熱泵精餾應(yīng)用于異丁烷精餾過(guò)程的節(jié)能改造

唐超，胡存，陳亞中，吳越峰，崔鵬（合肥工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，安徽合肥30009；東華科技股份有限公司，安徽合肥30009）

熱泵精餾應(yīng)用于異丁烷精餾過(guò)程的節(jié)能改造

唐超1，胡存2，陳亞中1，吳越峰2，崔鵬1
（1合肥工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，安徽合肥230009；2東華科技股份有限公司，安徽合肥230009）

第一作者：唐超（1987—），男，碩士，研究方向?yàn)榛?yōu)化與設(shè)計(jì)。E-mail chao_tang_tc@163.com。

聯(lián)系人：陳亞中，博士后，副教授，研究方向?yàn)榛み^(guò)程傳質(zhì)分離、催化科學(xué)與技術(shù)。E-mail chenyazhong@hfut.edu.cn。

摘要：異丁烷資源豐富，但工業(yè)利用率低，造成資源未得到合理利用。本文首先分析了C3和C4混合物分離體系的特點(diǎn)，建立異丁烷精餾常規(guī)工藝流程，并對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬結(jié)果表明：塔釜蒸汽消耗量較大，造成能耗過(guò)高。目前，解決精餾過(guò)程能耗過(guò)高的處理方式集中在工藝參數(shù)的優(yōu)化，在精餾方式上卻少有報(bào)道。為了解決這一問(wèn)題，本文提出了采取熱泵精餾技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造，并建立了異丁烷精餾的熱泵精餾新工藝。通過(guò)模擬計(jì)算且對(duì)結(jié)果進(jìn)行深入分析，得出當(dāng)塔頂/塔釜壓力分別為7×105Pa和7.5×105Pa、循環(huán)工質(zhì)流量3055.13kmol/h、壓縮機(jī)壓縮比為2.286條件下滿(mǎn)足分離要求，且能耗較低。分析熱力學(xué)效率與經(jīng)濟(jì)性并與常規(guī)流程進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：熱泵精餾新工藝節(jié)能效果極佳，由常規(guī)精餾的68.16GJ/h降低為熱泵精餾的45.87GJ/h；熱泵精餾新工藝適用于該體系且更加節(jié)能、環(huán)保。

關(guān)鍵詞：分離；優(yōu)化設(shè)計(jì)；蒸餾；異丁烷；熱泵精餾；節(jié)能

異丁烷是生產(chǎn)異丁烯的重要化工原料，異丁烯的應(yīng)用范圍非常廣泛[1]。我國(guó)異丁烷資源豐富，廣泛存在于催化裂化石油氣和其他C4餾分中，國(guó)內(nèi)大部分作為民用液化石油氣燃料，化工利用率低，其他用途的用量約占總量的5%～10%[2]。

異丁烷來(lái)源普遍采用C4組分的精餾。然而在化工單元流程中，精餾是公認(rèn)的能耗大戶(hù)，它所消耗的能量差不多是整個(gè)國(guó)家的百分之三。因此，對(duì)精餾過(guò)程的節(jié)能分析顯得尤為重要。傳統(tǒng)的精餾方式熱力學(xué)效率較低，能耗較大。

熱泵精餾是以消耗機(jī)械功為代價(jià)，把低溫?zé)崮軠囟忍岣叩娇梢员焕玫某潭?。由于其所獲得的可以被利用的熱量超過(guò)系統(tǒng)輸入的機(jī)械功，因此，其節(jié)能的效果也較好。

Jana[3]以能源需求和環(huán)保節(jié)能為背景，綜述了熱泵精餾技術(shù)（HPAD）的原理及其在化工分離過(guò)程中的應(yīng)用和前景展望，指出熱泵技術(shù)取消了傳統(tǒng)精餾的塔頂冷凝器與塔底再沸器，節(jié)約了相應(yīng)的公用工程消耗，并對(duì)HPAD方案最新發(fā)展的熱集成進(jìn)行了展望。

Diez等[4]將熱泵精餾技術(shù)應(yīng)用于三氯氫硅的提純中，對(duì)傳統(tǒng)精餾塔進(jìn)行了部分改進(jìn)。結(jié)果表明，雖然相對(duì)于常規(guī)精餾設(shè)備的投資費(fèi)用增加了，但是每年卻節(jié)約了29%的能耗，證明熱泵技術(shù)的使用可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)精餾塔。

