基于吸收式熱泵的精餾塔用能系統優化研究

李 巖，王 鹿，朱 蒙，張淑彥

(1.燕山大學建筑工程與力學學院，河北 秦皇島 066004；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司)

基于吸收式熱泵的精餾塔用能系統優化研究

李 巖1，王 鹿1，朱 蒙2，張淑彥1

(1.燕山大學建筑工程與力學學院，河北 秦皇島 066004；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司)

受環境溫度限制，加壓精餾塔操作壓力的設定值普遍偏高，系統能耗較高。以某脫丙烷塔為例，將操作壓力由2.00 MPa降至1.60 MPa，塔底重沸器加熱負荷可降低12.9%，若能繼續降低操作壓力，則可以進一步降低系統能耗。采用“基于第一類吸收式熱泵的精餾塔物料梯級加熱方法”，提高塔頂冷卻能力，降低塔頂冷凝器工作溫度，進而有效降低脫丙烷塔的操作壓力至1.30 MPa；同時利用吸收式熱泵回收塔頂餾出物冷凝熱來對進料預熱，替代部分重沸器消耗的工藝蒸汽，通過對操作參數及吸收式熱泵配置的優化，可使脫丙烷塔能效提高23.3%。將富余的吸收式熱泵制熱水作為脫乙烷塔和精丙烯塔兩塔重沸器熱源，可顯著降低氣體分餾裝置的蒸汽消耗量，經濟效益顯著。

精餾 進料溫度 操作壓力 吸收式熱泵 用能優化

現有研究多是針對精餾塔自身內部參數的調整和優化[2-3]，無法擺脫外部因素對內部參數設定的限制。熱泵精餾的應用，能夠有效回收塔頂余熱，提升熱量品位后作為塔底物料加熱熱源。考慮到壓縮式熱泵驅動能源的品位遠高于吸收式熱泵，從一次能源利用效率來看，吸收式熱泵通常優于壓縮式熱泵[4]，若有合適品位的余熱，應優先采用吸收式熱泵。在吸收式熱泵中，由于石油煉化企業存在一些廉價的中間品位余熱，第二類吸收式熱泵(Absorption Heat Transfer，AHT)應用較為廣泛，但AHT最終仍需向環境釋放60%～70%的低品位余熱[5]，未能從根本上解決余熱排放的問題。

本課題采用“基于第一類吸收式熱泵(Absorption Heat Pump，AHP)的精餾塔物料梯級加熱方法”對系統用能進行優化[6]，一方面通過降低操作壓力來降低重沸器加熱負荷，另一方面回收塔頂餾出物冷凝熱對進料預熱，替代部分重沸器消耗的工藝蒸汽。本課題圍繞該新系統集成展開研究，旨在將其節能優勢發揮到最大。

1 操作壓力對精餾塔操作參數的影響

1.1 操作壓力與工作溫度的關系

在加壓精餾塔的設計中，設計操作壓力時需保證塔頂餾出物的冷凝溫度高于塔頂冷凝器循環冷卻水的溫度[7]。然而，特別是在夏季，受室外濕球溫度制約，循環冷卻水溫度較高，且考慮水泵耗電，不宜采用通過增大循環水流量來減小冷凝器換熱端差的運行方式，因此，加壓精餾塔的操作壓力設計值普遍偏高。以脫丙烷塔為例，操作壓力大多設定在1.60～2.00 MPa之間[8-10]，相對應的塔頂冷凝器工作溫度為40～50 ℃。

表1 脫丙烷塔進料組成 φ，%

表2 脫丙烷塔原系統操作參數

(3) 鋼管塔地線掛點位移隨地震烈度增大而增大,且從Ⅰ類場地到Ⅳ類場依次增大.鋼管塔內最大應力隨地震烈度增大而增大,且從Ⅰ類場地到Ⅳ類場依次增大.Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ類場地輸電塔內應力最大的單元為塔頭處斜材,Ⅳ類場地輸電塔內應力最大的單元為中橫擔上第2節間主材.

