熱泵耦合甲醇多效精餾節能新工藝

王東亮，孟文亮，楊勇，董鵬，李春強

（蘭州理工大學石油化工學院，甘肅蘭州730050）

甲醇是一種重要的基本化工原料，可用于合成烯烴、汽油、二甲醚等化工產品[1]。粗甲醇的提純主要依靠精餾過程實現。Meyers[2]提出了由預精餾塔、高壓塔和常壓塔構成的三塔精餾工藝，實現高壓塔和常壓塔的雙效熱集成。為了降低廢水中甲醇和雜醇油的含量，在常壓塔后增加一個甲醇回收塔，形成四塔雙效精餾工藝，比傳統雙塔精餾方案節能30%左右[3]。針對四塔雙效精餾工藝，Feng等[4]研究發現高壓塔能耗占整個流程總能耗的40%左右，通過在高壓塔和常壓塔之間引入一個中壓塔，形成熱集成的五塔多效精餾工藝，相比四塔雙效精餾工藝節能33.6%。對五塔多效精餾工藝研究發現，常壓塔塔頂冷凝負荷占整個系統冷凝負荷的68.65%，該部分冷凝潛熱品位較低（73.2℃左右），由冷卻水降溫后成為廢熱，尚未利用，具有低溫余熱利用的節能潛力。

熱泵可以提升低溫能源溫位，減少高品位能源的消耗。在特定的條件下，熱泵輔助精餾（HPAD）相比單塔精餾可節能約20%～50%[5-6]。Sun 等[7-8]將熱泵技術引入到四塔雙效精餾工藝中，采用了間接式（VC）、機械蒸汽再壓縮式（MVR）和釜底閃蒸式（BF）3種熱泵輔助精餾工藝，其中VC 工藝較常規四塔雙效精餾工藝冷、熱負荷分別降低36.8%和41.9%。

本研究針對五塔多效精餾工藝中的常壓塔塔頂冷凝潛熱的利用問題，引入機械蒸汽再壓縮式（MVR）熱泵技術，將常壓塔塔頂蒸汽由73.24℃提高到102.35℃，與常壓塔輔助再沸器實現熱集成，形成熱泵耦合多效甲醇精餾工藝。利用夾點分析技術對熱泵耦合多效工藝的熱泵設置合理性進行判定，確定合理的壓縮機壓縮比，保證滿足最小傳熱溫差要求，分析新工藝的節能潛力和經濟效益。

1 五塔多效精餾工藝簡介

Feng等[4]提出了五塔多效甲醇精餾工藝見圖1。該工藝在高壓塔（C2'）和常壓塔（C4'）中間增加一個中壓塔（C3'），操作壓力介于C2'和C4'之間，選擇壓力為360kPaG（表壓，下同），預精餾塔（C1'）和C4'操作壓力比常壓稍高，C2'塔頂壓力870kPa。該工藝的關鍵點在于設置了中壓塔，將甲醇采出量在C2'和C3'兩塔之間分配，直接降低C2'負荷，此外將C2'冷凝器和C3'再沸器、C3'冷凝器和C4'再沸器進行熱集成，形成多效精餾。為進一步降低精餾能耗，五塔多效甲醇精餾工藝將甲醇回收塔（C5'）冷凝器和C1'再沸器進行雙效熱集成。降低蒸汽消耗的同時使C2'塔操作更為穩定，較四塔雙效精餾工藝節能約33.6%。

2 熱泵耦合多效甲醇精餾新工藝

與四塔雙效精餾相比，五塔多效精餾能量消耗有顯著的降低，但是分析發現，五塔多效精餾仍有較大節能潛力和改進余地，主要體現在：①C4'塔頂冷凝器熱負荷約占整個冷凝負荷的50%～70%，收塔這部分潛熱屬于低品位熱量并未有效利用；②隨著粗甲醇處理量的加大，即使采用五塔多效精餾，能耗的絕對值也是巨大的。

