熱泵精餾技術在碳五混合烷烴分離過程中的應用

汪文健，孟園，孫國江，唐小淋，鄒琳玲，安良，晉梅

熱泵精餾技術在碳五混合烷烴分離過程中的應用

汪文健，孟園，孫國江，唐小淋，鄒琳玲，安良，晉梅

（江漢大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢 430056）

采用Aspen Plus V11軟件，對異戊烯生產過程中的碳五混合烷烴分離工段分別采用常規精餾技術和熱泵精餾技術進行穩態模擬，并對兩種不同技術的能耗進行比較分析。結果表明：在滿足各烷烴純度>99.00%（質量分數）的條件下，相比于常規精餾技術，采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術可節省冷能耗42.47%，熱能耗53.21%，總能耗降低47.91%，節能效果顯著。

Aspen Plus軟件；碳五混合烷烴；熱泵精餾技術；模擬與優化；節能

近年來中國煉化一體化和煤（甲醇）制烯烴技術快速發展，乙烯產能持續擴大，其生產過程中產生的碳五混合烷烴隨之迅猛增長，已成為乙烯工業不可忽視的伴生資源[1]。碳五混合烷烴中所含有的異戊烷、正戊烷和環戊烷是石油化工、精細化工和日用化工的寶貴原料，并可衍生出高附加價值的產品。工業生產過程中一般采用連續精餾的分離方法對碳五餾分中各烷烴進行分離，以期獲得高純度的異戊烷、正戊烷和環戊烷[2]。然而，在采用精餾塔進行各組分分離時，若滿足“塔頂和塔底溫差小于36 ℃、被分離物質沸點接近以及低壓運行時采用冷凝劑[3]”三個要求，則可采用熱泵精餾技術。熱泵精餾技術，通過補償或消耗機械功，將塔頂氣相的熱量用于加熱塔底物料，以獲得節能效果[4-5]。根據所消耗外界能量的不同，熱泵精餾技術分為汽相壓縮式熱泵精餾和吸收式熱泵精餾兩種方式。另外，根據壓縮機工質的不同，汽相壓縮式熱泵精餾又可分為塔頂汽相直接壓縮式、塔底液體閃蒸式和間接蒸汽壓縮式三種類型[6]。

本文采用Aspen Plus V11模擬軟件對來自某石化公司的碳五混合烷烴分別采用常規精餾和熱泵精餾技術進行流程穩態模擬與優化，并在滿足各烷烴純度>99.00%（質量分數）的要求下，對上述兩種分離技術的能耗進行比較分析，以期在能源供應的短缺的情況下為化工生產過程的節能提供有效的解決方案。

1 碳五混合烷烴分離模擬條件

1.1 設計基礎數據

本設計原料的基礎數據來自某石化碳五混合烷烴原料，為主要含有正戊烷、異戊烷和環戊烷的混合物，原料中各組分一覽表如表1所示。

表1 碳五混合烷烴中各組分質量分數一覽表

1.2 物性方法與模塊選擇

PENG-ROB適用于不同溫度和壓力條件下的非極性或弱極性混合物體系。對于碳五混合烷烴分離過程而言，由于過程系統內主要是正戊烷、異戊烷及其混合烷烴等的極性較弱的物系，因此，Aspen Plus模擬中采用PENG-ROB熱力學物性方法[7]。

在碳五混合烷烴分離模擬過程中所涉及的單元操作及模塊的選擇如表2所示。

表2 碳五混合烷烴分離中單元操作和模塊

2 常規精餾技術模擬

2.1 模擬流程

采用常規連續精餾技術分離碳五混合烷烴[8-9]模擬流程圖如圖1所示。碳五混合烷烴先后依次經過脫環戊烷塔（T0101）、脫碳六塔（T0102）、脫碳四塔（T0103）、異戊烷分離塔（T0104），可以得到所需要的正戊烷、異戊烷和環戊烷的分離精度滿足純度大于99.00%（質量分數）的分離要求。

圖1 常規精餾技術模擬圖

2.2 常規精餾技術模擬結果

常規精餾技術模擬思路：根據分離要求，首先采用DSTWU模塊對精餾塔進行簡捷計算得到初值，隨后將初值代入RadFrac模塊進行嚴格計算，最后采用靈敏度分析優化操作參數。圖1中各精餾塔簡捷計算及優化模擬結果如表3所示。

由表3可知，各精餾塔經過優化后，環戊烷、正戊烷和異戊烷的純度（質量分數）分別為99.00%、99.59%和99.68%，滿足>99%的分離精度要求。

3 熱泵精餾技術模擬

3.1 模擬流程

在表3優化后的四個精餾塔模擬結果中可以看到：T0102和T0104存在“塔頂塔底溫差小且所分離組分沸點相近”的特點，因此，對這兩個精餾塔可采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術[10]。熱泵精餾技術模擬流程圖如圖2所示，T0102塔頂產出和回流均為液相，氣相餾出物經換熱后進入冷凝器液化后分離，T0104產出為氣相、回流為液相，氣相餾出物經換熱后進入冷凝器達到氣相分率要求后，經閃蒸罐進行分離，所分離的氣相產出、液相進入精餾塔。