丙烷-丙烯系統(tǒng)由于兩者沸點(diǎn)非常接近，工業(yè)上對(duì)兩者的分離一直以來(lái)能耗都較高。Alantara-Avila 等[5]將熱泵精餾技術(shù)用于丙烷-丙烯精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，并進(jìn)行簡(jiǎn)化精餾結(jié)構(gòu)的熱集成。研究表明，應(yīng)用熱泵技術(shù)的精餾系統(tǒng)和通過(guò)熱集成優(yōu)化后的熱泵系統(tǒng)分別節(jié)能64.4%和75%。

Modla等[6]將蒸汽再壓縮式熱泵精餾用于甲苯-正庚烷間歇精餾體系，并對(duì)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，系統(tǒng)研究了各方案的投資回收時(shí)間，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于常規(guī)間歇精餾和一般熱泵系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過(guò)施加外部換熱器的熱泵精餾方案投資回收時(shí)間最少（大約為7年），并且隨著再沸器尺寸的增加，回收時(shí)間減小。

分析工藝體系的特點(diǎn)，將熱泵精餾技術(shù)中的塔頂蒸汽直接壓縮式應(yīng)用于異丁烷精餾工藝。以節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)性為指標(biāo)，將常規(guī)精餾與熱泵精餾進(jìn)行對(duì)比，表明熱泵精餾的可行性，開(kāi)發(fā)出了針對(duì)異丁烷精餾的熱泵技術(shù)新工藝。

1　常規(guī)精餾工藝流程

1.1常規(guī)精餾工藝流程圖

圖1為異丁烷常規(guī)精餾的工藝流程圖。在常規(guī)精餾中，異丁烷精餾塔分離要求較高，通過(guò)提高回流比的方式來(lái)滿(mǎn)足工藝條件，因此造成了塔釜的蒸汽消耗量較大、能耗過(guò)高。

圖1　常規(guī)精餾過(guò)程工藝流程圖

1.2進(jìn)料組成以及分離要求

常規(guī)精餾要求異丁烷精制塔塔頂異丁烷純度為98%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右，其進(jìn)料組成見(jiàn)表1。

表1　主要組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.3常規(guī)精餾模擬結(jié)果

根據(jù)C4分離的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，并結(jié)合本項(xiàng)目的物料組成特點(diǎn)，進(jìn)行常規(guī)精餾的ASPEN模擬。常規(guī)精餾采用三塔聯(lián)合方式，模擬結(jié)果表明精餾主塔理論塔板數(shù)為93塊，3股進(jìn)料位置分別在第24、第28、第46塊塔板，操作壓力為0.7MPa，回流比為7，塔頂冷凝器和塔釜再沸器采用的公用工程分別為常溫下的循環(huán)水以及0.5MPa低壓蒸汽。其中塔頂溫度為53℃，塔底溫度為61℃，塔頂熱負(fù)荷為?14745.9kW，塔底熱負(fù)荷為16461.49kW。

2　熱泵工藝流程的分析與研究

2.1熱泵精餾可行性分析

分析常規(guī)精餾可知，異丁烷精餾主塔塔頂、塔底溫差相對(duì)較小；分離物系沸點(diǎn)相差較小；塔釜蒸汽耗量較大，完全可以通過(guò)采用熱泵精餾方式來(lái)降低能耗達(dá)到經(jīng)濟(jì)性[7]。

2.2熱泵流程的選型

根據(jù)工質(zhì)來(lái)源的不同，熱泵精餾可以分為兩類(lèi)：一是以塔內(nèi)物質(zhì)為循環(huán)工質(zhì)的直接式熱泵精餾；二是以外來(lái)物質(zhì)為循環(huán)工質(zhì)的間接式熱泵精餾[8]。綜合分析分離物系的性質(zhì)以及開(kāi)式、閉式熱泵精餾的特點(diǎn)，改進(jìn)工藝采用的是塔頂氣相直接壓縮式熱泵精餾。具體工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2　熱泵精餾過(guò)程工藝流程圖

異丁烷精餾塔塔頂壓力為0.7MPa，塔頂氣相采出后，作為循環(huán)工質(zhì)直接進(jìn)入壓縮機(jī)，壓力提高到1.4MPa。壓縮后的循環(huán)工質(zhì)作為熱源進(jìn)入塔釜的換熱器中，換熱過(guò)后溫度下降到81℃。而后進(jìn)入水冷器進(jìn)一步冷卻至51℃，此時(shí)循環(huán)工質(zhì)全部液化。此液態(tài)循環(huán)工質(zhì)經(jīng)分流器分成兩股，一股作為回流，另一股作為塔頂產(chǎn)品采出。塔釜物料部分采出，剩余部分經(jīng)換熱器部分汽化返回塔釜。

