一種改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程

張呂鴻，劉建賓，李鑫鋼，2，姜 斌，2，李 洪，2

（1．天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津300072；2．天津大學(xué) 精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心，天津300072）

精餾作為化工行業(yè)應(yīng)用最廣泛和能耗最大的分離操作之一［1］，得到了廣泛而深入的研究，各種新型 精 餾 工 藝 相 繼 問(wèn) 世［2－6］。 差 壓 熱 耦 合 精 餾（PSTCD）是一種新型的高效節(jié)能的精餾技術(shù)［7］，相比傳統(tǒng)精餾（CDiC）工藝具有較高的節(jié)能效率［8］。針對(duì)差壓熱耦合的相關(guān)特點(diǎn)，為進(jìn)一步深入研究其節(jié)能性能并改進(jìn)其節(jié)能效果，增加熱量耦合度，更多地利用體系內(nèi)剩余熱量，筆者提出了一種改進(jìn)的差壓熱耦合精餾節(jié)能工藝。以甲基環(huán)戊烷／苯二元物系為例，采用SIMSCI PRO／II模擬軟件模擬所提出的改進(jìn)差壓熱耦合流程，并與原差壓熱耦合流程對(duì)比；采用標(biāo)準(zhǔn)煤能耗折算方法［9］進(jìn)行計(jì)算，與原流程的節(jié)能效率進(jìn)行對(duì)比，并分析其節(jié)能原因；提出了差壓熱耦合精餾的一般通用流程，以期對(duì)差壓熱耦合的后續(xù)研究提供系統(tǒng)的指導(dǎo)與支持。

1 差壓熱耦合精餾技術(shù)及其節(jié)能原理

圖1為現(xiàn)有的差壓熱耦合精餾流程圖。差壓熱耦合精餾技術(shù)是將常規(guī)精餾塔分割為2個(gè)壓力不同的塔，保持總理論板數(shù)不變。分割后的高壓塔與原精餾塔壓力相同或適當(dāng)加壓，另一塔降壓操作；調(diào)節(jié)低壓塔的壓力，使高壓塔頂氣體作為低壓塔釜的熱源，從而實(shí)現(xiàn)熱量的耦合和匹配，實(shí)現(xiàn)節(jié)能［7］；兩塔之間通過(guò)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)壓力匹配。由于兩塔為變壓操作，當(dāng)?shù)蛪核祲汉?，塔?nèi)分離物系的相對(duì)揮發(fā)度增加，使得分離更加容易，回流比隨之降低［10－11］，塔內(nèi)上升氣相量和下降液相量降低，塔釜所需熱量下降，因此高壓塔頂?shù)臍庀嗔繎?yīng)大于低壓塔釜的液相量，兩塔間在保證一定壓差下，前者可以為后者提供足夠的熱量，從而實(shí)現(xiàn)兩塔熱量的耦合與流程的完整。

圖1 現(xiàn)有的差壓熱耦合精餾（PSTCD）流程圖Fig．1 Flow diagram of existing PSTCD

2 改進(jìn)的差壓熱耦合精餾技術(shù)

現(xiàn)有的差壓熱耦合精餾流程雖有較高的分離和節(jié)能效果［7］，但仍有待改進(jìn)以進(jìn)一步提高節(jié)能效率。主要表現(xiàn)為，在保證進(jìn)料、產(chǎn)品、溫度和壓力等操作條件不變情況下，固定主換熱器的熱負(fù)荷，由于高壓塔頂氣體的熱量在加熱低壓塔釜后仍有剩余，而原流程又不能改變主換熱器負(fù)荷，因而不能進(jìn)一步利用這部分剩余熱量以提高節(jié)能效率。

改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程如圖2所示。與原流程相比，在高壓塔釜出料口設(shè)置中間冷卻器，將物料冷卻到某一溫度后再進(jìn)入低壓塔，使高壓塔頂氣體在經(jīng)過(guò)主換熱器后直接可達(dá)到與原流程進(jìn)塔時(shí)相同的狀態(tài)，直接進(jìn)入高壓塔頂，從而省略后冷器。

圖2 改進(jìn)的差壓熱耦合精餾（PSTCD）流程圖Fig．2 Flow diagram of improved PSTCD

設(shè)置中間冷卻器的目的在于，由于該物料在塔頂液相進(jìn)料，有回流液的作用，可以降低該物料溫度，減少與塔內(nèi)物料的換熱，促進(jìn)塔內(nèi)傳質(zhì)；該流股溫度降低后，必將增加低壓塔釜再沸器負(fù)荷，也就增加了主換熱器換熱量，從而更多地利用了高壓塔頂氣體的熱量，耦合作用加強(qiáng)，相當(dāng)于減少了外加冷卻器的負(fù)荷，節(jié)省了能量。此外，由于高壓塔釜液體出料接近泡點(diǎn)，若直接進(jìn)入低壓塔內(nèi)會(huì)較易氣化，從而加大壓縮機(jī)負(fù)荷，增加了能耗。將高壓塔液體出料冷卻后再引入低壓塔內(nèi)，其氣化率會(huì)降低，也就減少了低壓塔頂氣相量，從而減小了壓縮機(jī)功率，降低了整個(gè)流程的能耗。

