熱泵和差壓技術(shù)在精餾節(jié)能中的對(duì)比

王巧娟 （天津金牛電源材料有限責(zé)任公司 天津300400）

?？±?馮 兵 （中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院 天津300131）

熱泵和差壓技術(shù)在精餾節(jié)能中的對(duì)比

王巧娟 （天津金牛電源材料有限責(zé)任公司 天津300400）

?？±?馮 兵 （中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院 天津300131）

隨著工業(yè)的發(fā)展，能源短缺問(wèn)題日益顯著，節(jié)能降耗引起了世界各國(guó)的普遍關(guān)注。將熱泵和差壓技術(shù)分別應(yīng)用于丙烯-丙烷精餾分離過(guò)程中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種技術(shù)的節(jié)能效果均十分顯著，丙烯-丙烷塔的能耗分別降低了94.2%和93.7%。

熱泵 差壓 節(jié)能

隨著工業(yè)的發(fā)展，能源短缺問(wèn)題日益顯著，節(jié)能降耗引起了世界各國(guó)的普遍關(guān)注。在我國(guó)，石油化工是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，其能耗約占全國(guó)工業(yè)總消耗的15%左右，并且其利用率也遠(yuǎn)低于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。因此，我國(guó)石油化工行業(yè)的節(jié)能任務(wù)十分迫切。在石油化學(xué)工業(yè)中，精餾作為化工、醫(yī)藥、冶金、食品等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的重要單元操作，其能耗約占化工生產(chǎn)的40%～70%。因此，研究探索精餾過(guò)程的節(jié)能原理、節(jié)能技術(shù)，并使其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)我國(guó)節(jié)能降耗的推廣有十分重要的意義。

迄今為止，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種精餾節(jié)能的工藝流程，從大的方面看，可以分為不改變流程結(jié)構(gòu)的節(jié)能技術(shù)和改變流程結(jié)構(gòu)的節(jié)能技術(shù)兩方面。不改變流程的節(jié)能技術(shù)主要是指優(yōu)化過(guò)程的操作參數(shù)，包括選擇合適的操作壓力、回流比、進(jìn)料熱狀態(tài)、回收率及改變精餾塔的保溫材料和開(kāi)發(fā)高效的塔板類型或填料等；改變流程的節(jié)能技術(shù)的原理是利用塔頂蒸汽的冷凝潛熱，主要包括熱泵精餾、差壓精餾、熱集成及多效精餾等。[1]

在眾多精餾節(jié)能技術(shù)中，熱泵和差壓精餾技術(shù)較為相似。筆者通過(guò)實(shí)例對(duì)兩種精餾技術(shù)的節(jié)能效果進(jìn)行比較，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬手段探討了兩種技術(shù)在節(jié)能效果上的差異。

1 熱泵和差壓精餾簡(jiǎn)介

熱泵及差壓精餾均是利用塔頂?shù)恼羝麧摕醽?lái)加熱塔底物料。[2]但熱泵精餾是靠壓縮機(jī)將塔頂中的低溫蒸汽提高到再沸器可以使用的能級(jí)或靠減壓閥降低塔底的高溫液體的能級(jí)以便利用塔頂?shù)恼羝麧摕帷岜貌僮鞣绞街饕譃殚g接式、塔頂氣體直接壓縮式和塔釜液體閃蒸再沸式。間接式是利用單獨(dú)封閉循環(huán)的工質(zhì)（冷劑）工作，冷劑與塔頂物料換熱后吸收熱量蒸發(fā)為氣體，氣體經(jīng)壓縮提高壓力和溫度后，送至塔釜加熱釜液，而后本身凝結(jié)成液體。塔頂氣體直接壓縮式是以塔頂氣體作為工質(zhì)，氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮升溫后進(jìn)入塔底再沸器，冷凝放熱使釜液再沸，冷凝液經(jīng)減壓閥減壓降溫進(jìn)入產(chǎn)品罐。塔釜液體閃蒸再沸式是以釜液為工質(zhì)，與塔頂氣體直接壓縮式流程相似。[3]

差壓精餾需要將原塔分為兩個(gè)塔，輕組分塔壓高于重組分塔壓，這樣可以保證塔頂蒸汽直接為塔底加熱而不再需要升高能級(jí)，但是由于輕組分塔壓比重組分塔壓高，所以這兩個(gè)塔之間需要加壓縮機(jī)，以保證氣體能從重組分塔進(jìn)入輕組分塔。[4]差壓操作方式可分為輕組分塔加壓精餾、重組分塔常規(guī)精餾或輕組分塔常規(guī)精餾、重組分塔減壓精餾兩種方式。

本文采用的是塔頂氣體直接壓縮式熱泵和重組分塔減壓差壓操作。其中重組分塔減壓差壓操作即是將普通精餾塔分割為常規(guī)精餾和減壓精餾兩個(gè)塔。具體流程見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 熱泵流程示意圖