相比于常規(guī)精餾，熱泵精餾采用一個(gè)換熱器代替了塔頂冷凝器與塔底的再沸器，而且對(duì)塔頂?shù)牡推肺粺崮苓M(jìn)行了升級(jí)利用，節(jié)省了冷凝水與蒸汽用量，大大提高了熱力學(xué)效率。

2.3熱泵流程的優(yōu)化分析

分析熱泵精餾流程可知，對(duì)于塔頂蒸汽壓縮式熱泵，有以下兩個(gè)方面的影響因素決定著精餾塔的分離效果以及過(guò)程能耗。

2.3.1循環(huán)工質(zhì)流量的影響

塔頂蒸汽壓縮式熱泵精餾取消了塔頂?shù)睦淠?，因此塔頂?shù)幕亓鞅仨殢难h(huán)工質(zhì)中分離出來(lái)。然而產(chǎn)品流量固定不變，故回流量的大小由循環(huán)工質(zhì)返塔量決定，回流量對(duì)于精餾過(guò)程分離效果以及能耗起重要的作用。

表2　循環(huán)流量對(duì)溫差的影響

由表2可知，循環(huán)工質(zhì)流量對(duì)提供給塔釜的熱量產(chǎn)生影響，決定了冷熱物流的進(jìn)出口溫度，進(jìn)而對(duì)換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差產(chǎn)生影響。對(duì)數(shù)平均溫差越小，傳熱推動(dòng)力越小，換熱器換熱面積越大。由圖3和圖4可以看出，隨著循環(huán)工質(zhì)流量的增加，產(chǎn)品純度增大；同時(shí)，壓縮機(jī)的功耗逐漸增大，換熱器熱負(fù)荷急劇增加。因此，循環(huán)工質(zhì)的流量由以上幾方面共同決定。對(duì)以上各因素進(jìn)行優(yōu)化處理，得出循環(huán)工質(zhì)流量3055.13kmol/h為滿(mǎn)足分離要求下的最低能耗選擇。

圖3　循環(huán)流量對(duì)產(chǎn)品純度影響

圖4　循環(huán)流量對(duì)能耗的影響

2.3.2壓縮比的影響

壓縮比指的是壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力的比值。對(duì)于熱泵系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，循環(huán)工質(zhì)被壓縮的壓力大小決定著再沸器中熱量交換的多少，影響整個(gè)系統(tǒng)的熱量平衡。利用流程模擬工具ASPEN Plus將壓縮機(jī)的氣相壓縮比與壓縮機(jī)的功耗、氣相的冷凝放熱量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示，表明壓縮機(jī)的壓縮比對(duì)氣相冷凝放熱量變化不大，但是隨著壓縮比的增大壓縮機(jī)的功耗顯著增加，因此綜合功耗與分離效果考慮，選擇壓縮比為2.286。

圖5　不同壓縮比下放熱曲線

2.4熱泵精餾與常規(guī)精餾熱力學(xué)效率和經(jīng)濟(jì)性分析

2.4.1熱力學(xué)分析

熱泵精餾與常規(guī)精餾模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

對(duì)兩種工藝方案精餾塔的溫度以及每塊塔板上的分離情況進(jìn)行分析，得出熱泵精餾與常規(guī)精餾塔內(nèi)氣液相分布、溫度分布見(jiàn)圖6、圖7。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，兩種精餾方式塔頂、塔釜含量有所差別，這是因?yàn)榕c常規(guī)精餾不同，熱泵精餾采用換熱器代替塔釜的再沸器，利用被壓縮后溫度上升的循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱，因此返回塔釜的循環(huán)蒸汽溫度由循環(huán)工質(zhì)流量和被壓縮后溫度決定與常規(guī)精餾塔稍有差別，造成塔釜溫度較之常規(guī)精餾有所降低。溫度不同，對(duì)氣液平衡產(chǎn)生不同影響。圖中數(shù)據(jù)較為直觀地反應(yīng)了精餾塔內(nèi)每塊塔板上的溫度分布以及分離情況與常規(guī)精餾較為吻合，充分證明了熱泵系統(tǒng)能夠較好的應(yīng)用于該分離體系。

2.4.2能耗分析對(duì)比

塔頂壓縮式熱泵精餾采用一個(gè)換熱器代替塔頂冷凝器和塔釜再沸器的形式，所以將冷卻水和加熱蒸汽的能耗轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s機(jī)的電力消耗。按照工業(yè)上能源的價(jià)格冷卻水為0.4元/t、0.5MPa（G）蒸汽為110元/t、電費(fèi)按照0.6元/(kW?h)進(jìn)行估算，所得兩者的能耗費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表4。從表4中結(jié)果可以看出，采用熱泵精餾比常規(guī)精餾節(jié)省165.4元/h。根據(jù)石油化工計(jì)算能耗標(biāo)準(zhǔn)[9]中將循環(huán)水的能量折算值規(guī)定為4.19MJ/t，中壓蒸汽為3014MJ/t，電為10.89MJ/(kW?h)，將其轉(zhuǎn)化為能耗結(jié)果為常規(guī)精餾68.16GJ/h，熱泵精餾47.43GJ/h，能耗節(jié)省32.7%。

