基于MVR熱泵精餾的粗甘油脫水提純工藝模擬研究

阮宗琳，楊秀娜，姜 陽(yáng)，齊慧敏

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基于MVR熱泵精餾的粗甘油脫水提純工藝模擬研究

阮宗琳，楊秀娜，姜 陽(yáng)，齊慧敏

（中國(guó)石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

利用Aspen Plus流程模擬軟件，選用NRTL-RK 物性模型和精餾模型格及壓縮機(jī)模塊對(duì)粗甘油脫水過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算，分別計(jì)算了塔頂汽相出料直接壓縮熱泵精餾、塔底產(chǎn)物閃蒸壓縮熱泵精餾以及常規(guī)精餾，結(jié)果表明：對(duì)于粗甘油脫水提出過(guò)程來(lái)說(shuō)，在相同的原料處理量、產(chǎn)品質(zhì)量、操作壓力及回流比、產(chǎn)品純度（≥99%）時(shí)，兩種熱泵精餾工藝均比常規(guī)精餾工藝的能耗有所降低，分別節(jié)能56.5%和54.5%，總能耗（標(biāo)油/噸產(chǎn)品）比常規(guī)精餾工藝分別節(jié)能58.75%和56.67%，具有十分顯著的節(jié)能效果。

甘油；MVR熱泵精餾；節(jié)能；Aspen Plus

精餾是分離的重要手段之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，化工過(guò)程中40％～70％的能耗用于分離，而在分離中用于精餾過(guò)程的能耗占95％[1～4]，因此精餾單元的節(jié)能降耗十分重要。粗甘油為酯交換生產(chǎn)生物柴油的副產(chǎn)品，由于其中含有一定的水份等雜質(zhì)，不能作為工業(yè)原料直接供給食品、藥品、化妝品和煙草等行業(yè)，需要進(jìn)一步精餾提純?，F(xiàn)有的粗甘油脫水提純工藝中，由于甘油的沸點(diǎn)較高（常壓沸點(diǎn)290 ℃），且與水的沸點(diǎn)差較大，因此粗甘油脫水一般采用減壓蒸餾的方式，得到的甘油成本較高，使得一般的中小型生物柴油生產(chǎn)廠家無(wú)法承受；此外，由于粗甘油提純成本高而供應(yīng)過(guò)剩，價(jià)格較低，而純甘油（≥99%）供應(yīng)不足，價(jià)格較高。因此，如何通過(guò)先進(jìn)的精餾工藝降低粗甘油提純的能耗成本，對(duì)于生物柴油產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)（MVR）[5～8]是重新利用蒸發(fā)過(guò)程產(chǎn)生的二次蒸汽的冷凝潛熱，作為塔底的加熱熱源，從而減少過(guò)程外界能源的節(jié)能技術(shù)，也稱為熱泵技術(shù)，已列入“國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄”（國(guó)家發(fā)展改革委2010年33號(hào)公告），成為石化工業(yè)、食品工業(yè)、鹽業(yè)等各類行業(yè)大力推廣使用的節(jié)能減排技術(shù)。本文以粗甘油為研究對(duì)象，采用Aspen Plus 化工流程模擬軟件，模擬了常規(guī)精餾工藝與MVR 熱泵精餾工藝，從能耗利用、損失和節(jié)能等方面對(duì)兩種工藝進(jìn)行了對(duì)比分析，以期為生物柴油生產(chǎn)工藝中的粗甘油提純工藝提供一條能耗低、經(jīng)濟(jì)效益明顯的工藝路線。

1 機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）節(jié)能技術(shù)

機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）技術(shù)最早是由Robinson 和Gilliland[9]在20世紀(jì)50年代由提出的。MVR工藝主要由精餾塔（蒸發(fā)器）和壓縮機(jī)構(gòu)成，精餾塔頂蒸汽產(chǎn)品直接進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，提高塔頂產(chǎn)品的溫度，然后為精餾塔底再沸器提供熱源。

常用的MVR熱泵精餾有兩種類型[10～13]：一種是塔頂氣體直接壓縮式的熱泵精餾，工作原理為精餾塔頂氣相產(chǎn)品直接進(jìn)入壓縮機(jī)，升溫升壓后的塔頂氣相產(chǎn)品作為再沸器的熱源，冷凝后作為塔頂產(chǎn)品和回流。該工藝充分利用了塔頂蒸汽的冷凝潛熱，降低了塔底再沸器的熱源及塔頂冷卻水量。另一種是塔釜液體閃蒸熱泵精餾，是以塔釜液體作為工質(zhì)，一部分作為塔底產(chǎn)品采出，其余部分經(jīng)過(guò)節(jié)流閃蒸降溫降壓后，自身溫度降低，閃蒸出來(lái)的低溫氣體作為塔頂餾出物的冷卻介質(zhì)，再經(jīng)過(guò)壓縮升溫升壓后返回塔釜作為塔底熱源，該工藝充分利用了塔底物料的顯熱，把塔底顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，同樣可以省掉大量的蒸汽或?qū)嵊蜔嵩醇安糠炙斃鋮s水，達(dá)到節(jié)能效果。

