积增大，故换热器的投资也增大。因此应在全面权衡节能效果和经济效益的基础上确定，通常多采用双效精馏，个别流程采用三效精馏，极少超过三效精馏。

1.4 多效精馏应用准则

在多效精馏应用中，一般适用于非热敏性物料的分离，并且只要精馏塔塔底和塔顶温差比实际可用的加热剂和冷却剂温差小得多，就可以考虑采用多效精馏。但是，实际上多效精馏要受到以下许多因素的影响和限制。

（3）相对挥发度当组分B是进料中的主要组分时，只有当组分A的相对挥发度和组分B的相对挥发度的比值与组分B的相对挥发度和组分C的相对挥发度的比值相当时，采用热耦精馏具有的节能优势最明显。如果组分A和组分B（与组分B和组分C相比）非常容易分离时，从节能角度来看就不如使用常规的双塔流程了。

（2）再沸器的设计温度最高不得超过可用热源的温度。

（3）塔的最低操作压力通常要根据冷却介质的冷却能力而定，要保证所采用的冷却介质可以冷却塔顶气相。

（4）各塔之间必须有足够的压差和温差，以便有足够的冷凝器和再沸器推动力。

（5）效数的增多使操作更加困难，两塔之间的热耦合，需配备更高级的控制系统。

（2）进料组成若分离A、B和C 三个组分，且相对挥发度依次递增，采用该类塔型时，进料混合物中组分B的量应最多，而组分A和C在量上应相当。

总之，在考虑多效精馏节能方案时，要从系统的全过程进行分析、评估，以便选择满足工艺要求的最佳流程方案。

在教学中，教师不需要灌输太多高深的理论知识，学生在以后的实际工作中不一定要死记硬背许多“条条本本”，但必须知道出现问题该怎么办。药学专业的学生在未来职业生涯中，必须清楚了解药学系统可能出现的问题及其解决办法。教师在教学中创设问题情境，加强问题设计，激发学生解决问题的内在动机，将问题作为学习的起点[6]。同时，向学生提供一些操作手册或工具书，供学生自己查找解决问题的办法。教师边讲解、边演示，找到问题关键所在，有的放矢进行指导，让学生自己对出现的问题进行排除和解决，教学效果很好。

多效精馏主要应用在小规模的分离上，比如乙醇行业中广泛应用的差压蒸馏技术（也叫多效精馏），其广泛应用的原因是和石化行业相比其规模和分离板数都太少，而规模较大的石化行业，较常用的方法是设置中间再沸器和中间冷凝器。

抓斗式清淤是指利用抓斗式挖泥船开挖河底淤泥，但淤泥清除率只能达到30% 左右，很难改善水质。绞吸式清淤挖泥、输泥和卸泥都是一体化完成，施工精度较高，不会出现淤泥泄露的问题，缺点是容易出现回淤问题，清淤效率并不高。水上挖掘机清淤可悬浮在浮泥或水上自由行走，被广泛使用于河道清淤和水域治理、资源开发、环境整治等复杂的工程中。新一代的水上挖掘机能在水深5m的狭窄区域内进行清淤作业，但其缺点也较为明显，不能输送淤泥，清淤效率较低。

1.5 多效精馏应用实例——甲醇-水分离

顺流双效精馏流程如图3所示， 常压-减压塔流程。

  

图3 甲醇顺流双效精馏流程Fig.3 The methanol process of downstream double effect distillation

很长时间没人这么亲热地喊我的大名了，沙河村人只知道四眼儿张，可能早就忘记了张胜利这个名字。今天居然有人正儿八经地使用了我的大名，而且出自我们村支书李老黑之口，我心里一阵激动。

按照传统设计的常规精馏系统，各塔分别配备再沸器和冷凝器，如图4所示的三组分两种常规精馏流程。此流程由于冷、热流体通过换热器管壁的实际传热过程是不可逆的，为保证过程的进行，需要有足够的温差，温差越大，有效能损失越多，则热力学效率就越低。热耦精馏塔就是基于此而研究出的一种新型的节能精馏。

T1和T2均为15块理论板，进料位置为第10块塔板，回流比分别为1和0.8。经试差计算得T1塔顶采出量为380 kg / h，T2塔顶采出量为416 kg / h。通过计算得T1塔釜再沸器温度为72.2 ℃，再沸器热负荷为284 kW，与单塔流程相比可以节能47.7 %；T2塔釜冷凝器温度为33 ℃，冷凝器热负荷为242 kW，与单塔流程相比可以节能50 %。

