醋酸-水體系的熱泵精餾節能方法

陳迎

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

隨著我國經濟快速增長，各項建設取得巨大成就的同時，也付出了巨大的環境代價。發展節能技術不僅能緩解經濟發展與資源環境的矛盾，也能為企業帶來可觀的經濟利益。

1 工業背景

在對二甲苯氧化生產對苯二甲酸的過程中，通常使用醋酸作為有機溶劑。氧化過程中，生成大量的水稀釋了醋酸溶劑。反應需要合適濃度的醋酸溶劑，為了保證溶劑中醋酸的濃度，通常使用醋酸脫水塔分離出溶劑中多余的水。隨著生產規模的擴大，醋酸脫水塔的操作費用日益高漲。

常壓下，醋酸的沸點是117.87℃，水的沸點是100℃，被分離的兩物質沸點接近[1]。常規的直接精餾脫水，由于在醋酸低濃度時相對揮發度較小的緣故，不論采用增加塔板數或增大回流比的方法降低塔頂出料中醋酸的濃度，都會導致能耗指標高、裝置投資成本上升。鑒于直接精餾能耗較高，目前多采用共沸精餾來分離水和醋酸。但能耗仍較高。

在化工生產中，精餾是應用最廣泛的化工分離單元操作，也是主要的能源消耗場所[2]。熱泵是在精餾過程中通常采用的一種有效的節能技術。隨著世界范圍對節約能源、保護環境越來越重視，熱泵以其吸收環境熱能或回收低溫廢熱來高效制取高溫熱能的突出優勢，正在得到充分展現。熱泵精餾是既向塔底供熱又向塔頂供冷的逆卡諾循環系統，節能的效果顯著，因此，在精餾過程中采用熱泵精餾降低能耗和成本來提高經濟效益具有重要的現實意義。

在國內外，熱泵精餾技術已大量成功地應用于化工裝置和不同物系的分離[3～5]。瑞士的Sulzer 公司于20世紀80 年代末期將熱泵技術用于乙苯一苯乙烯等精餾過程，取得了70%的節能效果[6]。Fonyo 等的研究表明，壓縮式熱泵精餾與傳統精餾相比，節能可達到80%以上，其可行性主要取決于投資回收期[7]。Ranade 和Chao 研究指出，直接壓縮式是最經濟的熱泵方案[8]。朱平等詳盡地分析了各式常用熱泵精餾流程的特點及其應用條件[9]。

根據工作介質的不同，熱泵系統可分為閉式熱泵及開式熱泵兩類[10]：塔和壓縮機沒有介質交換，只有能量交換的熱泵系統，稱之為閉式熱泵系統；塔和壓縮機既有介質交換又有能量交換的熱泵系統，稱之為開式熱泵系統。

對于醋酸-水分離體系具有以下特征：為常壓或微正壓精餾；塔頂、塔釜溫差較??；塔底再沸器的溫度較低，塔頂出料主要為水。水的汽化潛熱大；且PTA 裝置的醋酸-水分離的規模較大。以上特征使得醋酸－水體系應用熱泵精餾具有較高的經濟性。

2 應用實例

2.1 流程簡介

需要除水提濃的醋酸中，被分離的水和醋酸的沸點接近，醋酸脫水塔在微正壓（塔頂操作壓力為0.16 MPa，塔釜操作壓力為0.24 MPa）操作時，塔釜溫度為139℃，塔頂溫度為111℃。如采用開式熱泵，增加了精餾塔的操作難度，同時，塔頂仍含少量醋酸（0.2%～0.8%），事故工況時濃度更高，壓縮機需要采用不銹鋼，增加了投資的費用，因此，考慮使用閉式熱泵精餾流程。