3 改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程的模擬計(jì)算

3．1 模擬計(jì)算基礎(chǔ)

以甲基環(huán)戊烷與苯質(zhì)量比為1的二元物系為進(jìn)料，進(jìn)料流量為2500kg／h、塔頂采用泡點(diǎn)回流時(shí)，可得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%的甲基環(huán)戊烷產(chǎn)品，塔釜可得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%的苯產(chǎn)品。以標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)［9］作為能耗比較基準(zhǔn)，即將所有能耗（包括壓縮機(jī)電耗、冷卻器冷卻水消耗）折算為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量計(jì)算節(jié)能效率。改進(jìn)的差壓熱耦合精餾工藝的進(jìn)料條件、產(chǎn)品信息及折算系數(shù)列于表1。

表1 改進(jìn)的PSTCD工藝的進(jìn)料條件、產(chǎn)品數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)煤（CE）折算系數(shù)Table 1 Basic data of feed condition，product and coal equivalent（CE）conversion coefficients for improved PSTCD

3．2 模擬結(jié)果與討論

根據(jù)上述分離條件，首先對(duì)以甲基環(huán)戊烷／苯二元物系為進(jìn)料的傳統(tǒng)單塔精餾（CDiC）流程進(jìn)行模擬，確定最優(yōu)進(jìn)料位置，得到能耗最低的優(yōu)化傳統(tǒng)單塔精餾流程，然后以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行現(xiàn)有差壓熱耦合精餾（PSTCD）和改進(jìn)差壓熱耦合精餾（Improved PSTCD）的模擬。表2列出了 CDiC、PSTCD與Improved PSTCD 3種流程分離甲基環(huán)戊烷／苯二元物系的操作條件。表3列出了PSTCD和Improved PSTCD流程的主要模擬結(jié)果。

根據(jù)模擬結(jié)果，使用表1中的標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)，將2種差壓熱耦合精餾流程的標(biāo)準(zhǔn)煤能耗進(jìn)行比較，得出了改進(jìn)流程的節(jié)能效率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 傳統(tǒng)單塔精餾（CDiC）、現(xiàn)有差壓熱耦合精餾（PSTCD）與改進(jìn)差壓熱耦合精餾流程的操作參數(shù)Table 2 Operating parameters of（CDiC），PSTCD and improved PSTCD

表3 改進(jìn)前后差壓熱耦合精餾的模擬結(jié)果Table 3 Simulation results of PSTCD before and after improved

表4 改進(jìn)前后差壓熱耦合精餾流程的標(biāo)準(zhǔn)煤能耗Table 4 The ce energy consumption of PSTCD before and after improved

由表3和表4可知，使用改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程后，由于中間冷卻器的引入，低壓塔需要的熱量增加，主換熱器的熱負(fù)荷增加，因而高壓塔頂熱量可以更多地被利用。原差壓熱耦合精餾流程的高壓塔頂熱量大于低壓塔釜加熱量，高壓塔頂氣體在主換熱器被加熱后，仍為氣、液兩相，故需要進(jìn)一步后冷才能冷卻到泡點(diǎn)，然后回流并作為塔頂產(chǎn)品。改進(jìn)流程由于引入中間冷卻器，高壓塔頂氣相在加熱低壓塔釜后剛好達(dá)到泡點(diǎn)，無(wú)需后冷，直接回流和產(chǎn)出塔頂產(chǎn)品。同時(shí)，由于熱量耦合程度增加，熱量利用更加充分，使高壓塔和低壓塔內(nèi)氣、液負(fù)荷降低，低壓塔頂進(jìn)入壓縮機(jī)氣體量減小，高壓塔釜進(jìn)入低壓塔頂液體量也減少，降低了壓縮機(jī)和中間冷卻器負(fù)荷，從而進(jìn)一步減少了能耗，提高了節(jié)能效率。模擬結(jié)果顯示，以甲基環(huán)戊烷／苯二元物系為例，相比原有差壓熱耦合精餾流程，改進(jìn)的差壓熱耦合精餾具有更高的熱量耦合程度，節(jié)能效果更好，節(jié)能效率達(dá)3．50%。