但实际过程中，会有换热温差的影响，节能效率会变小。

2 热耦精馏

2.1 热耦精馏的基本概念

为使热量顺流从T1塔顶送入T2塔釜，则T2塔釜温度不能超过64.6 ℃（本应用中不考虑传热温差，近似认为减压塔塔釜温度为64.6 ℃），经计算，甲醇-水混合物在甲醇质量分数为0.039、温度为64.6℃下的饱和气体压力为25.1 kPa，不考虑塔压降，则T2的全塔操作压力为25.1 kPa。

  

图4 三组分常规精馏流程Fig.4 The routine distillation process with three components

如图5所示的流程。副塔的物料预分为A、B和B、C两组混合物，其中轻组分A全从塔顶蒸出，重组分C全从塔釜分出，物料进入主塔后，进一步分离，塔顶得到产物A，塔底得到产物C，在塔中部B组分液相浓度达到最大，此处采出中间产物，副塔避免使用冷凝器和再沸器，实现了热量的耦合，故称为热耦精馏。

由上式可知，在一定波长λ时，若气体的吸收系数α和吸收长度l可以测得，则通过测量光强I和I0的比值得到气体浓度C。

  

图5 热耦精馏流程Fig.5 The thermally coupled distillation process

2.2 热耦精馏的应用

在图5中，假定组分A、B和B、C间的相对挥发度均为3，设计回流比为1 ～ 3，以泡点进料，产品的纯度均定为90 %，则在相同或稍多一些塔板数情况下，热耦精馏可节能20 %。由于取消了前级塔的再沸器和冷凝器，则可以减少换热设备的投资和蒸汽冷却水的消耗，故其经济效益是很高的，可推广用于多组分系统的分离。

热耦精馏在热力学上是最理想的系统结构，既可节省能耗，又可节省设备投资。经计算表明，热耦精馏比两个常规塔精馏可节能20 % ～ 40 %。所以，这种新型节能精馏技术在20世纪70年代能源危机时受到西方国家的广泛注意，进行了许多研究。但是，由于主、副塔之间气液分配难以在操作中保持设计值，且分离难度越大，其对气液分配偏离的灵敏度越大，操作就难以稳定，而且由于控制问题和缺少设计方法，20多年来热耦精馏并未在工业中获得广泛应用。只有沸点接近的易分离物系才推荐采用热耦精馏，但在设计中也要注意，保证主、副塔中气液流量达到要求。

2.3 热耦精馏流程的适用范围

热耦精馏流程并不适用于所有化工分离过程，它的应用有一定的限制。虽然此类塔从热力学角度来看具有最理想的系统结构，但它主要是通过对输入精馏塔热量的“重复利用”而实现的，当再沸器所提供的热量非常大或冷凝器需将物流冷至很低温度时，此类工艺会受到很大限制。此外，热耦精馏流程对所分离物系的纯度、进料组成、相对挥发度及塔的操作压力都有一定的要求。

（1）产品纯度热耦精馏流程所采出的中间产品纯度比一般精馏塔侧线出料达到的纯度更大，因此，当希望得到高纯度的中间产品时，可考虑使用热耦精馏流程。如果对中间产品的纯度要求不高，则直接使用一般精馏塔侧线采出即可。

另外，还需考虑体系相对挥发度、进料组成及热状态、板效率以及现有塔的利用等因素。

T1为常压塔，则T1塔顶压力（A）为101 kPa，甲醇质量P，质量分数为0.995，温度为64.6 ℃。根据物料衡算可得D1 + D2 = 796 kg / h，T2塔釜物流W2中甲醇质量分数为0.039。

在提交试用模型供使用者验证试用过程中，应细心观察操作者初次接触时的反应时间，如果某一操作停留时间过长，即可看出用户在此操作上需要时间来理解，说明在用户体验上存在缺陷。

（1）效数的增加受到第一级加热蒸汽压力及末级冷却介质种类的限制，第一效的最高操作压力必须低于塔内物料的临界压力；对热敏物质，第一效的温度不能高于其热分解温度。

以生为本的理念也告诉每一位教师，学生都有无限的学习潜能，非智力因素对于学生在学习中的表现可以起到促进或阻碍的作用。作为一名教师，身上肩负的责任还有帮助学生塑造自信心，给学生更多的鼓励和支持，帮学生梳理出未来发展的走向，让他们心中充满希望，相信自己内在的力量，相信只要自己努力得法就一定可以收获宝贵的成功。