閉式熱泵精餾流程如圖1 所示。

圖1 醋酸脫水的閉式熱泵精餾流程

根據圖1 的閉式熱泵精餾流程圖，對醋酸脫水的閉式熱泵精餾工藝進行具體描述。

醋酸水溶液從醋酸脫水塔中部進入，經過精餾分離后，塔頂氣相出料經塔頂冷凝器冷凝后部分作為塔頂產品抽出，另外一部分作為回流返回到醋酸脫水塔頂部；塔底液相出料經再沸器加熱后，部分濃醋酸作為塔釜產品出料進入后續流程，另外一部分返回醋酸脫水塔底部。換熱介質水在冷凝器中與塔頂氣相出料換熱后汽化為水蒸氣，水蒸氣進入壓縮機壓縮升溫，升溫后的水蒸氣進入再沸器與塔釜液相物流換熱；在再沸器中換熱后的水蒸氣經過減壓閥回流至冷凝器再次與塔頂氣相物流換熱，以完成閉式循環。

該工藝流程提高了再沸器的傳熱效率，并可有效避免因氣體進入冷凝器而引起的設備損耗，較好地解決了醋酸脫水過程能耗高、設備制造及操作成本高的問題，可應用于分離醋酸和水的工業生產中，具有傳熱效率高，能耗低，設備損耗小的特點。

2.2 流程模擬

根據流程圖1，結合分離工藝、設備性能以及產品的質量要求，采用Aspen Plus 軟件模擬醋酸脫水的閉式熱泵精餾工藝流程，得到常規精餾和熱泵精餾精餾塔的參數，見表1。

2.3 結果和討論

2.3.1 年產1 000 kt PTA 的醋酸直接精餾每小時能耗對比（表2、表3）

表1 精餾塔操作參數對比(以1 000 kg/h 流量為例)

表2 不使用熱泵技術能耗統計表

表3 使用熱泵技術能耗統計表

2.3.2 與共沸精餾比較

為了解決醋酸脫水過程能耗高、設備制造及操作成本高的問題，還可以采用閉式熱泵共沸精餾工藝，可應用于分離醋酸和水的工業生產中。常規共沸精餾與熱泵共沸流程的能耗對比如表4 所示。

表4 共沸精餾能耗對比

可以看出，采用熱泵共沸精餾能夠節約能耗63.71%。

3 結論

根據工藝操作情況的不同和熱泵的適用范圍，選擇熱泵系統。通過對比模擬結果可以發現，與常規直接精餾和常規共沸精餾比較，熱泵精餾較常規精餾節能33.1 kg（標油）/t（PTA），較共沸精餾節能53.1 kg（標油）/t（PTA）。

采用熱泵精餾會對此精餾體系的操作和設計提出更高的要求。工程實施時，此工藝也必須補充一些具體措施，如：壓縮機出口可以增加熱交換器脫過熱，避免再沸器使用過熱蒸汽，影響傳熱效果。壓縮機入口增加過熱器，保證進壓縮機的蒸汽為過熱蒸汽，此外，為滿足及時、穩定控制此精餾體系的需要，還需要增加調節熱泵循環流量的管路和控制措施。

[1] 劉光啟等.化學化工物性數據手冊：有機卷[M].北京：化學工業出版社，2002：614-630.

[2] 范文元.化工單元操作節能技術[M].合肥：安徽科學技術出版社，2000，5：225-238.

[3] 王振維，楊春生.熱泵在乙烯裂解裝置中的應用[J].石油化工，2001，30(8)：645-650.

[4] 劉宗寬，顧兆林，賀延齡，等.燃料乙醇熱泵恒沸精餾新工藝的研究[J].化工進展，2003，22(11)：1147-1149.

[5] 劉保柱，章淵昶，陳平，等.節能型甲醇精餾工藝研究[J].化工進展，2007，26(5)：739-742.

[6] Brochure S.Distillation and heat pump technology[J].Chemical Technology and Biotechnology，2003，22(47)：91-100.

[7] Fonyo Z，Kurrat R，Rippin D W T .M eszaros I.Comparative analysis of various heat pump schemes applied to C4splitters[J]. Computers and Chemical Engineering.1995，19(11)：1-6.

[8] Ranade S M ，Chao Y T. Industrial heat pumps ：whereand when[J].Hydrocarbon ProcesS，1990，94(10)：71-73.

[9] 朱平，梁燕波，秦正龍.熱泵精餾的節能工藝流程分析[J].節能技術，2000，18(2)：7-8.

[10] 李大偉，賈小平，項曙光，王浩，韓方煜.熱泵精餾流程構建策略及應用研究[J].計算機與應用化學，2007，24(11):1505-1510.