熱泵精餾在氣分裝置丙烯塔中的應(yīng)用

(海工英派爾工程有限公司 工藝室，山東 青島 266101)

0 引言

丙烯精餾塔是氣體分離裝置中的關(guān)鍵塔，將丙烯和丙烷混合物分離成化學(xué)級產(chǎn)品。由于丙烷和丙烯的相對揮發(fā)度相似，精餾過程的分離要求高，該塔的操作壓力較高，回流量較大，同時塔板數(shù)較多，塔的設(shè)備和操作費用都很高[1-4]。丙烯精餾是氣分系統(tǒng)中能耗最大的精餾裝置，采用傳統(tǒng)丙烯精餾塔，能耗可以占到總裝置能耗的70%以上[5]。

為了降低能耗，國內(nèi)外一些煉廠在精餾裝置中采用熱泵精餾技術(shù)[6-8]。熱泵精餾通過壓縮和換熱改變工作介質(zhì)的溫位，完成塔頂和塔底物流之間的換熱。這樣同時節(jié)省了精餾塔塔底再沸器的加熱熱源和塔頂冷凝器的一部分熱負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能的目的。

根據(jù)采用換熱工質(zhì)的不同，熱泵精餾主要分為外部循環(huán)壓縮式，塔頂氣體壓縮式，分割式和塔釜液體閃蒸再沸式四種[3,4,9-11]。其中，外部循環(huán)壓縮式精餾主要用于含有熱敏性，腐蝕性物料等塔內(nèi)物料不能作為壓縮工質(zhì)的系統(tǒng)。這種方法的熱泵效率不高，且需要引入其他工質(zhì)[3,10]。由于丙烷和丙烯均可以作為壓縮工質(zhì)，本文不對這種方法進(jìn)行討論。本文以惠州煉油二期中的70萬t/年氣體分餾(II)裝置中的丙烯塔為研究對象，通過Aspen HYSYS軟件對三種不同的熱泵精餾進(jìn)行模擬，得到了與原有常規(guī)雙塔模型能耗的能耗對比。

1 常規(guī)雙塔精餾

氣分裝置丙烯精餾塔的產(chǎn)品是：純度≥99.6 mol%的精丙烯產(chǎn)品，和純度≥97.5 mol%的丙烷產(chǎn)品。通常煉廠會采用加壓精餾(見圖1)。分離所需總的塔板數(shù)超過200塊，因此丙烯精餾塔分為兩段串聯(lián)操作。

圖1 常規(guī)雙塔精餾流程簡圖

采用Aspen HYSYS軟件完成對流程的模擬設(shè)計，物性方程選擇PENG-ROB熱力學(xué)計算模型。

惠州煉油二期70萬t/年氣體分餾(II)裝置中，丙烯塔的進(jìn)料來自上游脫乙烷塔，進(jìn)料性質(zhì)見表1。物料進(jìn)入丙烯塔(1)第76塊塔板，經(jīng)分餾后塔底丙烷餾分冷卻到40℃送出裝置;塔頂氣體進(jìn)入丙烯精餾塔(2)底部，通過精餾在塔頂?shù)玫奖┊a(chǎn)品。出于節(jié)能的考慮，當(dāng)塔頂?shù)膲毫_(dá)到1.9 MPa時，塔頂產(chǎn)品的回流溫度達(dá)到46℃左右，煉廠可以通過管式表面蒸發(fā)空冷器對塔頂物料進(jìn)行冷凝，降低冷凝水的消耗。因此，常規(guī)雙塔精餾通常采用1.8～2.2 MPa的操作壓力。表2給出了70萬t/年氣體分餾(II)裝置中常規(guī)雙塔精餾丙烯塔的操作條件及熱負(fù)荷。

表1氣體分餾裝置丙烯塔進(jìn)料性質(zhì)

進(jìn)料性質(zhì)溫度/℃70.28壓力/MPag2.949流量/kmol·h-1806.3組分名稱mol%C3H683.82C3H816.11IC4H100.04IC4H80.02其他0.01合計100.00

