應用MVR熱泵技術改造醋酸-水精餾系統節能研究

王建國

（寧夏中盛新科技有限公司, 寧夏 中衛 755000）

2021 年10 月24 日, 國務院印發了《2030 年碳達峰行動方案》, 其中在工業領域石油化工行業碳達峰方案中提到：鼓勵企業節能升級改造, 推動能量梯級利用、物料循環利用[1］。據國家統計局有關數據顯示, 2020年我國能源消費總量49.8億t標準煤, 石化化工行業是國民經濟支柱產業, 2020 年石化化工行業能源消費量達6.85億t標準煤, 約占全國能源消費總量的14%。據報道, 化工過程中40%～70%的能耗用于分離工序, 而精餾單元所占比例最大[2］。精餾是利用混合物中各組分揮發度不同而將各組分加以分離的一種分離過程。探索精餾節能方法主要有3個途徑[3-4］：（1）優化精餾塔操作參數, 包括進料溫度、進料位置、最佳回流比、中間換熱等, 一般可通過化工模擬軟件（Aspen, Pro/Ⅱ）對已有裝置優化操作, 對新建裝置優化設計；（2）精餾塔設備設計優化, 比如新型高效塔板、新型高效填料等；（3）開發高效的節能工藝, 常見的精餾節能工藝主要有熱耦精餾、反應精餾、多效精餾和熱泵精餾等。相對而言, 開發高效的節能工藝意義更加重大, 合理高效的節能工藝往往可以取得事半功倍的效果, 既有利于企業節能降耗、降本增效, 也有利于提高產品收率和純度。

熱耦精餾（Thermally Coupled Distillation）適用于三元混合物分離, 設計上采用主塔和副塔, 避免了冷凝器和再沸器, 實現了熱量耦合。熱耦精餾對塔設計的精度要求高, 需保證全塔和副塔氣液分配合理。分壁式精餾是對熱耦精餾的發展, 主塔和副塔做在一個塔體內, 用直立壁分開。分壁式精餾現已成熟應用于烷烴分離、精細化學品分離等領域, 節能20%～45%, 投資降低30%[5-6］。

反應精餾（Reactive Distillation）是在一個裝置內, 同時實現化學反應和物理分離兩個工序。它打破了化學反應的氣液平衡, 加快傳熱傳質, 提高了可逆反應的轉化率和選擇性。對于放熱反應, 反應釋放的熱量可以作為精餾所需的氣化潛熱, 從而降低能耗和操作費用。反應精餾過程復雜, 應用范圍較窄, 目前應用多見于酯化、醚化、烷基化等反應[7-8］。

多效精餾（Multi-effect Distillation）是利用多效蒸發的原理, 高壓塔頂蒸汽向低壓塔的再沸器釋放潛熱, 同時被冷凝的熱集成精餾過程, 適用于多組分分離。根據物料和熱源的相對流向不同可分為順流、并流、逆流和混流。多效精餾是充分利用了不同組分的分離潛熱, 節省熱源的同時也節省了冷源。二效的理論節能率是50%, 三效的節能效率是66.7%, 以此類推。當然節能率提高的同時設備投資費用也會不斷增加, 所以多效精餾對設計和控制都有更高的要求[9］。

熱泵精餾（Heat distillation）是把精餾塔塔頂蒸汽加壓升溫, 使其用作塔底再沸器的熱源, 回收塔頂蒸汽的冷凝潛熱。熱泵精餾的特點是逆向卡諾循環, 是一種高效的節能技術。根據消耗的能量不同分為蒸汽加壓式和吸收式。蒸汽加壓式根據加壓方式不同, 又可分為蒸汽噴射式（Thermal Vapour Recompression, 簡稱TVR）和蒸汽壓縮機式（Mechanical Vapor Recompression, 簡稱MVR）[10-12］。

