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(xué)石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164）

常規(guī)精餾工藝是高溫?zé)嵩聪蛩坠幔斦羝麧摕嵊玫蜏乩湓窗褵崃恳谱?，造成了熱量的不可逆性，?dǎo)致熱力學(xué)效率較低，能耗較高。但該過(guò)程也為能量的高效利用提供了可能。機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）熱泵技術(shù)[1-2]是基于蒸汽潛熱再利用的一種非常高效的節(jié)能手段，而熱量集成技術(shù)[3-5]則是從熱力學(xué)效率角度出發(fā)，對(duì)能量進(jìn)行有效合理的匹配。利用MVR 熱泵技術(shù)回收精餾塔塔頂蒸汽的潛 熱[6-8]，再根據(jù)分離塔系的溫度差，應(yīng)用熱集成技術(shù)，可最大程度地發(fā)揮精餾過(guò)程的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。目前有關(guān)MVR 熱泵熱集成的研究很少見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道。

本工作以煤化工副產(chǎn)的混合醇四元物系的分離為研究對(duì)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(chǔ)上，按能量匹配原則，對(duì)分離塔系進(jìn)行熱量集成，從能耗和年總費(fèi)用兩方面評(píng)價(jià)熱集成MVR 熱泵精餾工藝，預(yù)期為類(lèi)似物系的分離提供一條高效節(jié)能的工藝 路線。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)函數(shù)

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

進(jìn)料條件：處理量5000kg/h，飽和液體。其中含正丙醇（NPA）0.25（摩爾分?jǐn)?shù)，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(jìn)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(xué)狀態(tài)方程的選用，對(duì)精餾模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大?；旌系吞即紝儆跇O性體系，具有二元交互作用參數(shù)，故選擇NRTL-RK 計(jì)算模型，即采用NRTL 方程計(jì)算液相活度系數(shù)，采用RK 方程計(jì)算氣相逸度系數(shù)。精餾塔計(jì)算選用軟件中的Radfrac.模型，塔板采用浮閥塔盤(pán)。

1.2 操作壓力

操作壓力往往會(huì)影響組分間的相對(duì)揮發(fā)度[7]，因而在一定分離條件下，選擇最優(yōu)操作壓力，可增加被分離組分間的相對(duì)揮發(fā)度，從而減少回流比和理論板數(shù)，以達(dá)到節(jié)約能耗和投資的目的。對(duì)于本研究體系，各組分間的平均相對(duì)揮發(fā)度與操作壓力的關(guān)系見(jiàn)圖1?？梢?jiàn)，操作壓力越低，組分間的平均相對(duì)揮發(fā)度越大，越有利于分離。但考慮到塔頂?shù)睦湓床捎美鋮s水冷卻，因此操作壓力不能太低。由此規(guī)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(duì)于 NBA-IBA 體系，隨壓力的減小其相對(duì)揮發(fā)度增大的幅度并不大；而且在NBA 高濃度區(qū)域，壓力越低，組分間的相對(duì)揮發(fā)度更小。綜合考慮，規(guī)定NBA與IBA 分離塔的操作壓力為0.091MPa。

圖1 相對(duì)揮發(fā)度與壓力關(guān)系

1.3 評(píng)價(jià)函數(shù)

最優(yōu)工藝及操作條件的擇優(yōu)是以TAC（total annual cost），即年總費(fèi)用最小為依據(jù)。TAC 由操作費(fèi)用OC（operating cost）和年均設(shè)備費(fèi)用CI（capital investment）構(gòu)成。操作費(fèi)用包括塔頂冷卻水費(fèi)用、塔底加熱蒸汽費(fèi)用及壓縮機(jī)電費(fèi)；設(shè)備費(fèi)用包括精餾塔塔體、塔盤(pán)、壓縮機(jī)及換熱器費(fèi)用，計(jì)算公式如式（1）～式（3）[2-3]。

式中，TAC 為年總費(fèi)用，萬(wàn)元/年；θ為設(shè)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(jià)，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(jìn)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(fù)荷及壓縮機(jī)的功耗，由模擬計(jì)算得到；ξ 、δ 、σ 、ψ 分別為精餾塔塔體、塔盤(pán)、壓縮機(jī)及換熱器的換算造價(jià)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(shù)及總換熱面積，由模擬計(jì)算得到。

對(duì)如何優(yōu)化各工藝參數(shù)以求取各工藝的最優(yōu)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(yōu)操作參數(shù)與設(shè)備參數(shù)，代入TAC 計(jì)算公式。

2 常規(guī)精餾與不帶熱集成的MVR 熱泵精餾工藝

2.1 常規(guī)精餾工藝

多組分的常規(guī)精餾，存在著分離序列優(yōu)化的問(wèn)題。模擬計(jì)算結(jié)果表明本體系的常規(guī)精餾其各種分離序列得到的結(jié)果相當(dāng)，因此常規(guī)精餾采用順序分離序列進(jìn)行模擬，以此作為評(píng)價(jià)各種MVR 精餾工藝的基礎(chǔ)。常規(guī)精餾順序分離工藝見(jiàn)圖2，按照組分沸點(diǎn)的高低，依次分出IPA、NPA、IBA 和NBA共4 個(gè)組分。模擬結(jié)果見(jiàn)表1，過(guò)程的熱力學(xué)效率計(jì)算參考文獻(xiàn)[9]。

