丙烷－丙烯精餾分離工藝能耗比較及前景展望

李金弢

西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都610500

丙烷－丙烯精餾分離工藝能耗比較及前景展望

李金弢

西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都610500

為了降低丙烷－丙烯精餾體系的能耗，結(jié)合相關(guān)精餾分離工藝進(jìn)行比較，得到優(yōu)化的理論依據(jù)。從現(xiàn)有的丙烷－丙烯分離方式出發(fā)，規(guī)定進(jìn)料比例及流量，以得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.6%的高純度丙烯為要求，采用Aspen Plus V 8.6將常規(guī)精餾、熱泵精餾、常規(guī)萃取精餾和隔壁塔萃取精餾進(jìn)行模擬，再根據(jù)模擬結(jié)果，從能源消耗及設(shè)備投資等方面進(jìn)行比較。就節(jié)約能耗方面來(lái)說(shuō)，后三種精餾方式相比于常規(guī)精餾分別能節(jié)省能耗34.1%、20.2%及42.1%。結(jié)合各自的設(shè)備投資情況來(lái)看，熱泵精餾及隔壁塔萃取精餾工藝具有明顯優(yōu)勢(shì)。熱泵精餾及隔壁塔萃取精餾工藝擁有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景，將是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。

丙烷;丙烯;熱泵精餾;萃取精餾;隔壁塔;模擬

0 前言

丙烯是化工過(guò)程中用途十分廣泛的中間物，能用于生產(chǎn)三大合成材料。丙烯主要來(lái)源于石油精煉所得的副產(chǎn)品，常常與氫氣、乙烯、乙烷和丙烷等混合在一起。隨著丙烯的需求不斷上升以及催化劑研究在選擇性及收率上的突破，由價(jià)格低廉的丙烷脫氫制丙烯得到了推廣［1］。在丙烯精制過(guò)程中，其與較輕組分如氫氣、乙烷和乙烯等采用深冷分離及常規(guī)精餾都能較好分離，而與和丙烯沸點(diǎn)、相對(duì)分子質(zhì)量等性質(zhì)都很接近的丙烷，采用常規(guī)的精餾方法分離難度大，并需要消耗大量的能源［2］。

目前，有學(xué)者提出變壓吸附法、變真空吸附法等在理論上能達(dá)到降低能耗效果，使用多孔物質(zhì)進(jìn)行吸附分離或是膜分離也是當(dāng)下研究熱門的分離方法，但材料開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)能力與操作時(shí)間在實(shí)際生產(chǎn)中都會(huì)有所限制［3］。目前，工業(yè)上精餾仍是大量分離丙烷－丙烯的首選。

分析丙烷－丙烯的物性參數(shù)及主要能耗，結(jié)合分離過(guò)程的理論，選擇熱耦合精餾或者萃取精餾來(lái)代替常規(guī)精餾能有效降低能耗，但同時(shí)會(huì)增加設(shè)備投資及操作費(fèi)用。而到底采用哪種精餾方式是由能量消耗、設(shè)備投資與操作費(fèi)用共同決定的。

本文通過(guò)規(guī)定工業(yè)級(jí)別量的丙烷－丙烯分離任務(wù)，借助流程模擬軟件Aspen Plus V 8.6模擬三種工藝過(guò)程，在確保丙烯產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到要求的基礎(chǔ)上確定能耗。再根據(jù)流程特點(diǎn)估算設(shè)備投資費(fèi)，為工藝上的丙烷－丙烯分離過(guò)程優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 精餾工藝簡(jiǎn)述