3．3 改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程過(guò)程能耗分析

3．3．1 中間冷卻器出口溫度對(duì)能耗的影響

式（1）為改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程的體系熱量衡算式，為簡(jiǎn)化計(jì)算，不包含產(chǎn)品冷卻器，各熱量以絕對(duì)值計(jì)。

式（1）中，QF、QD、QW分別為進(jìn)料、高壓塔頂產(chǎn)品、低壓塔釜產(chǎn)品的熱量，kJ／h；QM、QC分別為中間冷卻器負(fù)荷和壓縮機(jī)做功，kJ／h。

為深入分析中間冷卻器負(fù)荷對(duì)差壓熱耦合精餾流程的影響，在改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程的模擬中，對(duì)中間冷卻器負(fù)荷進(jìn)行靈敏度分析，考察中間冷卻器出口溫度（TM）（等效于中間冷卻器負(fù)荷）對(duì)壓縮機(jī)功率（P）、中間冷卻器負(fù)荷（QM）、高壓塔頂氣體經(jīng)過(guò)主換熱器后溫度（T1）、高壓塔頂所需冷凝量（QCON）以及低壓塔釜所需加熱量（QREB）的影響，模擬結(jié)果示于圖3。

圖3 改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程中壓縮機(jī)功率（P）、中間冷卻器負(fù)荷（QM）、高壓塔頂氣體經(jīng)過(guò)主換熱器后溫度（T1）、高壓塔頂所需冷凝量（QCON）以及低壓塔釜所需加熱量（QREB）隨中間冷卻器出口溫度（TM）的變化Fig．3 The compressor power（P），middle cooler duty（QM），temperature of HP top after main heat exchanger（T1），HP top condenser duty（QCON）and LP bottom reboiler duty（QREB ）vs middle cooler outlet temperature（TM）in improved PSTCD

由圖3可知，隨著TM的增加，QM逐漸減小，P逐漸增加，QREB逐漸下降，QCON逐漸上升，導(dǎo)致高壓塔頂氣體經(jīng)過(guò)主換熱器換熱后剩余熱量逐漸增大，熱耦合程度減弱。當(dāng)TM為55．2℃時(shí)，低壓塔釜再沸器加熱量與高壓塔頂冷凝器冷卻量恰好相等，主換熱器負(fù)荷最大，即熱耦合程度達(dá)到最大。若TM低于此溫度，則QCON減少，QREB增加，在維持泡點(diǎn)回流前提下，高壓塔頂氣體熱量不足以加熱低壓塔釜，需要外部加熱裝置，否則，只能以降低冷凝溫度、過(guò)冷回流為代價(jià)。換言之，在規(guī)定的操作條件下不能滿足低壓塔釜加熱要求；反之，則需要增加后冷裝置，正是傳統(tǒng)差壓熱耦合精餾的情況。當(dāng)TM為55．2℃時(shí)，T1恰為71．82℃，即是高壓塔頂氣體的泡點(diǎn)；若TM降低，高壓塔頂氣體開(kāi)始過(guò)冷，若TM升高，則高壓塔頂氣體開(kāi)始出現(xiàn)氣、液兩相，這正與QCON和QREB的變化情況吻合。綜上所述，對(duì)于改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程，TM＝55．2℃是高壓塔頂氣相和低壓塔釜實(shí)現(xiàn)完全熱耦合的唯一溫度。

綜上所述，對(duì)于改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程，在給定的分離條件下，當(dāng)進(jìn)料條件和產(chǎn)品要求不變時(shí)，若滿足兩塔間熱量恰好完全耦合，即高壓塔頂氣體的熱量恰能在滿足低壓塔釜需要熱量后達(dá)到泡點(diǎn)而返塔，則中間冷卻器負(fù)荷有唯一確定的值。換言之，中間冷卻器負(fù)荷隨進(jìn)料和產(chǎn)品變化而變化，從而使總能耗發(fā)生變化。

3．3．2 進(jìn)料溫度對(duì)能耗的影響

圖4為改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程中，主換熱器負(fù)荷（Q）與壓縮機(jī)功率（P）隨進(jìn)料溫度（T）的變化。圖5為高壓塔釜液體在經(jīng)過(guò)中間冷卻器后的出口溫度（TM）和中間冷卻器負(fù)荷（QM）隨進(jìn)料溫度（T）的變化。由圖4和圖5可知，在改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程中，當(dāng)T發(fā)生變化時(shí)，低壓塔釜需熱量減少，通過(guò)調(diào)節(jié)QM，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到之前的操作條件，塔內(nèi)溫度、壓力、氣液流率、回流條件皆不變，故此P與Q基本不變，熱耦合量不變，只是QM增加，高壓塔釜液體進(jìn)入低壓塔溫度降低。圖5中T為102．66℃時(shí)，為進(jìn)料泡點(diǎn)，大于此溫度，進(jìn)料即出現(xiàn)氣相，由于其相變焓遠(yuǎn)大于顯熱，故此帶入低壓塔內(nèi)熱量劇增，QM也隨之劇增。