圖2 常規(guī)順序分離工藝（方案Ⅰ）

表1 常規(guī)精餾工藝模擬結(jié)果

2.2 不帶熱集成的MVR 熱泵精餾工藝

常規(guī)精餾工藝是高溫?zé)嵩聪蛩坠?，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?yán)重浪費(fèi)。為此，把MVR 熱泵技術(shù)應(yīng)用于以上常規(guī)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(guò)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(dá)到大幅度節(jié)能的效果。圖中C1、C2 和C3 均表示塔頂蒸汽壓縮機(jī)。

圖3 無(wú)熱集成MVR 精餾工藝（方案Ⅱ）

MVR 熱泵精餾工藝要滿足兩個(gè)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(fù)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(guī)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(jī)的壓縮比。無(wú)熱集成MVR 熱泵精餾工藝模擬結(jié)果見(jiàn)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(lái)看，T1 和T3 的塔頂壓縮蒸汽的冷凝負(fù)荷均略小于塔底需要的熱量，因此設(shè)置輔助再沸器，需要補(bǔ)充的熱量分別為233.8kW 和160.4kW。比較表1 和表2 的數(shù)據(jù)，不難看出，不帶熱集成的MVR 精餾工藝比常規(guī)精餾工藝節(jié)能約54%，節(jié)省TAC 約59.5%，熱力學(xué)效率則提高了9.95%。

3 帶熱集成的MVR 精餾工藝

對(duì)于多塔分離過(guò)程，采用熱集成可以降低能耗。而常規(guī)的熱集成精餾過(guò)程是通過(guò)各塔操作壓力的不同，形成一定的差壓來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shí)，往往會(huì)造成體系相對(duì)揮發(fā)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(guī)的熱集成精餾工藝，其中必定有一個(gè)塔的塔頂蒸汽其冷凝潛熱無(wú)法利用，必定有一個(gè)塔的塔底供熱是由界外提供的，因而無(wú)法達(dá)到最佳的節(jié)能效果。采用MVR 熱泵技術(shù)，各塔的塔頂蒸汽均可以充分利用，塔底無(wú)需由外界供熱或補(bǔ)充少些熱量。因此，在2.2 節(jié)研究的不帶熱集成的MVR 精餾工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合2.1 節(jié)的常規(guī)精餾工藝模擬結(jié)果，依據(jù)各塔頂塔底的溫差及各塔頂塔底的熱負(fù)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(wú)熱集成MVR 精餾工藝模擬結(jié)果

與圖6 和圖7 相比，圖4 和圖5 均采用兩臺(tái)壓縮機(jī)，節(jié)省了投資費(fèi)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(tái)壓縮機(jī)，圖6 采用了順?lè)悬c(diǎn)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(diǎn)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(fù)荷的匹配，某些塔的塔底增設(shè)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(duì)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(gè)塔的操作壓力分別依據(jù)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(lái)確定。以上4 種熱集成MVR 精餾工藝模擬結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 帶熱集成MVR 精餾工藝（1～4）模擬結(jié)果

帶熱集成的MVR 精餾工藝1 和工藝2 充分利用了常規(guī)熱集成和MVR 的節(jié)能原理，即把溫度較低的T1 和T2 塔頂蒸汽通過(guò)壓縮后給相應(yīng)的塔底供熱，而溫度相對(duì)較高的T3 塔頂蒸汽則直接給相應(yīng)的塔底供熱，構(gòu)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(jié)省了設(shè)備投資費(fèi)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(yīng)的塔底供熱，由于增加了壓縮機(jī)，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(jié)省了設(shè)備投資費(fèi)用，又減少了能量消耗，所以TAC 比工藝1 低8.8%。而對(duì)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?lè)悬c(diǎn)梯度流程，故熱力學(xué)效率比工藝3 增加了約6.2%。

4 結(jié)果比較與分析

各精餾工藝的計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表4。可見(jiàn)，不帶熱集成的MVR 精餾工藝與帶熱集成的MVR 精餾工藝，無(wú)論在TAC 還是能耗方面，均相當(dāng)；但均比常規(guī)精餾工藝要大幅度節(jié)能，節(jié)能幅度大于50%。雖然MVR 精餾工藝增加了壓縮機(jī)，其投資費(fèi)用要大于常規(guī)精餾工藝，但由于MVR 精餾工藝的操作費(fèi)用大為降低，因此，MVR 精餾工藝的TAC 比常規(guī)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(xué)效率是常規(guī)精餾工藝的2 倍多。

表4 各種精餾工藝模擬結(jié)果匯總

就5 種MVR 精餾工藝而言，節(jié)能效果最好、設(shè)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(fù)荷最為匹配，由此減小了外界的熱量補(bǔ)充，因而總的能耗最低。而操作費(fèi)用在TAC 中占的權(quán)重又比較大，因而能耗的降低直接導(dǎo)致了TAC 的減小。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)丙醇-異丙醇-丁醇-異丁醇四元混合體系的常規(guī)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(jié)論。

（1）對(duì)于對(duì)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(duì)揮發(fā)度，降低分離能耗。而對(duì)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(wú)論是帶熱集成的還是不帶熱集成，與常規(guī)精餾工藝相比，節(jié)能幅度均大于50%以上，年總費(fèi)用TAC 均降低接近61%左右，綜合經(jīng)濟(jì)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(wú)論是能耗還是綜合經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)勢(shì)相當(dāng)，但熱力學(xué)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?lè)悬c(diǎn)梯度熱集成要比逆沸點(diǎn)梯度熱集成更具優(yōu)勢(shì)。

（4）MVR 精餾工藝具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，隨著其關(guān)鍵設(shè)備蒸汽壓縮機(jī)的推廣使用及國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)技術(shù)的日趨成熟，該節(jié)能工藝路線具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力。

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