采用化工流程模擬軟件Aspen Plus，選用SRK狀態方程和RadFrac嚴格精餾模型，其它條件不變，將操作壓力由2.00 MPa逐漸降至1.60 MPa，分析結果見圖1。由圖1可見：降壓后冷凝器工作溫度降低20.5%，在一定程度提高了對冷凝器的冷卻要求；重沸器工作溫度降低10.6%，在一定程度上降低了對重沸器熱源的品位要求。因此，操作壓力的優化需要綜合考慮加熱媒介和冷卻媒介獲取的經濟性。

圖1 操作壓力與冷凝器和重沸器工作溫度的關系

1.2 操作壓力與系統能耗的關系

精餾的目的在于獲得滿足純度要求的目標產品，而降低操作壓力有利于提高塔頂和塔底目標產品的純度[11]。為此，對塔頂回流比進行調整，在滿足分離要求(塔頂C4和塔底C3體積分數均低于0.5%)的前提下，分析脫丙烷塔操作壓力變化對重沸器加熱負荷的影響，結果見圖2。由圖2可見：原操作壓力為2.00 MPa時，塔頂回流比應調整至2.23，對應重沸器加熱負荷為3 515.6 kW(0.40 MPa工藝蒸汽5.022 th)；將操作壓力降至1.60 MPa時，塔頂回流比可調整至1.71，對應重沸器加熱負荷為3 060.5 kW(0.40 MPa工藝蒸汽4.372 th)，系統能耗降低12.9%。這是由于大多物系的相對揮發度隨壓力的降低而增大，在塔板數相同的情況下，可減小回流比，進而達到節能的目的[12]。因此，在確保循環冷卻水系統經濟運行的前提下，應最大限度降低操作壓力。

圖2 操作壓力與回流比和重沸器熱負荷的關系

2 基于吸收式熱泵的精餾塔系統用能優化

2.1 梯級加熱系統的構建

圖3 基于吸收式熱泵的精餾塔物料梯級加熱流程A—吸收器； C—冷凝器； E—蒸發器； G—發生器

進料經預熱器加熱后送入脫丙烷塔，用于預熱的熱源為AHP的吸收器和冷凝器制取的熱水(Heat Transfer Fluid，HTF)，預熱器的換熱端差為5 ℃。對于脫丙烷塔而言，AHP的制熱量遠大于預熱器加熱負荷，可將富余的AHP制熱水作為脫乙烷塔和精丙烯塔兩塔重沸器的熱源。

考慮原脫丙烷塔的設計要求，在滿足一定加工量時其操作壓力可調節范圍為1.30～2.00 MPa，因此，本課題將操作壓力的研究范圍確定在1.30～1.60 MPa，對應的塔頂冷凝器工作溫度約為30～40 ℃，將塔頂餾出物作為AHP蒸發器的低溫熱源。

2.2 系統能效分析

進料熱狀態不同將造成塔內精餾段和提餾段中氣液相流率的變動，從“量”的角度出發，全部能

量由重沸器提供時，系統總能耗最少[14]。但從“質”的角度出發，對于脫丙烷塔，重沸器以0.40 MPa工藝蒸汽為熱源時，加熱代價較高，而進料預熱器以AHP的制熱水為熱源時，加熱代價較低。

本課題在保持進料壓力為2.10 MPa以及產品分離效果不變的前提下進行研究，系統初始進料溫度為40 ℃，將預熱器物料出口溫度(即進料溫度)逐步提高至80 ℃，結合回流比的調整，確保分離效果不變。AHP的配置如下：①當預熱器物料出口溫度不超過50 ℃時，采用雙效吸收式熱泵；②當預熱器物料出口溫度為50～70 ℃時，采用雙效和單效串聯的吸收式熱泵機組，即制熱水依次被雙效和單效吸收式熱泵加熱；③當預熱器物料出口溫度大于70 ℃時，采用雙效、單效和雙級串聯的吸收式熱泵機組[15]。

COPh，av為吸收式熱泵機組的綜合制熱性能系數，即AHP機組總制熱量與驅動蒸汽熱量的比值，其計算式如下：

(1)

式中：Qh為熱泵制熱量，kW；Qh，i為每級熱泵制熱量，kW；QD為熱泵驅動蒸汽熱量，kW；QD，i為每級熱泵驅動蒸汽熱量，kW；COPh，i為每級熱泵制熱性能參數。