表3　常規(guī)精餾與熱泵精餾操作參數(shù)對(duì)比

圖6　塔內(nèi)異丁烷分布圖

圖7　塔內(nèi)溫度分布

表4　常規(guī)精餾與熱泵精餾能耗對(duì)比

2.4.3設(shè)備投資對(duì)比

相對(duì)于常規(guī)精餾，塔頂壓縮式熱泵精餾增加了一套熱泵系統(tǒng)，取消了塔頂?shù)睦淠?。?duì)精餾操作過(guò)程進(jìn)行熱量衡算，見(jiàn)式（1）。

式中，hF、hW、hD分別為進(jìn)料、塔頂和塔底的焓值；W為壓縮機(jī)功耗；Q為熱量。

在全回流操作時(shí)，認(rèn)為全塔無(wú)熱損失，則必須從塔內(nèi)移走熱量Q才能與壓縮機(jī)加入系統(tǒng)的功耗平衡[10]。因此，設(shè)計(jì)水冷器移走部分熱量也是必然的。

與常規(guī)精餾相比，熱泵精餾增加了壓縮機(jī)，由于利用塔頂循環(huán)工質(zhì)為塔釜加熱，相對(duì)于水蒸氣來(lái)說(shuō)，總的傳熱系數(shù)降低了，因此需要對(duì)再沸器和冷凝器進(jìn)行改造，可通過(guò)增加傳熱面積的方式。采用換熱器核算軟件HTFS+進(jìn)行換熱器的計(jì)算表明相對(duì)于常規(guī)精餾重量增加將近一倍。由表5中結(jié)果可知，熱泵精餾增加了設(shè)備投資125萬(wàn)元，相對(duì)于每年節(jié)省的能耗費(fèi)用短期內(nèi)就將收回設(shè)備成本的投資。

3　結(jié)論

（1）利用熱泵精餾原理對(duì)幾種熱泵流程類(lèi)型進(jìn)行深入分析，將其應(yīng)用與異丁烷體系中對(duì)異丁烷常規(guī)精餾進(jìn)行節(jié)能改造，結(jié)果表明塔頂氣相再壓縮式熱泵精餾較好地適用于異丁烷精餾新工藝。

表5　常規(guī)精餾與熱泵精餾設(shè)備投資對(duì)比

（2）分析工藝流程，通過(guò)循環(huán)工質(zhì)以及壓縮比對(duì)該熱泵精餾體系進(jìn)行優(yōu)化，在保證產(chǎn)品純度的基礎(chǔ)上降低能耗。

（3）在相同的工藝操作參數(shù)前提下，相對(duì)于常規(guī)精餾，熱泵精餾熱力學(xué)效率較高使得能耗降低，對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，全年可帶來(lái)132.32萬(wàn)元的能耗節(jié)省費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益較為顯著。

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Energy-saving in isobutane distillation of heat pump distillation application

TANG Chao1，HU Cun2，CHEN Yazhong1，WU Yuefeng2，CUI Peng1
（1School of Chemical Engineering and Technology，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China；2East China Engineering Science and Technology Co.，Ltd.，Hefei 230009，Anhui，China）

Abstract：As an abundant resource，isobutane has relatively low industrial utilization and reuse.A conventional process was capable of separating isobutane from a mixture of this compound with C3and C4；however，large energy consumption was needed due to high purity requirements..The current treatment of distillation process is limited to optimizing process parameters，but the heat pump is rarely reported.To solve this problem，this research a designed and optimized the distillation procedure to minimize the energy consumption in the isobutene/ n-butane separation.The simulated results of the process showed that the optimal energy-efficient was obtained at 7×105Pa at the top and 7.5×105Pa at the bottom，the circle working flow of 3055.13kmol/h and the compression ratio of 2.286.A thermodynamic analysis for the heat pump system was performed，and compared with conventional process.The results suggested that the new process was able to decrease the energy consumption from 68.16GJ/h to 45.87GJ/h.The proposed heat pump technology could be used as an energy-saving and green technology.

Key words：separation；optimal design；distillation；isobutane；heat pump distillation；energy saving

收稿日期：2014-07-15；

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.02.045

文章編號(hào)：1000–6613（2015）02–0581–05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 028

修改稿日期：2014-09-06。