2 MVR 熱泵精餾工藝

2.1 常規(guī)甘油提純精餾工藝模擬

粗甘油的處理量為1 t/h，其中水含量為32.5% (wt)，進(jìn)料溫度為50 ℃，要求得到的甘油產(chǎn)品純度≥99%；塔頂采用循環(huán)冷卻水冷卻，塔底采用350 ℃導(dǎo)熱油加熱。

選用等板高度為0.26 m[14]的規(guī)整填料，進(jìn)行不同操作壓力條件下的模擬計(jì)算。工藝流程見圖1，模擬結(jié)果見表1。

圖1 常規(guī)甘油脫水工藝流程圖

1-粗甘油；2-精餾塔；3-冷凝器；4-回流罐；5-水；6-再沸器；7-精制甘油

表1 常規(guī)甘油脫水精餾工藝模擬結(jié)果

在圖1所示的甘油脫水工藝流程中，由于甘油（沸點(diǎn)290.9 ℃）與水的沸點(diǎn)差較大，因此為了使甘油脫水塔底溫度較低，需要負(fù)壓操作，且真空度越高，甘油-水體系的相對(duì)揮發(fā)度越大，二者分離過(guò)程所需的外加熱源和冷源越小，但缺點(diǎn)是真空系統(tǒng)耗能高、設(shè)備龐大，相應(yīng)的甘油脫水塔徑增大，雖然減少了能耗費(fèi)用，但設(shè)備投資費(fèi)用也增加，因此在選擇操作壓力或真空度時(shí)需要綜合考慮能耗和設(shè)備費(fèi)用，且真空度不宜過(guò)高；由表1 可以看出，塔頂操作壓力在30～70 kPa（abs）范圍內(nèi)，甘油-水體系的相對(duì)揮發(fā)度與真空度成正比?；亓鞅冉档停芎陌ɡ淠骱驮俜衅髫?fù)荷也逐漸降低。

2.2 塔頂氣直接壓縮的甘油提純精餾工藝模擬

塔頂氣直接壓縮的甘油脫水精餾塔工藝流程見圖2，是精餾塔頂蒸汽直接進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮后，形成高溫高壓蒸汽，以此蒸汽作為塔釜再沸器熱源，然后再經(jīng)過(guò)塔頂冷凝器進(jìn)一步降溫后，部分作為塔頂回流，部分作為輕組分采出。塔底產(chǎn)品的產(chǎn)品純度目標(biāo)設(shè)定為99%，改變塔頂操作壓力和壓縮比，塔底再沸器熱負(fù)荷由塔頂氣相壓縮物流提供，工藝流程見圖2，模擬結(jié)果見表2。

1-粗甘油；2-精餾塔；3-壓縮機(jī)；4-再沸器；5-冷卻器；6-水分；7-精制甘油

表2 塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾工藝模擬結(jié)果

從表2可以看出，隨著塔真空度的提高，體系相對(duì)揮發(fā)度增大，與常規(guī)甘油提純精餾結(jié)果相似，塔底蒸發(fā)量減小，塔底再沸器負(fù)荷降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)汽量減少，壓縮機(jī)功耗降低；在塔頂真空度較高的30 kPa(abs)時(shí)， 由于塔底所需的精餾溫度低，壓縮機(jī)的壓縮比低，使得經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)的塔頂氣在完成塔底供熱后余熱量較少，經(jīng)與原料換熱后所剩的余熱減少，因此需要的冷卻水減少；而在塔頂真空度較低的70 kPa時(shí)，塔底所需的精餾溫度高，壓縮機(jī)的壓縮比大，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)后余熱量較大，經(jīng)與原料換熱后剩余熱量多，因此需要的冷卻水量大。

2.3 塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝模擬

塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝流程見圖3，塔底液體出料中的一部分經(jīng)節(jié)流閃蒸降溫降壓后，與塔頂汽相產(chǎn)品換熱，吸熱蒸發(fā)為汽體，再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮升溫升壓后作為塔釜再沸器熱源；塔頂汽相產(chǎn)品被冷凝，部分回流，部分出裝置。工藝流程見圖3，模擬結(jié)果見表3。

圖3 塔底液相閃蒸壓縮供熱熱泵精餾流程圖

Fig.3The process flow diagram of tower bottom liquid flash compression heat pump distillation

1- 粗甘油；2-精餾塔；3-節(jié)流閥；4-換熱器；5-冷卻器；6-壓縮機(jī)；7-精制甘油

表3 塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝模擬結(jié)果

在圖3所示的工藝流程中，壓縮后的溫度與塔底溫度差需≥10 ℃，以滿足換熱溫差；壓縮機(jī)出口壓力略高于塔底壓力，以保證塔釜料液經(jīng)節(jié)流換熱壓縮后的汽相仍能返回塔底。由表3可以看出，在不同的真空度30～70 kPa（abs）范圍內(nèi)，冷凝器、再沸器負(fù)荷以及壓縮機(jī)功耗隨真空度的提高而有所下降，這主要是由于體系揮發(fā)度提高，塔底蒸發(fā)量減小，降低了塔的汽液操作負(fù)荷，導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)汽量的下降，塔底再沸器負(fù)荷降低，壓縮機(jī)進(jìn)汽量減少，壓縮機(jī)功耗降低。