（4）塔的操作压力和整个分离过程的压力不能改变。当需要改变压力时，则只能使用常规的双塔流程。

每年年底，党院办牵头，其他职能部门进行分类统计，对比指标完成情况，将相关评价结果反馈到科室，让科室充分了解工作完成情况及存在的问题。

2.4 差压热耦合蒸馏技术

磁通门传感器安装示意图如图3所示,传感器磁芯接口垂直于电力变压器铁芯叠片表面放置,安装磁通门传感器后,主磁芯中的交流磁通ΦAC和直流磁通ΦDC将通过低磁阻磁路流过磁通门传感器,从而在该区域产生高磁通密度。假设变压器堆叠方向指向Z方向,这意味着磁通路径平行于X-Y平面。为了实现低磁阻路径,磁通门传感器的堆叠方向指向X方向。

2.4.1 差压热耦合蒸馏技术基本原理

差压热耦合低能耗蒸馏过程将普通精馏塔分割为常规分馏和降压分馏两个塔。常规分馏塔的操作压力与常规单塔时相同，而降压分馏塔采用降压操作以降低塔底温度；降压分馏塔塔顶蒸汽经过压缩进入常规分馏塔；降压分馏塔降压操作可以使塔釜物料的温度低于常规分馏塔塔顶物料的温度，这样就可以利用常规分馏塔塔顶蒸汽的潜热来加热降压分馏塔塔底的再沸器，进行两塔的完全热耦合，实现精馏过程的大幅度节能。

差压热耦合蒸馏节能过程流程如图6所示。经过常规分馏塔分离后的塔底液相物料在差压推动下进入降压分馏塔顶部；降压分馏塔顶部出来的蒸汽通过压缩机加压后进入常规分馏塔底部作为上升蒸汽；降压分馏塔塔底出来的液相一部分可作为产品采出，另一部分与常规分馏塔塔顶出来的蒸汽在主换热器中进行换热并部分汽化，形成降压分馏塔塔底所需的再沸蒸汽，若冷凝负荷小于主再沸器负荷时，需要同时开启辅助再沸器；常规分馏塔塔顶蒸汽经过换热后得到部分或全部冷凝液，当冷凝负荷大于主再沸器负荷时，需开启该部分冷凝液经过的辅助冷凝器，从而得到常规分馏塔塔顶所需要的回流和采出的冷凝液进入回流储罐，从回流储罐中流出的冷凝液一部分作为产品采出，另一部分作为常规分馏塔的塔顶回流液体。

  

图6 差压热耦合低能耗蒸馏流程Fig.6 The different pressure thermally coupled distillation with low energy consumption process

差压热耦合低能耗蒸馏与现有热耦蒸馏技术相比，具有以下几方面优点。

差压热耦合精馏过程的常规分馏塔塔顶冷凝的负荷可以与降压分馏塔底再沸器的负荷相匹配，实现热耦精馏，匹配换热。

与常规的单塔精馏过程不同，差压热耦合精馏过程的常规分馏塔顶上升蒸汽能够用于加热降压分馏塔塔底物料，满足塔底再沸的要求。

热消耗是精馏操作中的主要能耗，该技术用差压降温手段基本实现了最小的热消耗，甚至实现冷热负荷完全匹配，热消耗为零。而实现该目的的手段仅仅是在设备中增加了一台压缩机，该动力消耗比原有的热消耗小很多。

指标选取和模型构建后，根据相关检验分析具体模型的选取，考虑不同个体和截面是否具有相同的截距和斜率。经wald检验，其观测显著性水平均为0.0000，表明固定效应模型优于混合OLS模型，说明三大产业结构的面板数据存在个体效应，由上文中我国区域产业结构现状分析也可知，各省份之间确实存在显著的个体特征，因此拒绝OLS混合模型符合现实规律。对于固定效应和随机效应模型的选择，一般采用Hausman检验来判断。经检验，拒绝原假设，选取固定效应模型。

2.4.2 差压热耦合蒸馏技术节能实例-混合C3分离

烯烃的提纯在石化工业中可以称得上为蒸馏能耗最大户，其中丙烷-丙烯的分离尤为突出。由于丙烯和丙烷的沸点相接近，组分间相对挥发度较小，采用常规蒸馏方法时，设计的塔可高达90 m，塔板数可在200块以上，回流比大于10，还要进行加压或制冷等操作，所以能耗很高。由于能源价格上涨和新技术的不断开发利用，人们对这个问题越来越重视，相应出现了一系列新方法。

丙烯-丙烷的分离方法有高压法、低压法和低压热泵法。采用高压法时塔顶温度高于45 ℃，可以直接用冷却水进行冷凝，但是高压法分离需要的塔板数多，且回流比很大；采用低压法，丙烯丙烷相对挥发度增加，可以减少回流比和理论板数，但是塔顶温度太低，不能采用冷凝水直接进行冷凝，需要其他冷剂，这样无疑要增加投资及能耗；如果采用热泵法，节能最高可达70 %以上，但是需要增加20 %左右的投资，而且热泵精馏存在流程复杂、操作困难的缺点。