圖4 改進(jìn)的差壓熱耦合流程中主換熱器負(fù)荷（Q）與壓縮機(jī)功率（P）隨進(jìn)料溫度（T）的變化Fig．4 The main exchanger duty（Q）and compressor power（P）vs feed temperature（T）in the improved PSTCD

圖5 改進(jìn)的差壓熱耦合流程中中間冷卻器負(fù)荷（QM）及出口溫度（TM）隨進(jìn)料溫度（T）的變化Fig．5 The middle cooler duty（QM）and output temperature（TM）vs feed temperature（T）in the improved PSTCD

綜上所述，對(duì)于改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程，T升高會(huì)使QM加大，從而使總能耗增加。根據(jù)熱量衡算式（1），當(dāng)T改變時(shí)，因?yàn)镼C、QD、QW均不變，故中間冷卻器能耗變化量在數(shù)值上等于進(jìn)料中熱焓變化量（即｜△QM｜＝｜△QF｜）。由此，在保證除進(jìn)料溫度外的進(jìn)料和產(chǎn)品條件以及其他操作條件不變情況下，進(jìn)料溫度變化引起的系統(tǒng)總能耗變化△QT由式（2）表示。

4 差壓熱耦合精餾的通用流程

在給定分離條件下，改進(jìn)的熱耦合精餾流程具有唯一固定的中間冷卻器負(fù)荷和壓縮機(jī)功率。差壓熱耦合精餾的通用流程如圖6所示。圖6中，輔助再沸器和輔助冷凝器用來(lái)調(diào)節(jié)熱量的剩余與不足，中間冷卻器為關(guān)鍵單元，通過(guò)調(diào)節(jié)其冷卻負(fù)荷可以調(diào)節(jié)整個(gè)流程的操作情況。

以中間冷卻器的調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，差壓熱耦合精餾的通用流程可以分為3種運(yùn)行情況。

（1）當(dāng)中間冷卻器熱負(fù)荷｜QM｜為某一值QM0（本例中，QM0＝0．4449×106kJ／h），使QREB＝QCON時(shí)，則輔助再沸器和輔助冷凝器的負(fù)荷皆為0，此時(shí)即為筆者所提出的改進(jìn)的差壓熱耦合精餾流程，熱耦合程度最大，節(jié)能效率最高。

圖6 差壓熱耦合精餾的通用流程Fig．6 General flow diagram of PSTCD

（2）減小中間冷卻器負(fù)荷，使得｜QM｜下降，則低壓塔釜再沸器需熱量下降，此時(shí)QCON＞QREB，高壓塔頂氣體熱量經(jīng)過(guò)主換熱器后出現(xiàn)剩余，輔助冷凝器負(fù)荷逐漸增加，熱耦合量也逐漸減小。隨著中間冷卻器負(fù)荷減小至0，輔助冷凝器負(fù)荷達(dá)到最大，輔助再沸器負(fù)荷一直為0，此時(shí)即為傳統(tǒng)差壓熱耦合精餾流程。

（3）在QM0的基礎(chǔ)上增加｜QM｜的值，則低壓塔釜再沸器所需熱量上升，使得QREB＞QCON，此時(shí)高壓塔頂氣體熱量不足以加熱低壓塔釜，兩塔間熱耦合量減少，需要輔助再沸器提供熱量，此為第3種情況。

5 結(jié) 論

（1）以甲基環(huán)戊烷／苯二元物系為例，在給定的分離條件下對(duì)改進(jìn)前后的差壓熱耦合精餾流程進(jìn)行模擬，采用標(biāo)準(zhǔn)煤折算方法對(duì)其總能耗進(jìn)行比較，結(jié)果顯示改進(jìn)流程節(jié)能效果比原差壓熱耦合流程更好，節(jié)能效率達(dá)3．50%。

（2）通過(guò)對(duì)改進(jìn)流程的熱量衡算，明確其總能耗的影響因素，并得到了進(jìn)料溫度變化時(shí)其總能耗變化的計(jì)算公式。

（3）提出了通用的差壓熱耦合精餾流程，通過(guò)設(shè)置輔助再沸器、輔助冷凝器和中間冷卻器可將差壓熱耦合精餾分為3種可能的典型操作狀態(tài)。

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