设计一个全新的精馏塔，哪个参数最关键？怎么确定？

最近后台有一个同学问了一个问题：我知道流程，知道这个塔需要分离什么物质，但是我不知道塔内部的这些数据怎么输入，如果有资料和参考文献，那还有参考，但是如果没有呢？那么塔压怎么填？塔板数、回流比等等怎么输入？这个问题也许对于很多刚开始学习Aspen Plus软件或者设计精馏塔的人而言就是一个很让人苦恼的问题。而且这个问题确实很难办，因为这是你设计精馏塔会碰到的第一个问题，这个问题不解决，那一切都没法开始。因此小编决定熬夜加更一期来聊聊这个问题。

那么面对一个精馏塔，第一个应该确定的参数是什么呢？当然，我们这里所确定的参数是指无法计算得到的，因为精馏塔有一类参数，也就是描述塔顶/塔底馏出量的参数，例如馏出量/馏出率，一般是可以通过进料组成和分离要求直接计算得到的，不需要通过尝试和调整来确定。

在精馏塔的模拟设计过程当中，第一个应当确定的参数一般是塔压。这个参数很特殊，首先是它似乎与我们已知的信息都毫无关联，比如我定压力为1atm和我定压力为2atm，我都可以在这个压力下得到一系列的满足分离要求的一组参数，那么压力取哪个合适？其次就是我们在学习Aspen Plus案例的时候知道，精馏塔的很多参数，例如塔板数、进料位置、回流比等等，它们都可以通过灵敏度分析来优化。但是塔压呢？似乎并没有，不仅没有，塔压还是一切其他塔操作参数优化的前提，这个参数必须有，塔压不确定下来，其他的参数优化都是空谈。

那么如何来确定塔压力呢？其实需要考虑的因素有很多，但有一些较为共性的因素，首先我们需要知道塔压主要影响两个方面：分离难易程度和塔顶塔底的温度。塔压力的升高，会导致相对挥发度的降低，导致分离变难；同时，会提高组分的沸点，最终导致塔顶塔底温度的上升。分离难易程度和塔顶塔底温度背后涉及的东西就是两点：设备尺寸和能耗，最终牵扯到的就是投资（包括设备固定投资和运行能耗投资），我们的目标并不是追求设备尺寸最小，也不是追求能耗最低，而是追求总投资最低。分离程度越难，我就要用更高的塔，投资也会更大，这基本没什么大问题；但是温度越高，能耗就越高吗？投资就更大吗？这就有问题了。

我们知道工业上的公用工程分为两种：热公用工程和冷公用工程。它们的分界就是循环冷却水或者空冷器，循环冷却水和空冷器属于最便宜的冷公用工程，不需要提前进行加热或者冷却。所以我们在选择塔压时，有一个潜在目标：塔顶尽量通过循环冷却水或空冷器进行冷却，而避免使用高成本的制冷剂，也就是塔顶温度需要尽量在40℃以上。举个例子，如果常压下塔顶温度（大约就是轻关键组分的沸点）是10℃，那么为了使用循环水冷却，就可以提高塔压使得塔顶温度上升到40℃。当然再沸器的温度也可以适当考虑在内，一是遇到热敏性的物质就需要控制塔底温度，其次塔底温度太高的话就需要抛弃蒸汽加热而使用相对更高成本的电加热或者加热炉加热了。

上面提到了选择塔压的第一个考虑因素，就是温度。为了降低冷热公用工程的投资我们需要调节塔压，但是这并不是无限制的，因为塔压的调节本身就涉及到了另一个持续的消耗。它需要通过泵/压缩机来进行，以常压为分界线，增压或者抽真空都需要持续地消耗电能，电能并不便宜。举个极端的例子，对于一些轻气体的分离，本身常压下的沸点就在-100多℃，如果为了追求塔顶温度到达+40℃，需要不断增压，这合理吗？电能消耗太大，并不合理，况且增压之后，分离难度和设备制造费用都上升了，因此只会在一定程度上增压，使得塔顶冷却公用工程从非常昂贵的制冷剂变为较为便宜的制冷剂。所以这是一个权衡的过程，调整塔压的过程，一方面对应冷热公用工程的消耗，一方面对应电能和设备制造的费用，所以对于塔压而言，我们一般考虑的是常压或者适当增压，除非必要一般会避免减压，减压使得分离更简单，但减压会导致设备制造的尺寸更大。

除了以上需要考虑的因素外，还有一些其他的因素，比如说结合前后流程的压力，如果前后两个单元都是高压单元，中间这个塔选择常压就值得商榷了；还有更进一步考虑到热集成，比如说双效精馏，进行有目的性的增压来实现塔顶塔底的热集成。

总结来看，实际上，选择塔压就是在选一个操作温度。需要同时考虑塔顶/塔底冷热公用工程的消耗和增压/抽真空的能耗，以及根据具体流程的情况考虑其他因素。经验性很强，也可以说没有唯一的正确答案，所以说对于没有实际工艺设计经验的同学（包括小编自己）而言，确实是一个很难的问题。

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参考：

浅谈精馏塔的操作压力的选择-盖德化工问答