基于MVR熱泵精餾的混合醇熱集成分離工藝

楊德明，譚建凱，王穎，蔣宇，高曉新

（常州大學石油化工學院，江蘇 常州 213164）

常規精餾工藝是高溫熱源向塔底供熱，塔頂蒸汽潛熱用低溫冷源把熱量移走，造成了熱量的不可逆性，導致熱力學效率較低，能耗較高。但該過程也為能量的高效利用提供了可能。機械蒸汽再壓縮（MVR）熱泵技術[1-2]是基于蒸汽潛熱再利用的一種非常高效的節能手段，而熱量集成技術[3-5]則是從熱力學效率角度出發，對能量進行有效合理的匹配。利用MVR 熱泵技術回收精餾塔塔頂蒸汽的潛 熱[6-8]，再根據分離塔系的溫度差，應用熱集成技術，可最大程度地發揮精餾過程的節能優勢。目前有關MVR 熱泵熱集成的研究很少見有文獻報道。

本工作以煤化工副產的混合醇四元物系的分離為研究對象，采用Aspen Plus 化工流程模擬軟件，研究該物系的MVR 精餾工藝，在此基礎上，按能量匹配原則，對分離塔系進行熱量集成，從能耗和年總費用兩方面評價熱集成MVR 熱泵精餾工藝，預期為類似物系的分離提供一條高效節能的工藝 路線。

1 基礎數據與評價函數

1.1 基礎數據

進料條件：處理量5000kg/h，飽和液體。其中含正丙醇（NPA）0.25（摩爾分數，下同）、異丙醇（IPA）0.30、正丁醇（NBA）0.20 及異丁醇（IBA）0.25，要求分離得到的各組分純度均不小于0.995。公用工程條件：冷卻水進口溫度為33℃、出口溫度為38℃；塔底采用0.3MPa 飽和蒸汽加熱。

熱力學狀態方程的選用，對精餾模擬計算結果的準確性影響很大。混合低碳醇屬于極性體系，具有二元交互作用參數，故選擇NRTL-RK 計算模型，即采用NRTL 方程計算液相活度系數，采用RK 方程計算氣相逸度系數。精餾塔計算選用軟件中的Radfrac.模型，塔板采用浮閥塔盤。

1.2 操作壓力

操作壓力往往會影響組分間的相對揮發度[7]，因而在一定分離條件下，選擇最優操作壓力，可增加被分離組分間的相對揮發度，從而減少回流比和理論板數，以達到節約能耗和投資的目的。對于本研究體系，各組分間的平均相對揮發度與操作壓力的關系見圖1。可見，操作壓力越低，組分間的平均相對揮發度越大，越有利于分離。但考慮到塔頂的冷源采用冷卻水冷卻，因此操作壓力不能太低。由此規定BPA 與IPA、IPA 與NBA 分離塔的操作壓力分別為0.024MPa 和0.012 MPa。而對于 NBA-IBA 體系，隨壓力的減小其相對揮發度增大的幅度并不大；而且在NBA 高濃度區域，壓力越低，組分間的相對揮發度更小。綜合考慮，規定NBA與IBA 分離塔的操作壓力為0.091MPa。

圖1 相對揮發度與壓力關系

1.3 評價函數

最優工藝及操作條件的擇優是以TAC（total annual cost），即年總費用最小為依據。TAC 由操作費用OC（operating cost）和年均設備費用CI（capital investment）構成。操作費用包括塔頂冷卻水費用、塔底加熱蒸汽費用及壓縮機電費；設備費用包括精餾塔塔體、塔盤、壓縮機及換熱器費用，計算公式如式（1）～式（3）[2-3]。

式中，TAC 為年總費用，萬元/年；θ為設備折舊年限，取10；0.5 為板間距，m；α β γ、 、 分別為冷卻水、蒸汽及電的單價，分別取0.35 元/t、200元/t 及0.8 元/kW；cp為水的比熱容，4.18kJ/(kg·℃)；tΔ 為冷卻水的進出口溫差，5℃；r 為水蒸氣的冷凝潛熱，2177kJ/kg；QC、QB、QFB、PW分別為塔頂與塔底的熱負荷及壓縮機的功耗，由模擬計算得到；ξ 、δ 、σ 、ψ 分別為精餾塔塔體、塔盤、壓縮機及換熱器的換算造價因子，取1250 元/m3、35 元/塊浮閥、150 元/(kW·h)、800 元/m2；D、NT、AT、分別為塔徑、塔板數及總換熱面積，由模擬計算得到。

對如何優化各工藝參數以求取各工藝的最優TAC，本文采用了Aspen Plus 軟件中的靈敏度分析模塊（sensitivity analysis module），求取各工藝的最優操作參數與設備參數，代入TAC 計算公式。

