基于MVR熱泵精餾的乙醇-異丙醇分離工藝

楊德明，葉夢(mèng)飛，杜鵬，高曉新

（常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164）

小溫差體系的精餾分離存在塔板數(shù)多、能耗高等問題。乙醇和異丙醇的沸點(diǎn)相差僅 4℃，因此采用常規(guī)精餾，過程的能耗勢(shì)必會(huì)很高。有文獻(xiàn)報(bào)道采用共沸精餾分離乙醇和異丙醇，但由于共沸劑用量較大，塔頂蒸出乙醇與共沸劑的混合物需進(jìn)一步分離才能得到乙醇，此流程較為復(fù)雜且能耗較高[1]。另有文獻(xiàn)報(bào)道采用減壓精餾，以增大乙醇和異丙醇的相對(duì)揮發(fā)度，可以起到一定的節(jié)能效果[2]。

基于乙醇-異丙醇體系分離能耗高的特點(diǎn)，本文作者采用Aspen Plus化工流程模擬軟件，模擬不同操作壓力條件下的MVR熱泵精餾工藝，從能耗和綜合經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)方面評(píng)價(jià)MVR熱泵精餾工藝，以期為分離類似乙醇-異丙醇小溫差體系提供一條能耗低、經(jīng)濟(jì)效益明顯的工藝路線。

1 常規(guī)精餾工藝模擬

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

規(guī)定乙醇-異丙醇混合物的處理量為5000kg/h，其中乙醇的含量為 45%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），異丙醇的含量為55%，料液為常溫。要求乙醇和異丙醇產(chǎn)品的純度均大于99%。塔頂采用循環(huán)冷卻水冷卻（進(jìn)出口溫度分別取 33℃和 38℃），塔底采用0.2MPa的飽和蒸汽加熱。

1.2 常規(guī)精餾工藝模擬

表1 不同操作壓力下常規(guī)精餾工藝模擬結(jié)果

選用填料精餾塔，填料類型為 Mellapak500X型規(guī)整填料，HETP取0.2m[3]，模擬計(jì)算了不同操作壓力條件下的能耗以及相關(guān)工藝參數(shù)，結(jié)果見表1。

由表1可以看出，隨著操作壓力的降低，體系的相對(duì)揮發(fā)度增大，因此回流比降低，能耗也明顯降低。但總換熱面積先降低后升高。這是由于隨著塔頂溫度降低，導(dǎo)致塔頂傳熱溫差減小，冷凝器換熱面積大幅度增加，超過了塔底再沸器換熱面積的減小量。總之，采用減壓精餾分離乙醇-異丙醇是一種比較節(jié)能的方法。考慮到冷卻水溫度的限制，操作壓力不宜過低。

2 MVR熱泵精餾工藝

2.1 MVR熱泵精餾流程

機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）熱泵蒸餾技術(shù)[4-9]是將過程產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，提高蒸汽的壓力、溫度和焓值，再將此高溫高壓蒸汽在換熱器中冷凝放熱，充分利用其二次蒸汽的潛熱，以達(dá)到大幅度節(jié)能的效果。本文將塔頂蒸汽直接壓縮供熱工藝（圖1）和塔底液相閃蒸壓縮供熱工藝[10]（圖2）應(yīng)用于乙醇-異丙醇體系的分離。

從圖1可見，塔頂蒸汽直接壓縮供熱是指將塔頂蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，形成高溫高壓蒸汽，此蒸汽通過塔釜再沸器釋放潛熱直接給塔釜供熱，然后再經(jīng)過塔頂冷凝器進(jìn)一步降溫后，部分回流，部分采出。該工藝充分利用了塔頂蒸汽的潛熱，不僅省去了大量的新鮮蒸汽，同時(shí)還節(jié)省了部分塔頂冷卻水，大幅度提高了節(jié)能效果。

從圖2可見，塔底液相閃蒸壓縮供熱是將塔釜液體出料經(jīng)節(jié)流閃蒸降溫降壓后，作為冷劑送至塔頂冷凝器與塔頂蒸汽換熱，吸收熱量后蒸發(fā)為汽體，再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮升溫升壓后返回塔釜作為再沸器熱源，塔頂蒸汽則冷凝成為液體。該工藝充分利用了塔底物料的顯熱，把塔底顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，以達(dá)到大幅度節(jié)能的效果。

圖1 塔頂蒸汽直接壓縮供熱工藝流程

圖2 塔底液相閃蒸壓縮供熱工藝流程

2.2 塔頂蒸汽直接壓縮熱泵精餾工藝模擬

使用RadFrac.精餾模塊模擬計(jì)算填料精餾塔、Compr.壓縮機(jī)模塊模擬壓縮機(jī)，并規(guī)定塔底再沸器的換熱溫差為10℃，改變壓縮比和壓縮機(jī)進(jìn)氣量，調(diào)整再沸器的熱負(fù)荷，在保證產(chǎn)品純度的條件下，使塔頂蒸汽經(jīng)壓縮后冷凝釋放的熱量與再沸器熱負(fù)荷相匹配。該過程只需壓縮機(jī)消耗少部分功便能完全提供再沸器所需的熱量。表2給出了不同操作壓力條件下的工藝參數(shù)及能耗。

表2結(jié)果表明，隨著操作壓力降低，體系相對(duì)揮發(fā)度增大，塔底蒸發(fā)量減小，導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)汽量減少，壓縮機(jī)功耗降低。塔底再沸器的面積在總換熱面積中占的權(quán)重比較大，由于塔底再沸器的熱負(fù)荷隨著操作壓力的降低而減小，因而計(jì)算得到的總換熱面積也隨之減小。

