異戊烷分離塔熱泵精餾節(jié)能研究

鄧博文，張 瑩，王志超

（西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

異戊烷具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可用作提高汽油辛烷值的添加劑、聚乙烯生產(chǎn)中催化劑的溶劑以及生產(chǎn)異戊二烯和異戊醇的重要原材料。異戊烷的主要來(lái)源是輕石腦油、重整拔頭油、重質(zhì)烴裂解過(guò)程中的碳五餾分[1]。碳五餾分中的異戊烷含量依賴(lài)其來(lái)源，如重整拔頭油中正戊烷含量為65%～70%，異戊烷為15%～20%，而重質(zhì)烴裂解碳五中，異戊烷和異戊烯含量為40%～80%[2]。混合輕石腦油中，辛烷值含量極高的異戊烷達(dá)到了28.22%，辛烷值含量較低的正戊烷含量為37.79%。

由于正戊烷、異戊烷兩者的相對(duì)揮發(fā)度較小，使得在從碳五餾分中回收利用異戊烷的過(guò)程中，異戊烷分離塔的能耗較大，熱效率較低[3-5]。熱泵精餾技術(shù)對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行壓縮、升壓、升溫，使其能質(zhì)得到提高，并作為再沸器熱源，從而有效節(jié)省熱能源，降低冷凝器的熱負(fù)荷。依據(jù)熱泵消耗外界能量的不同，熱泵精餾可分為蒸汽壓縮式和蒸汽噴射式2 種[6-7]。

目前異戊烷分離塔的節(jié)能研究，大多數(shù)都是進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化，對(duì)精餾方式的改造卻少有提及。本文以某煉油廠碳五餾分分離過(guò)程中的異戊烷分離塔為研究對(duì)象，通過(guò)流程模擬，考察熱泵精餾技術(shù)對(duì)異戊烷分離過(guò)程能耗的影響，為異戊烷分離塔的節(jié)能設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 模擬部分

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某煉油廠規(guī)劃原油加工能力8.0 Mt·a-1，生產(chǎn)混合輕石腦油183.5 kt·a-1。原料分別為600 kt·a-1連續(xù)重整裝置的拔頭油、戊烷油、半再生重整裝置的拔頭油、戊烷油、柴油加氫改質(zhì)裝置的輕石腦油[4]?；旌陷p石腦油的組成如表1 所示。

表1 混合輕石腦油組成Table 1 Composition of mixed light naphtha

圖1 常規(guī)精餾工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of conventional distillation process

1.2 流程模擬

1.2.1 改造前工藝流程

改造前的工藝流程如圖1 所示。輕石腦油原料進(jìn)入異戊烷分離塔后，塔頂輕組分經(jīng)冷凝器冷卻后進(jìn)入異戊烷回流罐，一部分由異戊烷回流罐返回塔頂，另一部分作為產(chǎn)品送至罐區(qū)。塔底C5餾分經(jīng)再沸器汽化后，一部分返回塔底，另一部分送往下一工段進(jìn)行處理。

1.2.2 改造后工藝流程

改造后的工藝流程如圖2 所示。輕石腦油經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入異戊烷分離塔，塔頂氣體經(jīng)壓縮機(jī)升壓后，與塔底物料進(jìn)行換熱。塔頂物料經(jīng)節(jié)流冷卻，進(jìn)入回流罐，一部分送回塔頂，一部分作為產(chǎn)品送至罐區(qū)。塔底物料中的一部分送至下一工段，其余部分返回塔釜。

圖2 熱泵精餾工藝流程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of heat pump rectification process

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)精餾技術(shù)模擬結(jié)果

2.1.1 工藝參數(shù)

在對(duì)采用嚴(yán)格模型的流程模擬過(guò)程進(jìn)行計(jì)算之前，需要通過(guò)捷算法，計(jì)算出完成分離任務(wù)所需的最小理論板數(shù)和最小回流比。異戊烷分離塔的進(jìn)料溫度、組成、流量等設(shè)計(jì)變量如表2 所示。由于異戊烷分離塔的進(jìn)料組成十分復(fù)雜，為了便于計(jì)算，分別選取異戊烷、正戊烷為輕、重關(guān)鍵組分。分離任務(wù)為塔頂輕異戊烷的回收率為99%，塔釜產(chǎn)品正戊烷的回收率為99.9%。通過(guò)DSTWU 模塊進(jìn)行簡(jiǎn)捷計(jì)算的結(jié)果，和采用RadFrac 模塊進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中所采用的參數(shù)如表3 所示。