表2常規(guī)丙烯精餾塔的操作參數(shù)

項目丙烯塔(1)丙烯塔(2)壓力/MPag塔頂1.971.90塔釜2.021.97溫度/℃冷凝器46.11塔頂50.7248.72塔釜59.6850.72塔板數(shù)120120回流比16.2516.25回流量/kmol·h-11142010950熱負(fù)荷/kW冷凝器-39286再沸器38639采出量/kmol·h-1塔頂12090673.7塔釜131.411420塔低丙烯損失/kmol·h-12.32

常規(guī)雙塔精餾設(shè)備及操作較為簡單，有利于現(xiàn)場操作和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。綜合投資成本、產(chǎn)品質(zhì)量和安全的考慮，多數(shù)煉油化工企業(yè)會采用這種方法精制丙烯。

2 熱泵精餾

熱泵精餾的熱交換過程發(fā)生在塔頂和塔頂物流之間，無需受到現(xiàn)場冷卻水溫度的限制，因此可以降低丙烯塔的操作壓力和操作溫度。精餾過程在相對較低的溫度和壓力下進(jìn)行，不僅可以提高烴類物質(zhì)之間的揮發(fā)度，使分離難度降低，還可以減少烴類物質(zhì)聚合和降低設(shè)備投資費用[9-10]。在流程模擬中，熱泵精餾塔的塔頂丙烯和塔底丙烷壓力分別設(shè)定在1.4 MPa和1.5 MPa。

2.1 塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾

塔頂氣體直接壓縮式(A型開式)熱泵精餾采用塔頂?shù)谋┳鳛楣べ|(zhì)，系統(tǒng)操作和控制較為簡單，工藝流程見圖2。這種方法通過壓縮機對塔頂氣相進(jìn)行壓縮，提高塔頂物流的溫位，使其可以作為塔底物流的熱源[9-10]。壓縮機的功耗取決于壓縮后塔頂熱源的溫度。

在1.4～1.5 MPa的操作壓力下，丙烯精餾塔塔底的溫度大約在47℃，需要通過壓縮機將塔頂物流的溫度提高至94℃，以滿足換熱的需要。換熱后的塔頂物料需要使用輔助冷凝器進(jìn)行降溫冷凝。表3給出了塔頂氣體直接壓縮式精餾的主要操作條件及熱負(fù)荷?？梢钥闯鲈诋a(chǎn)品基本一致的基礎(chǔ)上，采用塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾比采用常規(guī)雙塔精餾節(jié)省了塔底再沸器，并且塔頂冷凝器熱負(fù)荷減少了70%。采用熱泵精餾的方式進(jìn)行換熱與常規(guī)雙塔精餾相比增加了壓縮機，可以看出，壓縮機的熱負(fù)荷較高。

圖2 頂氣體直接壓縮式熱泵精餾流程簡圖

表3塔頂氣體直接壓縮式精餾操作參數(shù)及熱負(fù)荷

項目丙烯塔壓力/MPa塔頂1.4塔釜1.5溫度/℃塔頂36.02塔釜46.74塔頂冷凝液35.67塔底再沸液49.00壓縮機出口94.0塔板數(shù)180回流比14.92塔頂回流量/kmol·h-110040熱負(fù)荷/kW塔頂輔助冷凝器-12130壓縮機11210采出量/kmol·h-1塔頂673.3塔釜133.0塔底丙烯損失/kmol·h-11.77

2.2 分割式熱泵精餾

分割式精餾熱泵精餾分為上下塔，其工藝流程如圖3所示。丙烯塔(2)和塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾幾乎一致。而丙烯塔(1)的流程與常規(guī)精餾塔的提溜部分相似，進(jìn)料來自于丙烯塔(2)塔釜液。分割式熱泵精餾與塔頂直接壓縮式精餾相似，同樣是以塔頂丙烯作為換熱工質(zhì)，通過壓縮提高其溫位。區(qū)別只是換熱的對象不是丙烷，而是與塔頂丙烯溫差較小的丙烯塔(2)塔底物料[12]。因此，塔頂物料只需要壓縮升溫到49.07℃，就可以作為丙烯塔(2)塔底的再沸熱源，采用這種方法可以大大降低壓縮機的能耗。但是，由于塔頂?shù)臒崃恐挥脕硎共糠炙锪显俜?，且需要額外的熱源供給下塔再沸器，這種方法在節(jié)能方面效果有限。