1.1 常規(guī)精餾

丙烷－丙烯在常溫、常壓下很難分離。如果使用常規(guī)精餾，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中往往采用高壓條件［4］。常規(guī)精餾流程簡(jiǎn)單，但回流比太大，往往達(dá)到20左右，同時(shí)塔板數(shù)也較多，常采用上下塔的形式［5］，見(jiàn)圖1。即便如此，因其一次投資較少，操作穩(wěn)定，檢修方便，目前仍是丙烷－丙烯分離所采用的主流工藝。如在2014年投產(chǎn)的寧波海越丙烷脫氫制丙烯(60×104t/a)裝置中，丙烯產(chǎn)品分離塔共包括290塊逆流塔盤，分為上下塔，塔盤數(shù)占產(chǎn)品精制段總數(shù)的68%。塔頂冷卻器與塔釜再沸器會(huì)消耗大量能源。在丙烷脫氫工藝中，一般情況下塔頂?shù)母呒兌纫簯B(tài)丙烯向下游或罐區(qū)輸送，塔釜得到的丙烷則循環(huán)至反應(yīng)單元繼續(xù)反應(yīng)。

圖1 常規(guī)精餾流程

1.2 熱耦合精餾

熱耦合精餾是指將精餾中需要加熱和冷卻的物質(zhì)進(jìn)行換熱，以達(dá)到節(jié)省能耗的目的。隨著能源問(wèn)題日益受到重視，能夠回收部分熱量節(jié)能的工藝引起了廣泛的關(guān)注。熱泵精餾是一種典型的熱耦合精餾，將塔頂?shù)母邷卣羝鳛樗俜衅鞯臒嵩?，用塔頂高溫氣體的熱量與塔釜低溫液體的冷量，提高能量利用率［6］。適用于塔頂、塔釜沸點(diǎn)差較小，在換熱網(wǎng)絡(luò)分析時(shí)還應(yīng)滿足塔頂、塔底溫差跨越夾點(diǎn)。對(duì)于丙烷－丙烯體系，可滿足上述要求。熱泵精餾大致分為塔頂壓縮型和塔釜節(jié)流型兩類［7］，見(jiàn)圖2～3。在處理量、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)及操作壓力均相同的情況下，采用兩種熱泵精餾流程的能源消耗都比采用常規(guī)精餾流程低。綜合考慮傳熱溫差以及壓縮機(jī)可能存在的工質(zhì)泄露等情況，就丙烷－丙烯體系來(lái)說(shuō)，塔釜節(jié)流型熱泵精餾流程更適合。

圖2 塔頂壓縮型熱泵精餾

圖3 塔釜節(jié)流型熱泵精餾

目前，丙烷－丙烯熱泵精餾已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。鎮(zhèn)海石化總廠的丙烷－丙烯分離使用塔釜節(jié)流型熱泵系統(tǒng)投產(chǎn)順利，產(chǎn)品丙烯質(zhì)量濃度達(dá)到99.72%［8］。與常規(guī)精餾與萃取精餾不同的是，熱泵精餾在設(shè)備安裝及相關(guān)控制方案方面更加復(fù)雜，因?yàn)椴辉O(shè)再沸器與冷卻器，故塔頂高溫氣體與塔釜低溫液體之間交換熱量的換熱器顯得尤為重要，在實(shí)際熱泵精餾中通常考慮增設(shè)一個(gè)輔助冷卻器，保證塔頂高溫氣體換熱后完全冷卻。同時(shí)，經(jīng)過(guò)換熱管網(wǎng)的工藝氣體、液體量往往很大［9］。但熱泵精餾在節(jié)能方面卻有很大的潛力，單從體系內(nèi)部節(jié)能效果上考慮，采用熱泵精餾的丙烷－丙烯體系節(jié)能理論上可到90%，十分可觀?？紤]設(shè)備投資及操作成本等，總體上依然能有較大的節(jié)約。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者致力于熱泵精餾的優(yōu)化及相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)，提出了熱聲熱泵、吸附熱泵、側(cè)熱泵等針對(duì)不同體系所設(shè)計(jì)的熱泵精餾技術(shù)［10－11］。