TVR熱泵的工作原理是高壓蒸汽通過噴嘴時產生高速氣流, 產生低壓區, 同時將低壓蒸汽吸入設備, 高壓蒸汽在膨脹的同時壓縮低壓蒸汽, 通過混合室充分混合能量交換, 再通過擴壓室回復部分壓力損失, 達到要求的蒸汽壓力后使用。TVR熱泵核心設備是熱噴射器, 由噴嘴、吸入室、擴壓室（混合段、喉管、擴壓段）三大部分組成。它的特點是結構簡單, 投資少, 運行安全穩定。適用于低品位蒸汽的回收利用, 可提高蒸汽利用率[13-14］。

MVR 工藝特點是消耗一定量的電能, 將機械功轉化為熱能, 提高蒸汽熱焓值。一般為連續工藝, 僅啟動時需消耗蒸汽, 相比傳統的多效蒸發節能效果非常明顯。MVR 技術已廣泛應用于化工、食品、醫藥、海水淡化、制鹽等領域。MVR技術的核心設備是蒸汽壓縮機, 蒸汽壓縮機技術的國產化大大推動了MVR 技術的發展和應用。蒸汽壓縮機常用的有羅茨式壓縮機、離心式壓縮機、雙螺桿壓縮機等。其中離心式壓縮機應用最普遍, 普遍采用鈦合金三元流葉輪, 轉速可達9 000～20 000 rpm, 單機溫升最高可達23 ℃左右, 壓縮比2.6～2.8。若需要獲得更高的壓縮比和溫升, 可采用多級串聯。羅茨式壓縮機屬于容積式, 轉速通產在980～1 450 rpm, 單級溫升可達28 ℃, 但劣勢是體積流量小、效率略低、噪音大等。同時羅茨壓縮機轉子材質最高可選2 205 或2 507, 無法選用鈦合金, 不適宜處理高腐蝕性物料[15-18］。

MVR 熱泵精餾可分為塔頂汽相直接壓縮式、塔底液相閃蒸式和間接蒸汽壓縮式。熱泵精餾應用場景有以下3個：（1）塔頂和塔底的溫差小, 當塔頂和塔底的溫度差值小于36 ℃時, 可以通過熱泵精餾取得較好的經濟收益和運行效果。對于MVR蒸發系統, 塔頂和塔底的溫差越小, 壓縮機所做的軸功率越小, 節能效果越明顯；（2）被分離物質沸點接近, 相對揮發度較小, 分離困難, 按常規方法, 蒸餾塔需要較多的塔盤及較大的回流比, 才能得到合格的產品；（3）蒸汽氣源供應不足或價格較高, 循環冷卻水水量受限等[12, 19］。

1 技改背景

公司2-氨基-4-乙酰氨基苯甲醚生產線乙酰化工序乙酰化反應會產生稀醋酸, 日產生量為10 t, 濃度約為25%。原處理工藝為精餾塔連續精餾濃縮后回用, 熱源為新鮮蒸汽（0.6 MPa）, 來自園區蒸汽管網經減壓后使用。塔頂冷凝水含醋酸＜1%, 塔釜回收醋酸, 濃度大于65%, 可直接套用至反應工序。當地大氣壓87.14 kPa（A）。操作工況塔頂氣相溫度96 ℃, 塔釜液相溫度102 ℃、回流比6∶1。精餾塔參數：板式塔, 塔徑600 mm、高20.2 m。

2 可行性分析

（1）當地大氣壓下純醋酸沸點113.2 ℃, 水沸點95.9 ℃, 沸點差約17.3 ℃；現工藝對塔釜醋酸濃度要求不高（達到65%即可回用）, 操作工況下塔頂和塔釜溫差只有6 ℃, 非常適合應用MVR熱泵技術。

（2）醋酸和水沸點接近, 相對揮發度1.65, 較難分離現。工藝目前回流比6∶1, 回流比大導致能耗偏高。預期應用MVR技術改造節能效果比較顯著。

（3）園區新鮮蒸汽價格大于200 元/t, 價格較高, 且存在一定的供應不足風險。預期應用MVR 技術改造節能效果比較顯著。

（4）現精餾系統塔頂醋酸濃度小于1%, 腐蝕性較小, 壓縮機選型較容易。

（5）現精餾系統運行非常穩定, 應用MVR 熱泵技術可以不改變精餾塔操作參數, 對系統影響較小。

綜上所述, 原系統存在塔頂塔底溫差小、回流比大、能耗高、蒸汽價格高等特點, 對現有醋酸精餾系統應用MVR熱泵技改十分必要, 且可行性高。預期節能效益明顯, 對公司整體的節能降耗、降本增效工作具有積極推動和示范作用。