以操作壓力1.60 MPa為例，分析進料溫度變化對操作參數的影響，結果見表3。

表3 提高進料溫度引起的脫丙烷塔操作參數變化

由表3可見，隨著進料溫度升高，重沸器加熱負荷減少，預熱器加熱負荷增加，系統的總能耗增加，但脫丙烷塔蒸汽消耗總量在進料溫度為75 ℃左右時達到最小，此時系統的能源利用效率最高。這是由于：①當進料溫度低于75 ℃時，物料以液態為主，隨著溫度的提高，少部分物料開始汽化，塔頂相應地提高回流比來保持分離效果不變，導致重沸器與預熱器的加熱負荷之和呈增長趨勢。但是，通過利用AHP回收塔頂餾出物冷凝熱，可以代替部分工藝蒸汽，使脫丙烷塔的蒸汽消耗總量有減少趨勢。②當進料溫度超過75 ℃時，物料大范圍汽化，預熱器加熱負荷和塔頂回流比急劇增加，同時AHP的冷凝溫度升高導致COPh，av下降，增加了熱泵制熱代價(相同制熱量消耗的驅動蒸汽量增加)，使得回收余熱代替的工藝蒸汽負荷小于塔頂回流比變化而增加的負荷，進而使脫丙烷塔的蒸汽消耗總量有增加趨勢。因此，當操作壓力為1.60 MPa時，新系統的進料溫度宜控制在75 ℃左右。

2.3 最佳工況的確定

采用上述方法，降低AHP的蒸發壓力，可有效降低塔頂餾出物的冷凝溫度，進而將操作壓力降至1.30 MPa，新系統的蒸汽消耗總量分析見圖4。由圖4可見，當操作壓力降低時，系統優化工況下的進料溫度隨之下降。這是由于塔頂餾出物冷凝溫度降低，引起AHP的蒸發壓力降低，從而導致COPh，av下降，亦增加了AHP制熱的代價。表4為脫丙烷塔新系統在最佳工況(操作壓力1.30 MPa、進料溫度65 ℃)下的操作參數，此時脫丙烷塔的蒸汽消耗總量最少，為3.852 th，相對于原系統5.022 th的耗汽量，能效提高23.3%。此外，當新系統AHP開啟時可關閉脫丙烷塔的循環冷卻水系統，進一步達到節水、節電的效果。

圖4 不同操作壓力下新系統蒸汽消耗總量操作壓力MPa： (1)—1.60; (2)—1.55; (3)—1.50; (4)—1.45； (5)—1.40; (6)—1.35; (7)—1.30。 *表示操作壓力下的最優工況

項 目數 據操作壓力∕MPa130回流比157重沸器加熱負荷kW24642重沸器溫度∕℃873冷凝器冷卻負荷∕kW-25801冷凝器溫度∕℃302進料溫度∕℃650進料壓力∕MPa210AHPCOPh，av188

3 余熱回收效益分析

該氣體分餾裝置采用三塔流程，脫乙烷塔和精丙烯塔的重沸器溫度較低，均不超過60 ℃，通常可采用上游裝置90 ℃的熱媒水作熱源。但當上游裝置停車或產量不足時，仍以工藝蒸汽作為補充熱源。

AHP回收脫丙烷塔塔頂餾出物冷凝熱所制取的熱量遠大于預熱器加熱負荷，可將富余的制熱水作為脫乙烷塔和精丙烯塔兩塔重沸器的熱源，系統流程見圖5，在一定程度上提高了兩塔熱源的穩定性。

圖5 新系統的脫乙烷塔和精丙烯塔兩塔加熱方式

由于上游裝置運行存在不穩定性，三塔流程均采用工藝蒸汽作為熱源時運行時間約為4 000 ha，此時采用本課題提出的方法運行，該工況下氣體分餾裝置公用工程系統詳細數據如表5所示，較原系統減少工藝蒸汽用量4.56 th。0.40 MPa工藝蒸汽按照140元t計算，該系統優化后可節省運行費用234.4萬元a，所需增加的AHP、配套設備及建筑安裝等投資見表6，項目靜態投資回收期約為3.1年。

表5 氣體分餾裝置的公用工程系統數據

表6 經濟性分析

若利用AHP回收脫乙烷塔和精丙烯塔兩塔的塔頂餾出物冷凝熱，其制熱量將遠遠大于氣體分餾裝置重沸器熱負荷，富余的制熱量可用于廠區管道及罐體伴熱、海水淡化、冬季建筑供暖。然而，脫乙烷塔和精丙烯塔兩塔的系統用能優化需討論操作壓力、塔頂回流溫度等因素對丙烯收率的影響，這將在后續工作中進行深入的研究和探討。

4 結 論

(1) 提出了一種優化精餾塔操作壓力的新思路，將AHP的蒸發器作為塔頂冷凝器，不僅能夠回收塔頂餾出物冷凝熱，并且可使系統不受外部氣象因素制約，可顯著降低操作壓力。

(2) 用“基于吸收式熱泵的精餾塔物料梯級加熱方法”，一方面通過降低操作壓力來降低重沸器加熱負荷，另一方面回收塔頂餾出物冷凝熱來對進料預熱，替代部分重沸器消耗的工藝蒸汽，進而達到提高系統能效的目的。