1.3 萃取精餾

相同碳原子數(shù)目的烷烴、烯烴通常因理化性質(zhì)相似而采用萃取精餾，以被分離物質(zhì)在萃取劑中不同的溶解度差異進(jìn)行分離，在解決沸點(diǎn)接近和恒沸物體系的分離過(guò)程中具有很大優(yōu)勢(shì)。目前，針對(duì)四個(gè)碳原子的丁烷－丁烯的萃取精餾技術(shù)已相當(dāng)成熟，其兩塔流程萃取精餾提純正丁烯的技術(shù)具有高選擇性、熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性，在工業(yè)上得到進(jìn)一步推廣［12］。丙烷－丙烯萃取精餾雖尚未工業(yè)化，但其研究已經(jīng)有一定深度。常規(guī)萃取精餾由萃取塔與萃取劑再生塔組成，具有裝置簡(jiǎn)單、處理量大等優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)圖4。使用萃取劑改變料液中被分離組分間的相對(duì)揮發(fā)度，使常規(guī)精餾需要耗費(fèi)大量能量才能分離的液體混合物變得易于分離。

萃取精餾相比于常規(guī)精餾能有效降低熱負(fù)荷，減少塔板數(shù)及回流比，但會(huì)增加一個(gè)塔及相應(yīng)的管路。有研究人員通過(guò)對(duì)常規(guī)萃取精餾工藝進(jìn)行改進(jìn)，使萃取精餾工藝更具有競(jìng)爭(zhēng)力。隨著隔壁塔的工業(yè)化普及，使用隔壁塔進(jìn)行萃取精餾理論上的研究已有進(jìn)展，此塔能在控制設(shè)備投資的前提下達(dá)到節(jié)約能耗的目的，僅需要一個(gè)塔就能完成分離以及萃取劑再生任務(wù)的隔壁萃取精餾塔［13］，因減少了一個(gè)塔的設(shè)置，相比于傳統(tǒng)萃取精餾降低了設(shè)備投資，得到了廣泛關(guān)注。隔壁精餾塔是在塔內(nèi)部設(shè)置隔板，是具有兩塔功能的一種熱耦合塔的特殊結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5。隔壁塔可實(shí)現(xiàn)多組分的分離，僅由一塔即可完成常規(guī)精餾需要兩個(gè)塔才能完成的分離任務(wù)，可大幅減少設(shè)備投資費(fèi)用，近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。已有的研究表明，隔壁塔萃取精餾塔將隔壁塔與萃取精餾工藝有效融合，吸收兩種工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在控制設(shè)備投資成本的同時(shí)進(jìn)一步降低能耗。此外，還有學(xué)者提出了變壓熱耦合萃取精餾，能夠進(jìn)一步降低公用工程的消耗，達(dá)到節(jié)能目的［14］。

圖4 常規(guī)萃取精餾

圖5 隔壁塔萃取精餾

2 流程模擬

使用Aspen Plus V 8.6對(duì)三種分離工藝流程進(jìn)行模擬，以得到相應(yīng)的工藝參數(shù)，為后續(xù)能耗估算提供理論數(shù)據(jù)。

根據(jù)丙烷脫氫工藝流程中丙烷－丙烯分離中的大致流量比例，規(guī)定待分離物進(jìn)料量以及丙烷、丙烯的比例［15］?？紤]到丙烯下游產(chǎn)品線對(duì)丙烯濃度的要求以及交通運(yùn)輸?shù)囊蛩?，?guī)定產(chǎn)品丙烯的質(zhì)量純度為99.6%，而塔釜中丙烯的濃度不超過(guò)5%為分離要求，相關(guān)條件見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)料組成及流量

2.1 常規(guī)精餾

在常規(guī)精餾中因涉及到高壓，故采用適合于高溫、高壓下非極性混合體系的RK-SOAVE狀態(tài)方程為物性方法，能夠使模擬結(jié)果接近實(shí)際情況［16］。

常規(guī)精餾方法的模擬與優(yōu)化比較普遍，先選取DSTWU(簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì))模型進(jìn)行計(jì)算，只需確定加料條件及精餾要求即可算出最小理論板數(shù)及最小回流比等塔的基本操作參數(shù)［17］。通過(guò)DST－WU模型計(jì)算達(dá)到精餾要求及產(chǎn)品規(guī)格以后，還需在此基礎(chǔ)上使用RadFrac(嚴(yán)格計(jì)算)模塊進(jìn)行核算，使用模型分析工具，如靈敏度分析及設(shè)計(jì)規(guī)定等來(lái)優(yōu)化塔的參數(shù)并得到優(yōu)化的工藝操作條件，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 常規(guī)精餾工藝操作條件