云浮族的书籍一般用莎草纸撰写，只有最重要的典籍，为了长久地流传后世，才会用到羊皮纸。羊皮纸昂贵且做工复杂，将新鲜剥下的适龄羊皮，经石灰水浸泡数十天，溶解掉其中的胶质等物，再刮去羊毛，以浮石软化，并经防腐、拉伸、晾晒等多道工艺，最终炮制而成。而眼前的羊皮卷，竟用了十余张足尺羊皮，展开后长长的一大张。它年代久远，颜色沉黄，边缘也都起了毛边，带着一股霉变味。

以一个工业规模的丙烯-丙烷气体分离系统为典型的计算例子，主要条件如下：进料量为16 832 kg/ h（约1.5×105 t/a），进料温度为40℃，进料质量组成为丙烷25.8 %，丙烯74 %，乙烷等组分0.2 %，分离要求实现塔顶产品丙烯质量百分含量大于99 %。

现有常规流程蒸馏塔共需要200块理论板，进料位置在第146块。若要实现产品质量要求，模拟得到该精馏塔操作条件为：塔顶温度为43.4℃，压力为1 800 kPa，塔底温度为58.7℃，压力为2 100 kPa。

利用差压热耦合低能耗蒸馏技术，将蒸馏分离分割为常规分馏和降压分馏两个塔，常规分馏塔的理论塔板数为145；降压分馏塔的理论塔板数是55；进料位置在降压分馏塔的适当部位。

常规蒸馏过程塔顶压力低、塔底压力高，塔顶富含轻组分、塔底富集重组分，因此塔顶温度总是低于塔底温度，塔顶蒸汽的潜热无法被塔底再沸器利用，也就不能进行能量的匹配。差压热耦合精馏则通过常规蒸馏塔分割为常规分馏和降压分馏两个精馏塔，再沸器在降压分馏塔塔底。由于常规分馏塔塔顶蒸汽的温度要高于降压分馏塔塔底再沸器的温度，这样降压分馏塔的再沸器就可以用常规分馏塔塔顶的蒸汽加热，实现了完全的热耦合，降压分馏塔塔顶的气相通过压缩机回到常规蒸馏塔的底部，与蒸馏过程再沸器的加热量相比，能耗降低。

精馏过程主要的能耗集中在热量和动力消耗上。表1为现有常规蒸馏过程与差压热耦合低能耗蒸馏过程的主要冷热负荷和压缩机能耗的比较。从计算结果可以看到，差压热耦合低能耗蒸馏过程需要的仅是压缩机的动力消耗为4.92×106 kJ/h，而现有流程中需要热量消耗为6.39×107 kJ/h，差压热耦合蒸馏流程与现有常规蒸馏相比，总能耗降低了92.3 %，大幅度削减了丙烯-丙烷精馏分离过程中的能量消耗，真正实现了用蒸馏塔塔顶蒸汽的潜热加热塔底再沸器的目的，实现了能量真正的匹配，大幅度降低了蒸馏过程的能耗。

蒸馏过程除了常规蒸馏以外，还有加入第三组分（恒沸剂或萃取剂）的特殊精馏过程——恒沸蒸馏和萃取蒸馏，以及蒸馏和反应过程耦合的反应精馏和催化精馏等，它们虽然重要，但在整个蒸馏过程中所占比重毕竟很小。此外，蒸馏塔各项产品的能量利用节能技术属于整个工艺系统的热量集成范畴的内容。

 

表1 常规蒸馏过程和差压热耦合低能耗蒸馏过程主要能量消耗比较Tab.1 The main energy consumption comparison between conventional distillation process and different pressure thermally coupled distillation with low energy consumption process

  

更多详尽的探讨可查阅相关文献[1]～[5]。

参考文献

[1]冯霄. 化工节能原理与技术，第三版[M]. 北京：化学工业出版社，2003.

[2]雷志刚，代成娜. 化工节能技术原理与技术[M]. 北京：化学工业出版社，2011.

[3]李鑫钢. 蒸馏过程节能与强化技术[M]. 北京：化学工业出版社，2009.

[4]王葳，高维平. 多效精馏流程的优化设计计算[J]. 计算机与应用化学，1996，13（3）：282-288.

[5]李群生，叶泳恒. 多效精馏的原理及其应用[J]. 化工进展，1992（6）：40-43.