圖1 五塔多效精餾流程

熱泵是一種提升低溫能源溫位的先進技術，與精餾工藝耦合形成的熱泵輔助精餾（HPAD）工藝和傳統單塔精餾相比可節能約20%～50%[5-8]。熱泵輔助精餾可分為間接式（VC）、釜底閃蒸式（BF）和機械蒸汽再壓縮式（MVR）。相比VC和BF，MVR有3個優點：①所需的載熱介質是現成的；②有較低的壓縮機壓縮比；③系統簡單，穩定可靠且在分離近沸點體系過程中有著廣泛的應用[10-13]。

為有效利用C4 塔頂冷凝器的低品位熱量，引入MVR 熱泵技術與五塔多效精餾工藝耦合，形成熱泵耦合多效甲醇精餾新工藝，如圖2所示。主要特征為：①常壓塔提餾段增設輔助再沸器，分擔常壓塔塔釜負荷；②塔頂蒸汽一部分進入冷凝器，另一部分進入熱泵系統。

MVR 式熱泵的引入，將低品位蒸汽提升溫位后作為熱源（HS8）與冷物流CS8換熱，作為C4塔輔助再沸器（HE4）的熱源，HS8 與CS8 換熱完成后，為了保證C4 塔頂產品純度，冷凝液一部分回流，另一部分采出。這樣的設計有兩個優點：①同時降低了C2、C3和C4塔塔釜再沸器負荷，減少蒸汽消耗的同時使操作更穩定；②采用電力驅動的壓縮機，減少公用工程的使用，過程更清潔和高效。

3 工藝建模與結果

本研究中的粗甲醇組成和參數如表1 所示[4]。甲醇規格滿足甲醇質量分數不低于99.85%且廢水中甲醇質量分數不超過0.01%。

表1 粗甲醇組成

建模過程采用Aspen Plus軟件。考慮醇、水和其他極性組分的交互作用參數，對甲醇回收塔采用UNIF-DMD 活度系數模型，其他精餾塔采用NRTL模型計算氣液相平衡數據[4]。精餾塔采用Racfrac嚴格模型，回流比、理論板數和進料位置均為優化后的工藝參數，壓縮機采用ASME 多變模型進行計算，多變效率設置為0.75，機械效率設置為0.95，工藝模擬計算結果見表2。

預精餾塔（C1）設置兩級冷凝系統，使塔頂采出盡可能多的輕組分和盡可能少的甲醇。一級冷卻至65℃，二級冷卻至40℃。輕組分從二級冷凝器出來后，進入水洗塔（循環水量約為粗甲醇進料的10%），冷凝后冷凝液回流至回流罐，最后進入預塔。C4 塔頂蒸汽經壓縮機壓縮后，出口蒸汽壓力為100kPa，對應溫度為102.35℃，目標溫度為83.08℃。換熱完成后，高壓蒸汽經過膨脹閥變為40kPa 的低壓乏汽，最后經過冷卻器溫度降至66℃。

圖2 熱泵耦合多效甲醇精餾流程

表2 兩種工藝模擬結果

4 結果及討論

4.1 夾點技術分析

提取五塔多效精餾流程中換熱流股，流股信息見表3。換熱網絡中，最小傳熱溫差ΔTmin規定為15℃。

表3 五塔多效精餾換熱網絡中流股信息

圖3為總組合曲線圖（GCC），其中夾點處冷、熱物流溫度分別為64.4℃和79.4℃。圖中所示為熱泵跨越加點的設置，紅色標注為夾點之下熱源，對應于C4 塔頂蒸汽，吸熱在夾點之下。藍色標注為熱阱，對應于C4再沸器，放熱在夾點之上。這樣，過程在夾點之下為凈熱源，熱泵從中吸取Q2的熱量，使冷公用工程量減少Q2；而在夾點之上，過程為凈熱阱，熱泵提供Q1的熱量，使加熱公共工程減少Q1。五塔多效甲醇精餾工藝，35.47%的甲醇在常壓塔C4'塔頂采出，冷凝器負荷為25.6MW，約占總冷凝負荷的68.65%，冷卻后成為廢熱，C4'再沸負荷為22.56MW，需要過程系統來提供。降低C4'塔頂冷凝負荷成為節能的關鍵，采用熱泵技術，將塔頂蒸汽壓縮升溫后作為再沸器的熱源，不僅可以降低冷卻水的用量，而且降低了蒸汽的消耗。