表2 塔頂蒸汽直接壓縮熱泵精餾工藝模擬結(jié)果

2.3 塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝模擬

為滿足與塔頂蒸汽直接壓縮工藝相近的換熱溫差，計(jì)算得到的壓縮比是 2。為保證塔釜料液經(jīng)節(jié)流換熱壓縮后的汽相仍能返回塔底，該汽相必須要滿足以下兩個(gè)條件：①溫度不小于塔底溫度；②壓力不小于塔底壓力。在滿足以上兩個(gè)條件的同時(shí)，還要考慮到節(jié)流后的流體與塔頂蒸汽有一定的傳熱溫差。通過計(jì)算，塔的操作壓力不能低于 60kPa，否則就無法滿足以上條件。本工藝中，壓縮機(jī)進(jìn)汽量（塔釜料液節(jié)流量）是一個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)，直接影響著塔內(nèi)的汽液負(fù)荷，對(duì)各工藝參數(shù)及分離效果的影響均很大。因此，在規(guī)定了塔的操作壓力和滿足分離要求條件下，通過優(yōu)化壓縮機(jī)進(jìn)汽量，模擬計(jì)算各工藝參數(shù)和能耗，結(jié)果見表3。

由表3可知，壓縮機(jī)進(jìn)汽量隨操作壓力的遞減而逐漸下降，這是因?yàn)閴毫Φ慕档吞岣吡梭w系的相對(duì)揮發(fā)度，從而降低了塔的汽液操作負(fù)荷，導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)汽量的下降。節(jié)流閥后壓力的設(shè)定是基于返回汽相的壓力略大于塔的操作壓力的原則。模擬結(jié)果可知，在不同的操作壓力下，總換熱面積變化不大，而壓縮機(jī)功耗卻隨操作壓力的降低而下降。

3 精餾工藝的比較

3.1 能耗比較

根據(jù)以上模擬得到的能耗數(shù)據(jù)，對(duì)不同精餾工藝在不同操作壓力條件下的能耗（壓縮機(jī)的功耗）進(jìn)行了匯總，結(jié)果見表4。

表3 塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝模擬結(jié)果

表4 不同精餾工藝在不同操作壓力下的能耗比較

由表4看出，隨著操作壓力的降低，3種工藝過程的能耗明顯下降。與常規(guī)精餾工藝相比，MVR熱泵精餾工藝節(jié)能效果顯著，即塔頂蒸汽直接壓縮熱泵精餾和塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝平均節(jié)能分別為93.2%和93.4%，而兩種MVR熱泵精餾工藝節(jié)能效果基本持平。

3.2 綜合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步比較以上兩種蒸汽壓縮熱泵精餾工藝，本文通過綜合經(jīng)濟(jì)效益，即用年總費(fèi)用（δ）進(jìn)行評(píng)價(jià)。年總費(fèi)用主要包括以下四部分：塔釜加熱蒸汽費(fèi)用（α）、塔頂冷卻水費(fèi)用（β）、壓縮機(jī)耗電費(fèi)用（γ）和設(shè)備折舊費(fèi)（λ）。設(shè)備費(fèi)用主要包括塔器、壓縮機(jī)、換熱器三部分。假定設(shè)備使用周期為10年，年工作量按7200h計(jì)，則可以采用以下費(fèi)用模型計(jì)算各精餾工藝的年總費(fèi)用[11-12]。

式中，CB為蒸汽單價(jià)，200元/噸；CW為冷卻水單價(jià)，0.35元/噸；CM為電價(jià)，1.1元/千瓦時(shí)；CC為塔造價(jià)，1250元/立方米；CA為換熱器造價(jià)，850元/平方米；Cy為壓縮機(jī)造價(jià)，120萬元/臺(tái)；rB為蒸汽潛熱，2202 kJ/kg；QC為冷凝器負(fù)荷，kW；QB為再沸器負(fù)荷，kW；WM為壓縮機(jī)電耗，kW；H為填料層高度，m；AT為換熱器總面積，m2；φ為塔徑，m。

表5 不同工藝的平均年總費(fèi)用比較

計(jì)算結(jié)果見表 5。可見，兩種 MVR熱泵精餾工藝的平均年總費(fèi)用基本持平，塔頂蒸汽直接壓縮熱泵精餾工藝和塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝的平均年總費(fèi)用分別是常規(guī)精餾工藝的 20.99%[(547.65/ 2608.29)×100%=20.99%]和 20.75%。

4 結(jié) 論

（1）減壓操作可以提高乙醇-異丙醇的相對(duì)揮發(fā)度，有利于降低分離過程的能耗。

（2）MVR熱泵精餾技術(shù)適用于類似乙醇-異丙醇小溫差體系的分離，可以大幅度降低分離過程的能耗。

（3）對(duì)于乙醇-異丙醇的分離，與常規(guī)精餾相比，塔頂蒸汽直接壓縮熱泵精餾工藝與塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝的節(jié)能效果分別為 93.2%和93.4%。

（4）綜合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)表明，塔頂蒸汽直接壓縮熱泵精餾工藝和塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝其平均年總費(fèi)用分別是常規(guī)精餾工藝的 20.99%和20.75%，兩種MVR熱泵精餾工藝均是一條低能耗、綜合經(jīng)濟(jì)效益明顯的分離工藝。

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