2 常規精餾與不帶熱集成的MVR 熱泵精餾工藝

2.1 常規精餾工藝

多組分的常規精餾，存在著分離序列優化的問題。模擬計算結果表明本體系的常規精餾其各種分離序列得到的結果相當，因此常規精餾采用順序分離序列進行模擬，以此作為評價各種MVR 精餾工藝的基礎。常規精餾順序分離工藝見圖2，按照組分沸點的高低，依次分出IPA、NPA、IBA 和NBA共4 個組分。模擬結果見表1，過程的熱力學效率計算參考文獻[9]。

圖2 常規順序分離工藝（方案Ⅰ）

表1 常規精餾工藝模擬結果

2.2 不帶熱集成的MVR 熱泵精餾工藝

常規精餾工藝是高溫熱源向塔底供熱，塔頂蒸汽潛熱用低溫冷源把熱量移走，造成了熱量的不可逆性和能量的嚴重浪費。為此，把MVR 熱泵技術應用于以上常規順序分離工藝，提出了如圖3 所示的不帶熱集成MVR 熱泵精餾工藝，即塔頂蒸汽通過壓縮，提高蒸汽的壓力和溫度后，給自身塔底再沸器供熱，充分利用塔頂蒸汽的潛熱，以達到大幅度節能的效果。圖中C1、C2 和C3 均表示塔頂蒸汽壓縮機。

圖3 無熱集成MVR 精餾工藝（方案Ⅱ）

MVR 熱泵精餾工藝要滿足兩個條件：①塔頂壓縮蒸汽與塔底物料有一定的傳熱溫差；②塔頂蒸汽的冷凝負荷與塔底物料汽化所需熱量的匹配。考慮到塔底再沸器的換熱面積，規定塔頂蒸汽與塔底物料的傳熱溫差不小于10℃，以此確定塔頂蒸汽壓縮機的壓縮比。無熱集成MVR 熱泵精餾工藝模擬結果見表2。

由表2 可知，T1、T2 和T3 塔頂壓縮蒸汽的飽和溫度與各自塔底的傳熱溫差分別為11.6℃、10.7℃和11.8℃，均大于10℃，滿足換熱溫差的要求。再者，從熱量的匹配來看，T1 和T3 的塔頂壓縮蒸汽的冷凝負荷均略小于塔底需要的熱量，因此設置輔助再沸器，需要補充的熱量分別為233.8kW 和160.4kW。比較表1 和表2 的數據，不難看出，不帶熱集成的MVR 精餾工藝比常規精餾工藝節能約54%，節省TAC 約59.5%，熱力學效率則提高了9.95%。

3 帶熱集成的MVR 精餾工藝

對于多塔分離過程，采用熱集成可以降低能耗。而常規的熱集成精餾過程是通過各塔操作壓力的不同，形成一定的差壓來實現冷源與熱源傳熱溫差的匹配。某些情況下，差壓精餾在滿足換熱溫差的同時，往往會造成體系相對揮發度的減小，反而不利于組分的分離，本文研究的體系就存在這種情況。再者，常規的熱集成精餾工藝，其中必定有一個塔的塔頂蒸汽其冷凝潛熱無法利用，必定有一個塔的塔底供熱是由界外提供的，因而無法達到最佳的節能效果。采用MVR 熱泵技術，各塔的塔頂蒸汽均可以充分利用，塔底無需由外界供熱或補充少些熱量。因此，在2.2 節研究的不帶熱集成的MVR 精餾工藝基礎上，結合2.1 節的常規精餾工藝模擬結果，依據各塔頂塔底的溫差及各塔頂塔底的熱負荷大小，提出了圖4～圖7 共4 種帶熱集成的MVR精餾工藝。

表2 無熱集成MVR 精餾工藝模擬結果

與圖6 和圖7 相比，圖4 和圖5 均采用兩臺壓縮機，節省了投資費用。圖4 中，T1 塔頂蒸汽壓縮后給T3 塔底供熱，T2 塔頂蒸汽壓縮后給自身塔底供熱，而溫度較高的T3 塔頂蒸汽則直接給T1 塔底供熱。圖5 中，T1 塔頂蒸汽壓縮后給自身塔底供熱，T2 塔頂蒸汽壓縮后給T3 塔底供熱，而溫度較高的T3 塔頂蒸汽則直接給T2 塔底供熱。圖6 和圖7 均采用3 臺壓縮機，圖6 采用了順沸點梯度流程，即T1 塔頂壓縮蒸汽給T2 塔底供熱，T2 塔頂壓縮蒸汽給T3 塔底供熱，T3 塔頂壓縮蒸汽給T1 塔底供熱。圖7 采用了逆沸點梯度流程，即T1 塔頂壓縮蒸汽給T3 塔底供熱，T2 塔頂壓縮蒸汽給T1 塔底供熱，T3 塔頂蒸汽壓縮給T2 塔底供熱。為滿足塔頂與塔底熱負荷的匹配，某些塔的塔底增設了輔助再沸器，以虛線表示。