圖2 差壓流程示意圖

2 實(shí)例分析

2.1 工藝參數(shù)介紹

本文以某丙烯-丙烷的分離為例，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬對(duì)常規(guī)工藝及節(jié)能工藝進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)料條件如下：進(jìn)料量為6 221 kg/h，壓力為0.91 MPa，進(jìn)料溫度為15.6℃，進(jìn)料組成為丙烯90.7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），丙烷9.22%，其他物質(zhì)為0.08%。分離要求塔頂以5 612 kg/h的采出量采出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.2%的丙烯?，F(xiàn)有常規(guī)流程精餾塔，操作壓力為2.82 MPa，其需要92塊理論板，進(jìn)料位置在第23塊。

2.2 常規(guī)工藝和節(jié)能工藝模擬結(jié)果

首先對(duì)常規(guī)工藝進(jìn)行模擬，結(jié)果如下：塔底溫度71.4℃，塔頂溫度65.3℃，冷凝器負(fù)荷-19.705 3 M×KJ/hr，再沸器負(fù)荷20.916 8 M×KJ/hr。

熱泵工藝的關(guān)鍵是進(jìn)行換熱的單元之間要達(dá)到指定的溫差，壓縮機(jī)出口壓力是影響換熱物流溫差的主要因素，通過(guò)變動(dòng)壓縮機(jī)出口壓力可以達(dá)到溫差要求。本文取壓縮機(jī)出口壓力為4.0 MPa，塔頂物流放出的熱量等于達(dá)到分離要求時(shí)塔內(nèi)上升氣相冷凝所釋放的熱量，然后塔頂物流進(jìn)減壓閥，減到初始?jí)毫筮M(jìn)輔助換熱器，進(jìn)行補(bǔ)充熱量或冷量。

差壓工藝中將精餾塔分割為常規(guī)精餾和減壓精餾兩個(gè)塔，常規(guī)精餾塔的操作壓力與常規(guī)單塔相同，即2.82 MPa，減壓精餾塔壓定為1.9 MPa，常規(guī)精餾塔和減壓精餾塔均為46塊塔板，進(jìn)料位置在常規(guī)精餾塔第23塊塔板。本模擬條件下常規(guī)精餾塔頂冷凝提供的熱量要小于減壓精餾塔底上升再沸蒸汽所需要量，開(kāi)啟輔助換熱器使得通過(guò)主換熱器的再沸物流再一次加熱達(dá)到減壓精餾塔底氣相上升蒸汽要求。

精餾過(guò)程主要能耗集中在熱量和動(dòng)力消耗上。表1為丙烯-丙烷分離時(shí)現(xiàn)有常規(guī)精餾過(guò)程與熱泵和差壓精餾過(guò)程的主要冷熱負(fù)荷和壓縮機(jī)能耗的比較。從表1計(jì)算結(jié)果可以看到，熱泵和差壓精餾過(guò)程需要的主要是壓縮機(jī)的動(dòng)力消耗，分別為0.762 1 M×KJ/hr和0.922 3 M×KJ/hr，而常規(guī)流程需要熱量消耗為20.916 8 M×KJ/hr。熱泵和差壓流程與現(xiàn)有常規(guī)精餾流程相比，總能耗分別降低了94.2%和93.7%，大幅度削減了丙烯-丙烷精餾分離過(guò)程中的能量消耗，真正實(shí)現(xiàn)了用蒸餾塔頂蒸汽的潛熱加熱塔底再沸器的目的，實(shí)現(xiàn)了能量真正的匹配，大幅度降低了精餾過(guò)程的能耗。

3 結(jié)論

表1 常規(guī)工藝與節(jié)能工藝主要能量消耗比較

由表1看出，熱泵和差壓技術(shù)的節(jié)能效率是基本相同的，相比之下差壓工藝能耗更低一些，但差壓工藝的壓縮機(jī)功率比熱泵工藝稍高，因電能的價(jià)值高于公用工程，這可能導(dǎo)致差壓工藝的操作費(fèi)用要高于熱泵工藝。熱泵工藝比差壓工藝多一個(gè)減壓閥，在控制上會(huì)比差壓工藝稍難，設(shè)備費(fèi)用也會(huì)有所增加。但兩種節(jié)能工藝的節(jié)能效果均是十分顯著的，實(shí)際生產(chǎn)中具體采用哪種工藝還需綜合權(quán)衡，以選擇最佳方案?！?/p>

[1]秦正龍，孟慶華.精餾過(guò)程的節(jié)能技術(shù)[J].節(jié)能，1997，（4）：16-19.

[2]郭偉華，孫見(jiàn)君.熱泵技術(shù)在化工精餾中的應(yīng)用[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，1999，20（2）：24-28.

[3]許維秀，朱圣東，李其京.化工節(jié)能中的熱泵精餾工藝流程分析[J].節(jié)能，2004（10）：19-22.

[4]李洪，李鑫鋼，羅銘芳.差壓熱耦合蒸餾節(jié)能技術(shù)[J].化工進(jìn)展，2008，27（7）:1125-1128.

2011-11-09