3 不同精餾工藝的能耗比較

對(duì)三種不同精餾工藝的能耗進(jìn)行了匯總比較，結(jié)果見表4和表5。

表4 常規(guī)精餾與熱泵精餾主要操作參數(shù)的能耗對(duì)比

Table 2 energy consumption comparison among the conventional distillation process and two kinds of heat pump distillation process

表5 不同操作壓力下的能耗比較

Table 2 Energy consumption comparison of different distillation process under different operation pressure

從表4可以看出，在工藝條件相同的條件下，兩種熱泵精餾工藝比常規(guī)精餾工藝的能耗分別降低56.5%和54.5%。由此可見，兩種熱泵精餾的節(jié)能效果幾乎相當(dāng)，均具有顯著的節(jié)能效果。從表5可以看出，隨著操作壓力的降低，三種工藝過(guò)程有著同樣的能耗變化趨勢(shì)，即均明顯下降，在相同的操作壓力下，兩種熱泵精餾工藝的噸產(chǎn)品能耗均分別比常規(guī)精餾工藝降低58.75%和56.67%。主要原因在于在傳統(tǒng)的精餾系統(tǒng)中，塔內(nèi)的氣、液回流均是通過(guò)消耗外部能量實(shí)現(xiàn)的，因而能耗較高。而熱泵精餾則是利用少量電能及機(jī)械能等高品位能轉(zhuǎn)換為較多量的位能、熱量或冷量等低品位能量，并補(bǔ)充到精餾過(guò)程。

精餾過(guò)程是一個(gè)需要在低溫位處釋放熱量，在高溫位處獲得熱量的過(guò)程；而熱泵的工作原理則是用少量的高品位能量（電能、核能、機(jī)械能等），獲得較多低品位的能量（一般指熱量）。實(shí)現(xiàn)低能耗精餾過(guò)程。

對(duì)于粗甘油提純過(guò)程而言，在相同的塔頂操作壓力下，要想達(dá)到最佳的節(jié)能效果，壓縮后的溫度與塔底溫度差的選擇以及壓縮機(jī)功耗與塔的熱量匹配為節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。

4 結(jié) 論

（1）利用Aspen Plus流程模擬軟件，選用NRTL-RK 物性方法和精餾模型格及壓縮機(jī)模塊對(duì)粗甘油脫水提純過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，分別計(jì)算了常規(guī)精餾工藝、塔頂蒸汽直接壓縮和塔底液相閃蒸壓縮三種精餾過(guò)程，并進(jìn)行了能耗比較。

（2）對(duì)于粗甘油脫水提純過(guò)程來(lái)說(shuō)，在操作條件相同的條件下，兩種熱泵精餾工藝均比常規(guī)精餾工藝的總能耗分別降低56.5%和54.5%（標(biāo)油/噸產(chǎn)品），具有節(jié)能效果十分明顯。

（3）在模擬計(jì)算與優(yōu)化過(guò)程中，壓縮后的溫度與塔底溫度差的選擇以及壓縮機(jī)功耗與塔的熱量合理匹配，對(duì)于實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能降耗尤為關(guān)鍵。

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Simulation of Glycerol Purification Process Based on MVR Heat-pump Distillation

（Fushun Petrochemical Research Institute, Sinopec , Fushun Liaoning,113001，China）

Based on Aspen Plus with the NRTL-RK equation, Radfrac. module and Compr. module, simulation of glycerol purification process was carried out. The differences between the conventional distillation process and two kinds of heat pump distillation processes were compared. The two kinds of heat pump distillation processes were the top steam direct compression and the tower bottom liquid phase flash compression. The results show that,for the glycerol purification process, under the same condition of processing capacity, product quality, operating pressure, reflux ratio and product purity (no less than 99%), the two MVR heat-pump distillation processes can save respectively energy by 56.5% and 54.5% than the conventional distillation process. The total energy consumption (standard oil / ton of product) of the two kinds of heat pump distillation processes can be saved as much as 58.75% and 56.67% respectively, reflecting significant energy saving effect.

glycerol; MVR heat-pump distillation; energy saving; Aspen Plus

TQ 028

A

1671-0460（2016）09-2130-04

2016-07-18

阮宗琳（1979-），女，遼寧撫順市人，工程師，碩士，2008年畢業(yè)中國(guó)石油大學(xué)（北京），研究方向：，從事煉油及化工工程技術(shù)研究開發(fā)工作。E-mail：ruanzonglin.fshy@sinopec.com，電話：024-56389685。