(3) 通過對脫丙烷塔的操作參數及吸收式熱泵的配置優化，得出新系統的最佳工況，即將操作壓力降至1.30 MPa，進料溫度提高至65 ℃，脫丙烷塔的用能系統能效提高23.3%。

(4) 對整個氣體分餾三塔流程的用能系統進行改造，將富余的AHP制熱水作為脫乙烷塔和精丙烯塔兩塔的重沸器熱源，在一定程度上提高了熱源穩定性，可減少工藝蒸汽用量4.56 th，余熱利用效益顯著。

[1] 趙雄，羅祎青，閆兵海，等.內部能量集成精餾塔的模擬研究及其節能特性分析[J].化工學報，2009，60(1)：142-150

[2] 從海峰，李洪，高鑫，等.蒸餾技術在石油煉制工業中的發展與展望[J].石油學報(石油加工)，2015，31(2)：315-324

[3] 余國琮，袁希鋼，李根浩.六十年來《化工學報》上發表有關精餾過程論文的回顧[J].化工學報，2013，64(1)：11-27

[4] 馮麗潔，付林，張世綱，等.電壓縮式制冷循環與吸收式制冷循環的熱力學比較分析[J].暖通空調，2012，42(8)：95-99

[5] Tufano V.Heat recovery in distillation by means of absorption heat pumps and heat transformers[J].Applied Thermal Engineering，1997，17(2)：171-178

[6] 李巖，朱蒙，張淑彥，等.基于第一類吸收式熱泵的氣體分餾塔物料梯級加熱方法[J].石油煉制與化工，2014，45(12)：79-83

[7] 宋旭峰.化工設計[M].北京：中國石化出版社，2009：1

[8] 陸恩錫，李小玲.逆向蒸餾[J].化學工程，2010，38(4)：97-102

[9] 卞雯，黃鳳林，盧永斌，等.氣體分餾系統的節能降耗[J].化學工程，2011，39(7)：83-87

[10]劉濤，蘇成利.氣體分餾裝置的流程模擬及多目標優化[J].石油化工高等學校學報，2013，26(1)：76-80

[11]楊進華.氣體分餾裝置的工藝操作優化[D].天津：天津大學，2005

[12]陳礪，張寧安.操作壓力與精餾節能[J].節能，1996(2)：25-27

[13]鄭聰，宋爽，穆鈺君，等.熱泵精餾的應用形式研究進展[J].現代化工，2008，28(S1)：114-117

[14]鄧修，吳俊生.化工分離工程[M].北京：科學出版社，2000：1

[15]Li Yan，Fu Lin，Zhang Shigang，et al.A new type of district heating method with co-generation based on absorption heat exchange(co-ah cycle)[J].Energy Conversion and Management，2011，52(2)：1200-1207

OPTIMIZATION STUDY FOR ENERGY CONSUMPTION OF DISTILLATION COLUMN BASED ON ABSORPTION HEAT PUMP

Li Yan1， Wang Lu1， Zhu Meng2， Zhang Shuyan1

(1.CollegeofCivilEngineeringandMechanics，YanshanUniversity，Qinhuangdao，Hebei， 066004; 2.ChinaRailwayLiuyuanGroupCo.Ltd.)

Limited by the environmental temperature， the operating pressure of the pressurized distillation column is generally higher， and the energy consumption is increased. Taking depropanizing column as an example， if the operating pressure drops from 2.00 MPa to 1.60 MPa， the heat duty of reboiler can reduce by 12.9%.If the operating pressure drops further，it could saves more energy.By using “the cascade heating method for feed of distillation column based on absorption heat pump”， the cooling capacity of the condenser is improved and the temperature of the condenser at gas outlet of the distillation column can be reduced， resulting in lower pressure of 1.30 MPa. At the same time， the waste heat recovered from the gas outlet material is used to preheat the feed instead of steam from the reboiler. The system energy consumption can reduce by 23.3% through the optimization of the new system. On the other hand，the hot water produced by the absorption heat pump can be used as the heat source for the deethanizing column and propylene rectification column， so the waste heat recovery efficiency of the system is obvious.

distillation； feed temperature； operating pressure； absorption heat pump； energy optimization

2016-05-09； 修改稿收到日期： 2016-09-16。

李巖，博士，副教授，主要從事熱電聯產、工業余熱回收等方面的研究工作。

李巖，E-mail：leeyan2007@sohu.com。

河北省高等學校科學技術研究重點項目(ZD2016109)。