3 技改實施方案

3.1 物料組成

進料組成：25%醋酸, 75%水。塔頂組成：1%醋酸, 其余水；塔釜組成：＞65%醋酸, 其余水。

3.2 操作參數

不改變現有操作參數, 進料量：450 kg/h, 回流流量：1 500 kg/h, 塔頂采出量：250 kg/h, 塔釜采出量200 kg/h；塔頂氣相溫度：96 ℃, 塔釜溫度：102 ℃, 塔頂壓力：87 kPa（A）, 塔釜壓力：97 kPa（A）。

3.3 工藝流程簡述

原工藝流程：稀醋酸和回收醋酸經換熱器換熱后進入精餾塔中部位置；塔底液相經新鮮蒸汽加熱后再在沸器熱虹吸循環, 塔底氣相和回流液逆流氣液接觸；塔頂氣相經循環水冷卻, 一部分回流至精餾塔, 一部分去界外。

技改流程：主流程不變, 將塔頂蒸汽（含1%醋酸）經蒸汽壓縮機提升溫度壓力后進入再沸器冷凝放熱。冷凝水經泵輸送, 一部分回流至精餾塔, 一部分排出界外。技改的核心設備為蒸汽壓縮機及再沸器。技改前后流程對比如圖1所示。

圖1 技改前后工藝流程對比

3.4 設備選型

壓縮機：由于本項目氣量小, 壓縮比適中, 選用羅茨壓縮機經濟適用；氣相腐蝕性較小, 羅茨壓縮機轉子材質2 507, 外殼材質316 L 可滿足腐蝕性要求。蒸汽量：1 500 kg/h, 入口溫度96 ℃, 出口溫度115 ℃, 溫升19 ℃, 進口壓力87 kPa（A）, 出口壓力170 kPa（A）。經計算軸功率85 kW, 電機功率選110 kW, 變頻控制, 防爆等級ExdⅡBT4。

再沸器：原再沸器為熱虹吸式, 傳熱溫差大, 所需面積小（F=35 m2）, 無法滿足技改工藝要求。本項目改為橫管降膜式再沸器, 它具有傳熱系數高（可達2 000～3 000 W/m2·℃）、所需傳熱溫差小的優點。經計算熱負荷950 kW, 換熱面積F=100 m2, 列管直徑?25 mm, 材質TA2。

循環泵：選用化工離心泵, 流量12.5 m3/h, 揚程32 m, 功率7.5 kW, 材質TA2。

噴淋泵：選用化工離心泵, 流量5 m3/h, 揚程32 m, 功率3 kW, 材質TA2。

3.5 工藝消耗定額

循環水：30 m3/h；電耗：90 kW；蒸汽：僅開車時需要。

3.6 投資運行成本分析

將技改前后的運行成本進行對比分析。蒸汽價格：200元/t, 電價：0.5元/度, 冷卻水0.2元/t。具體見表1所列。

表1 運行成本分析

技改后運行費用僅為之前的1/6 左右。日運行費用可節約7 776元, 年節約費用233.28萬元（按300 d計算）, 經濟效益十分客觀。技改投資成本包括核心設備采購費（壓縮機、再沸器）、自控儀表、管道管件、防腐保溫等, 合計約100萬, 半年回收成本。

4 結束語

熱泵精餾可廣泛應用于化工、環境、食品等行業, 未來發展潛力巨大。我公司成功應用MVR 熱泵技術對醋酸精餾系統技改, 節能效果顯著, 運行穩定, 取得了預期目標。

有關精餾節能降耗具體實踐中, 要善于運用系統集成技術, 把反應、精餾和換熱網絡綜合考慮、集成優化。這樣才能確保工藝路線先進合理, 設備穩定可靠, 運行安全經濟, 實現整個系統最優, 取得預期的經濟效益和社會效益。