圖4 帶熱集成MVR 精餾工藝1（方案Ⅲ）

圖5 帶熱集成MVR 精餾工藝2（方案Ⅳ）

圖6 帶熱集成MVR 精餾工藝3（方案Ⅴ）

圖7 帶熱集成MVR 精餾工藝4（方案Ⅵ）

由于T3 塔的分離能耗最高，而T3 塔的操作壓力對能耗又最為敏感，因此保持T3 塔的操作壓力不變（0.091MPa），其他兩個塔的操作壓力分別依據各塔頂壓縮蒸汽的飽和溫度不低于與之換熱的塔底物料溫度10℃的原則來確定。以上4 種熱集成MVR 精餾工藝模擬結果見表3。

表3 帶熱集成MVR 精餾工藝（1～4）模擬結果

帶熱集成的MVR 精餾工藝1 和工藝2 充分利用了常規熱集成和MVR 的節能原理，即把溫度較低的T1 和T2 塔頂蒸汽通過壓縮后給相應的塔底供熱，而溫度相對較高的T3 塔頂蒸汽則直接給相應的塔底供熱，構成了一塔塔頂蒸汽直接利用及兩塔塔頂蒸汽壓縮再利用的熱集成工藝，節省了設備投資費用。而帶熱集成的MVR 精餾工藝3 和工藝4則在各塔的塔頂均采用蒸汽壓縮，提高各塔塔頂蒸汽的品位，給相應的塔底供熱，由于增加了壓縮機，故TAC 要比精餾工藝1 和2 高些。

帶熱集成的MVR 精餾工藝1 與工藝2 相比，由于工藝2 采用了相鄰塔間的熱集成，既節省了設備投資費用，又減少了能量消耗，所以TAC 比工藝1 低8.8%。而對于帶熱集成的MVR 精餾工藝3 和工藝4，由于工藝4 采用了順沸點梯度流程，故熱力學效率比工藝3 增加了約6.2%。

4 結果比較與分析

各精餾工藝的計算結果匯總見表4。可見，不帶熱集成的MVR 精餾工藝與帶熱集成的MVR 精餾工藝，無論在TAC 還是能耗方面，均相當；但均比常規精餾工藝要大幅度節能，節能幅度大于50%。雖然MVR 精餾工藝增加了壓縮機，其投資費用要大于常規精餾工藝，但由于MVR 精餾工藝的操作費用大為降低，因此，MVR 精餾工藝的TAC 比常規精餾工藝平均降低約61%。由于MVR 精餾工藝充分利用了塔頂蒸汽的潛熱，因此，平均熱力學效率是常規精餾工藝的2 倍多。

表4 各種精餾工藝模擬結果匯總

就5 種MVR 精餾工藝而言，節能效果最好、設備投資最少的是帶熱集成的MVR 精餾工藝2（方案Ⅳ）。原因是該工藝的塔頂和塔底熱負荷最為匹配，由此減小了外界的熱量補充，因而總的能耗最低。而操作費用在TAC 中占的權重又比較大，因而能耗的降低直接導致了TAC 的減小。

5 結 論

通過對丙醇-異丙醇-丁醇-異丁醇四元混合體系的常規順序精餾工藝、不帶熱集成的MVR 精餾工藝及帶集成的MVR 精餾工藝模擬研究，得到如下結論。

（1）對于對以上四元混合醇體系的分離，減壓操作有利于增加丙醇-異丙醇、異丙醇-異丁醇體系的相對揮發度，降低分離能耗。而對于丁醇-異丁醇體系，則不宜在較低的操作壓力下分離。

（2）MVR 精餾工藝，無論是帶熱集成的還是不帶熱集成，與常規精餾工藝相比，節能幅度均大于50%以上，年總費用TAC 均降低接近61%左右，綜合經濟效益明顯。

（3）帶熱集成的MVR 精餾工藝與不帶熱集成的MVR 精餾工藝，無論是能耗還是綜合經濟效益，優勢相當，但熱力學效率提高了約9.5%。但就帶熱集成的MVR 精餾工藝而言，相鄰塔間的熱集成要比跨塔間的熱集成、順沸點梯度熱集成要比逆沸點梯度熱集成更具優勢。

（4）MVR 精餾工藝具有顯著的經濟優勢，隨著其關鍵設備蒸汽壓縮機的推廣使用及國產壓縮機技術的日趨成熟，該節能工藝路線具有巨大的應用價值和市場潛力。

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