表3 常規精餾各精餾塔簡捷計算和優化模擬結果

圖2 熱泵精餾技術模擬圖

2.2 熱泵精餾技術模擬

根據圖2所建立的模擬流程圖進行模擬，由于T0101和T0103未采用熱泵精餾，因此模擬結果與表3相同，表4為采用熱泵精餾技術后脫碳六塔（T0102）和異戊烷分離塔（T0104）的模擬結果。

表4 熱泵精餾中T0102和T0104模擬結果

從表4模擬結果可知：采用熱泵精餾技術后，環戊烷、正戊烷和異戊烷的分離精度（質量分數）分別為：99.03%、99.59%和99.70%，不僅滿足分離精度要求，同時與常規精餾技術的分離精度具有一致性。

2.3 常規精餾與熱泵精餾的能耗對比

在滿足各烷烴分離要求的前提條件下，碳五混合烷烴分別通過常規精餾技術和熱泵精餾技術的能耗情況如表5所示，兩種精餾技術冷凝器能耗、再沸器能耗和總能耗的對比如圖3所示。

表5 兩種精餾技術模擬流程能耗 kW

圖3 常規精餾過程與熱泵精餾過程的能量消耗對比圖

從表5和圖3可以看到：相比于常規精餾技術，在碳五烷烴分離過程中采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術，可節省冷能耗42.47%、熱能耗53.21%、總能耗降低了47.91%，節能效果較為顯著。

3 結 論

從碳五混合烷烴中分離異戊烷、正戊烷和環戊烷，一般采用常規的四塔連續精餾分離技術。然而，由于脫碳六塔和異戊烷分離塔具有“塔頂和塔底溫差較小、分離組分沸點接近”的特點，因此，提出采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術進行碳五混合烷烴的分離。基于Aspen Plus V11流程穩態模擬軟件，采用PENG-ROB熱力學物性方法，選取合適的過程系統單元模塊，搭建常規連續精餾和熱泵精餾模擬流程圖，對某石化公司碳五混合烷烴的分離工段進行穩態模擬與優化。在模擬計算中，通過DSTWU模塊的簡捷計算、RadFrac模塊的嚴格計算及靈敏度分析后，一方面可得到優化后精餾塔工藝參數，另一方面，可對兩種不同分離技術的能耗情況進行對比。能耗對比結果表明：在滿足環戊烷、正戊烷和異戊烷純度>99.00%（質量分數）條件下，相比于常規精餾技術，采用塔頂蒸汽壓縮式熱泵精餾技術可節省冷能耗42.47%，熱能耗53.21%，總能耗降低47.91%，可有效解決化工生產過程中能源供應短缺的問題。

［1］蘇珍．裂解碳五餾分分離過程的模擬研究[D]．中國石油大學(華東)，2016：1-2．

［2］李瑩．從異戊烯聯合裝置看C5資源綜合利用的發展[J]．石油化工技術與經濟，2007，23 (1)：57-61．

［3］許維秀．熱泵技術在精餾中的應用[J]．節能與環保，2005 (3)：36-38．

［4］李大偉．熱泵精餾流程構建策略及應用研究[D]．青島科技大學，2007：18．

［5］李若晗，姬愛民．基于熱泵循環的水蒸發濃縮系統研究[J]．遼寧化工，2021，50(1)：89-91．

［6］孫蘭義．化工過程模擬實訓-Aspen Plus教程（第二版）[M]．北京：化學工業出版社，2019：366．

［7］韓興華，董婷，白昊，王艷紅．基于Aspen Plus的氫氣在烴類中溶解度的計算[J]．中北大學學報(自然科學版)，2016，37(5)：516-521．

［8］陳剛，劉春柳，王永成．Aspen Plus模擬計算在連續重整裝置增產碳五中的應用[J]．石化技術與應用，2019，37(1)：46-49．

［9］王彥珺．戊烷精分裝置環戊烷收率優化設計之改造正戊烷塔[J]．化工設計通訊，2019，45(3)：127．

［10］鄧博文，張瑩，王志超．異戊烷分離塔熱泵精餾節能研究[J]．化工技術與開發，2020，49(11)：63-65．

Application of Heat Pump Distillation Technology in Separation of C5Mixed Alkanes

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（School of Chemical and Environmental Engineering, Jianghan University, Wuhan Hubei 430056, China）

Two different distillation technologies were proposed for the separation of C5mixed alkanes in the production of isopentene, including the conventional distillation technology and the heat pump distillation technology. Furthermore, based on the simulation and optimization results of the two different distillation technologies using Aspen Plus V11 software, the simulation results of the energy consumption were compared and analyzed. Compared with the conventional distillation technology, the overhead vapor phase direct compression heat pump distillation technology displayed a trend of decline for the energy consumption under the purity of each alkane of more than 99.00%(mass fraction). The cold energy consumption, the heat energy consumption and the total energy consumption were reduced by 42.47%, 53.21% and 47.91%, respectively.

Aspen Plus software; C5mixed alkanes; Heat pump distillation technology; Simulation and optimization; Energy-saving

2021-06-13

汪文健（2000-），男，湖北省武漢市人，研究方向：化學工程與工藝。

晉梅（1973-），女，副教授，博士，研究方向：化工過程強化與模擬。

TQ028.2+1

A

1004-0935（2022）01-0089-04