從表2數(shù)據(jù)可以看出，即使在優(yōu)化參數(shù)條件下，為了得到高純度的產(chǎn)品，常規(guī)精餾的塔板數(shù)及回流比仍較大，能耗難以得到有效控制。

2.2 熱泵精餾

在對(duì)熱泵精餾進(jìn)行模擬時(shí)，與常規(guī)精餾條件有所不同，此時(shí)塔可在更低的壓力下操作，采用SRK狀態(tài)方程能夠更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況。

在常規(guī)精餾模擬的基礎(chǔ)上，去掉再沸器及冷卻器，塔釜產(chǎn)物經(jīng)節(jié)流冷卻后與塔頂?shù)母邷卣羝麚Q熱使蒸汽冷凝，再經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入閃蒸罐，上升氣相返回塔釜，下降液體作為丙烷采出，經(jīng)過(guò)冷卻的蒸汽冷凝液再經(jīng)過(guò)分離器分出部分丙烯產(chǎn)品后循環(huán)至塔頂，回到塔頂?shù)牟糠峙c作為產(chǎn)品采出的部分流量之比則相當(dāng)于理論上的回流比。此時(shí)理論上不需要外加蒸汽。模擬得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 熱泵精餾工藝操作條件

2.3 萃取精餾

在萃取精餾體系中涉及到液液平衡，根據(jù)相關(guān)研究，使用UNIFAC基團(tuán)貢獻(xiàn)法活度計(jì)算模型可以很好預(yù)測(cè)本體系［18］。

因涉及原料及萃取劑兩股進(jìn)料，故選用RadFrac(嚴(yán)格計(jì)算)模塊進(jìn)行模擬。以得到符合要求的產(chǎn)品為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)試。先單獨(dú)模擬萃取塔，使用設(shè)計(jì)規(guī)定模塊及產(chǎn)品分離要求，計(jì)算萃取塔的理論板數(shù)和回流比，調(diào)試相關(guān)參數(shù)，使結(jié)果準(zhǔn)確，確定萃取塔理論板數(shù)為69，回流比為8.2。使用靈敏度分析確定原料及萃取劑進(jìn)料位置，得到優(yōu)化數(shù)據(jù)。再將萃取塔塔釜的物流作為萃取劑再生塔的進(jìn)料，使用設(shè)計(jì)規(guī)定及靈敏度分析確定該塔的相關(guān)優(yōu)化工藝參數(shù)，使塔頂丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到要求。再將再生塔塔釜得到的萃取劑經(jīng)換熱后與補(bǔ)加的萃取劑混合加至萃取塔，經(jīng)過(guò)調(diào)試，達(dá)到期望的產(chǎn)物要求［19］。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于隔壁塔的研究越發(fā)深入，將隔壁塔萃取精餾工業(yè)化是未來(lái)研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。在Aspen Plus V 8.6中采用主塔與側(cè)塔的形式可達(dá)到隔壁塔的模擬效果，見(jiàn)圖6。同時(shí)根據(jù)常規(guī)萃取精餾的結(jié)果確定主塔與側(cè)塔的精餾產(chǎn)品。模擬時(shí)先從主塔入手，參考常規(guī)萃取的結(jié)果，確定最佳理論板數(shù)、進(jìn)料板數(shù)據(jù)后，單獨(dú)模擬側(cè)塔至丙烯產(chǎn)品質(zhì)量符合要求，再將循環(huán)的萃取劑接回主塔，并調(diào)整新加入萃取劑的量至結(jié)果收斂，將相關(guān)參數(shù)與常規(guī)萃取精餾對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖6 隔壁塔萃取精餾Aspen Plus V 8.6模擬流程