表2 DSTWU 模塊的設(shè)計(jì)變量Table 2 Design variables of DSTWU module

表3 DSTWU 模塊計(jì)算結(jié)果和RadFrac 模塊的參數(shù)Table 3 Calculation results of DSTWU module and parameters of RadFrac model

2.1.2 RadFrac 模擬結(jié)果

在滿足異戊烷分離精度的前提條件下，采用嚴(yán)格模型對(duì)常規(guī)精餾過(guò)程的異戊烷分離塔進(jìn)行計(jì)算，得到的能量衡算結(jié)果如表4 所示。鑒于塔頂冷凝器與塔釜再沸器的熱負(fù)荷較大，而塔頂和塔釜之間的溫差較小，塔頂產(chǎn)品異戊烷本身可以作為熱泵的工作介質(zhì)，因此異戊烷分離塔的常規(guī)精餾過(guò)程，適宜采用熱泵精餾過(guò)程進(jìn)行節(jié)能改造。

表4 常規(guī)精餾過(guò)程的熱負(fù)荷Table 4 Heat loads of conventional distillation processes

2.2 熱泵精餾技術(shù)的模擬結(jié)果

采用熱泵精餾技術(shù)對(duì)異戊烷分離塔進(jìn)行流程模擬過(guò)程中所使用的參數(shù)如表5 所示。在滿足異戊烷分離精度的前提條件下，針對(duì)熱泵精餾過(guò)程，采用嚴(yán)格模型對(duì)異戊烷分離塔進(jìn)行計(jì)算，得到的能量衡算結(jié)果如表6 所示。

表5 熱泵精餾過(guò)程的主要工藝參數(shù)Table 5 Main process parameters of heat pump rectification process

表6 熱泵精餾過(guò)程的熱負(fù)荷Table 6 Heat loads of the heat pump rectification process

2.3 常規(guī)精餾與熱泵精餾的對(duì)比

2.3.1 能耗對(duì)比

在滿足分離任務(wù)的前提條件下，針對(duì)異戊烷分離塔采用嚴(yán)格模型，分別對(duì)常規(guī)精餾和熱泵精餾進(jìn)行了流程模擬。2 種不同精餾過(guò)程的能耗計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 常規(guī)精餾過(guò)程與熱泵精餾過(guò)程的能量消耗Fig 3 the energy consumption of the rectification process and the heat pump rectification process

經(jīng)過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，異戊烷精餾塔在2 種不同的精餾過(guò)程中的能量消耗具有顯著的差異。相對(duì)于普通精餾技術(shù)，熱泵精餾技術(shù)可節(jié)省冷能耗84.53%，熱能耗100%，總能耗降低了69.98%，節(jié)能效果十分顯著。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

異戊烷分離塔采用普通精餾和熱泵精餾兩種不同工藝的總費(fèi)用列于表7。其中冷卻水按照0.4元·t-1、低壓蒸汽200元·t-1、電費(fèi)0.8元·(kW·h)-1[8]進(jìn)行估算。

與普通精餾相比，熱泵精餾過(guò)程不需要設(shè)置塔頂冷凝器，但是為了實(shí)現(xiàn)較低溫度的塔頂向較高溫度的再沸器的熱量傳遞，需要增設(shè)壓縮機(jī)。綜合考慮投資費(fèi)用和操作費(fèi)用，雖然熱泵精餾比普通精餾的設(shè)備投資費(fèi)用增加了人民幣300 萬(wàn)元，但是熱泵精餾技術(shù)每年可節(jié)省能耗費(fèi)用人民幣1581.4 萬(wàn)元，因此，采用熱泵精餾技術(shù)，可顯著提高異戊烷分離過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益。

表7 普通精餾和熱泵精餾的總費(fèi)用對(duì)比Table 7 Comparison of overall cost of conventional and heat pump distillations

3 結(jié)論

1）本文通過(guò)流程模擬，考察了熱泵精餾技術(shù)在異戊烷分離過(guò)程中應(yīng)用的可行性。結(jié)果表明，在完成分離任務(wù)的前提條件下，熱泵精餾技術(shù)能夠顯著降低異戊烷分離過(guò)程的能耗。

2）異戊烷分離過(guò)程采用熱泵精餾技術(shù)，設(shè)備投資費(fèi)用會(huì)增加，但也能夠顯著降低操作費(fèi)用。相較于普通精餾，熱泵精餾技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。