圖3 五塔多效精餾的總復合曲線圖

熱泵耦合多效甲醇精餾工藝中出現的冷、熱流股數據見表4，GCC曲線見圖4。

通過GCC 圖可以看出，夾點位置并未發生變化，冷凝器總負荷為24.7MW，再沸器總負荷為22.25MW，相比五塔多效精餾工藝冷、熱負荷分別降低33.76%和32.64%。這說明五塔多效甲醇精餾工藝中引入MVR式熱泵充分利用了C4塔頂蒸汽冷凝潛熱，節能效果明顯。通過GCC 圖，分析出工藝物流間存在的換熱，熱泵耦合多效甲醇精餾工藝換熱網絡如圖5所示。

表4 熱泵耦合多效精餾換熱網絡中流股信息

圖4 熱泵耦合多效精餾的總復合曲線圖

4.2 能耗評價分析

兩種工藝的能耗計算結果如表5所示。

與五塔多效精餾工藝相比，熱泵耦合多效甲醇精餾工藝在降低冷凝負荷的同時，也顯著降低了蒸汽的消耗，達到很好的節能效果。

表5 兩種工藝能耗計算結果

圖5 熱泵耦合多效工藝換熱網絡

4.3 COP效能分析

熱泵精餾效率通常用熱泵供熱系數COP（coefficient of performance）來衡量，定義為制熱量與輸入功的比值，如式(1)。

其中，Qreb、Wcomp分別為再沸器負荷和壓縮機功。Plesu 等[13]提出當COP 大于10 時，精餾過程加熱泵很有必要；COP 為5～10 時，需要進一步計算確定；COP小于5時，精餾過程無需加熱泵。在熱泵耦合多效甲醇精餾工藝中，輔助再沸器HE4 的負荷為17.8MW，壓縮機功率為0.79MW，COP 為22.5，遠大于10，說明熱泵的設置很有必要。

4.4 技術經濟評價

為了評價熱泵耦合多效甲醇精餾工藝的節能效果，以年總成本（total annual cost，TAC）作為評價指標，采用Guthrie 的費用關系式[14]，計算設備總成本[IC，包括塔體Cost(S)、壓縮機Cost(C)和換熱器Cost(H)的成本]，計算公式如下。

式中，M&S即Marshall&Swift指數，取1400[15]；D 為塔直徑，m；P為壓縮機功耗，kW；Fc為校正因子；Er為美元對人民幣匯率，取6.72。操作費用（OP）包括蒸汽成本Cost(stream)、冷卻水成本Cost(cool)及壓縮機的用電成本Cost(elec)。熱公用工程采用0.5MPa 的蒸汽，冷卻水進口溫度為25℃，出口溫度為35℃，壓縮機采用電力驅動。QR為蒸汽用量（t/h）；CS為蒸汽價格，按220CNY/t計算；QC為冷卻水用量（t/h），CW為冷卻水單價，按0.4CNY/t 計算；QE為用電量（kW），CE為電價格，按0.55CNY/(kW·h)計算。投資回收年限（period）為3年，一年穩定運行8000h。

計算結果表明，五塔多效甲醇精餾工藝的TAC為1.09×108CNY/a，熱泵耦合多效甲醇精餾工藝的TAC 為7.96×107CNY/a，采用熱泵耦合多效甲醇精餾工藝TAC降低26.97%。

5 結論

本文針對五塔多效甲醇精餾工藝，引入熱泵技術和輔助再沸器，形成熱泵耦合多效甲醇精餾工藝。通過對兩種工藝的模擬與分析，得到如下結論。

（1）五塔多效工藝中，常壓塔冷凝器負荷為25.6MW，占總冷凝負荷的68.65%，常壓塔低溫余熱的利用是該工藝節能改進的關鍵。

（2）夾點分析表明熱泵穿越夾點，并且MVR型熱泵壓縮機COP 為22.5，遠超過了10，說明熱泵的添加設置合理而且必要。

（3）相比五塔多效甲醇精餾工藝，熱泵耦合多效甲醇精餾工藝冷凝總負荷降低33.76%，熱負荷降低32.64%，TAC降低26.97%。