表4 萃取精餾工藝操作條件

3 能耗比較

根據(jù)以上模擬結(jié)果，確定不用精餾工藝的能耗工質(zhì)消耗量，見(jiàn)表5。依據(jù)GB/T 50441－2007《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》，得出能耗工質(zhì)與折能指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，見(jiàn)表6。再結(jié)合表5進(jìn)行比較分析，得出折能后的合計(jì)能耗，見(jiàn)表7。

表5 精餾工藝消耗工質(zhì)對(duì)比

表6 能耗工質(zhì)對(duì)應(yīng)折能指標(biāo)關(guān)系

表7 精餾工藝折能能耗對(duì)比

采用熱泵精餾及萃取精餾均可降低能耗，從表5～7數(shù)據(jù)可知，與常規(guī)精餾相比，常規(guī)萃取精餾節(jié)能20.2%，熱泵精餾節(jié)能34.1%，隔壁塔萃取精餾節(jié)能42.1%，與相關(guān)研究報(bào)道數(shù)據(jù)較一致，說(shuō)明本次模擬結(jié)果可信。

在設(shè)備投資方面，常規(guī)萃取精餾需要兩個(gè)塔及相應(yīng)的管設(shè)施，產(chǎn)品成本難以得到有效控制。熱泵精餾不設(shè)塔頂冷卻器及回流罐，但會(huì)增設(shè)閃蒸罐、換熱器，雖然熱泵精餾的控制方案、操作維修等方面較復(fù)雜，但整體設(shè)備投資成本與常規(guī)萃取精餾較接近，且在工業(yè)化中已經(jīng)證明了其降低能耗的可行性［20］。隔壁塔萃取精餾采用隔壁塔，有效減小了裝置體積，既吸取了萃取精餾的優(yōu)勢(shì)，又能有效降低能耗，同時(shí)隨著隔壁塔技術(shù)的成熟，隔壁塔萃取精餾將成為未來(lái)丙烷－丙烯分離優(yōu)化的一個(gè)重點(diǎn)方向。

4 結(jié)論

1)僅僅從能耗問(wèn)題角度出發(fā)，對(duì)于丙烷－丙烯體系，常規(guī)精餾雖然操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，但其熱力學(xué)效率低、能耗極高，使其在能源問(wèn)題日益凸顯的今天競(jìng)爭(zhēng)力下降。相比之下，熱泵精餾能有效回收利用低品味能量，提高能量利用率，工業(yè)應(yīng)用前景廣闊。萃取精餾通過(guò)添加萃取劑改變相對(duì)揮發(fā)度降低精餾分離的難度，同時(shí)采用隔壁塔萃取精餾集成了隔壁塔自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在常規(guī)萃取精餾的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了能耗，是極有潛力的精餾方式。

2)設(shè)備投資方面，常規(guī)精餾雖然理論上單塔即可完成分離，但工藝中常常采用雙塔串聯(lián)模型，一定程度上增大了設(shè)備投資。熱泵精餾能節(jié)省塔頂冷卻器及回流罐，但增設(shè)壓縮機(jī)等設(shè)施，設(shè)備投資相比傳統(tǒng)精餾沒(méi)有較大漲幅。常規(guī)萃取精餾因需增設(shè)一個(gè)萃取劑再生塔，故設(shè)備投資方面難以得到有效控制，而采用隔壁塔萃取精餾因單塔即能完成多組分的分離，既保留了萃取精餾的優(yōu)勢(shì)又節(jié)省了設(shè)備投資。

3)目前熱泵精餾在工業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。常規(guī)萃取精餾雖能降低能耗，但增加的設(shè)備投資使其難以工業(yè)化。隨著隔壁塔技術(shù)的日益成熟以及隔壁塔萃取精餾研究的不斷發(fā)展，相信隔壁塔萃取精餾會(huì)有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

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10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.010

2016－08－22

李金弢(1995－)，男，四川南充人，化學(xué)工程與工藝本科在讀。