圖3 分割式熱泵精餾流程簡圖

表4分割式熱泵精餾操作參數(shù)及熱負(fù)荷

項目丙烯塔(1)丙烯塔(2)壓力/MPa塔頂1.451.4塔釜1.51.45溫度/℃塔頂39.8536.02塔釜46.6739.83塔頂冷凝液36.0塔板數(shù)55125塔頂回流比19.37塔頂回流量/kmol·h-113040熱負(fù)荷/kW塔頂輔助冷凝器-12780壓縮機2086塔底再沸器10260采出量/kmol·h-1塔頂673.0塔釜128.0塔低丙烯損失/kmol·h-12.52

分割式熱泵精餾在工業(yè)上多用于乙醇-水或者異丙醇-水溶液系統(tǒng)，為了降低重沸器的熱負(fù)荷，通常采用降低下塔的回流比。但是，這種方法要求下塔組分的平均相對揮發(fā)度遠(yuǎn)大于上塔[12]，對于丙烷-丙烯系統(tǒng)，只能通過進(jìn)一步降低丙烯塔(1)的操作壓力實現(xiàn)。為了保證丙烯塔(1)塔頂氣相進(jìn)入丙烯塔(2)，只能增加一組壓縮機，使設(shè)備的投資進(jìn)一步增大。因此，對于70 萬t/年氣體分餾裝置中的丙烯塔，分割式精餾的優(yōu)勢不能完全發(fā)揮。在不降低下塔操作壓力的情況下，采用分割式熱泵精餾與采用塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾的熱負(fù)荷大致相同。

2.3 塔釜液體閃蒸再沸式熱泵精餾

采用塔釜液體閃蒸再沸式精餾(B型開式)，將塔底物料作為工質(zhì)與塔頂氣體進(jìn)行換熱，適用于塔頂和塔底溫差小于20℃的精餾過程。由于丙烷本身是良好的冷卻劑，這種方法非常適合在丙烯精餾中使用[13-14]。如圖4所示，塔釜丙烷一部分作為產(chǎn)品，一部分經(jīng)過減壓進(jìn)入一個節(jié)流閃蒸罐進(jìn)行閃蒸，得到的液相丙烷與塔頂氣相丙烯進(jìn)行換熱轉(zhuǎn)化為氣相。這部分換熱后的丙烷與閃蒸罐頂氣相一起經(jīng)過壓縮返回塔釜。

圖4 釜液體閃蒸再沸式熱泵精餾流程簡圖

采用這種方法精餾設(shè)計的關(guān)鍵是確定節(jié)流閃蒸罐的壓力。由于丙烯精餾塔的操作壓力不變，如果節(jié)流后丙烷的壓力低，所需壓縮機的壓縮比大，壓縮機消耗的功率就高，需要輔助冷卻器平衡的熱負(fù)荷也高；如果節(jié)流閥后丙烷的壓力高，丙烷在換熱器內(nèi)與丙烯的換熱溫差就小，換熱面積就增大。綜合考量這兩個因素，一般將壓力設(shè)定在0.8～1.0 MPa，可以既保證丙烷和丙烯的換熱溫差，又使壓縮機的壓縮比保持在合理范圍[13]。

由于壓縮機在運行中存在工質(zhì)泄露，采用丙烷作為壓縮工質(zhì)明顯優(yōu)于丙烯。除此之外，通過降低塔底溫位使塔頂丙烯和塔底丙烷換熱的方法，比提高塔頂溫位換熱的方法在熱量回收利用上更加合理，故對于丙烷-丙烯分離體系而言，閃蒸再沸式節(jié)能效果更好。從表5中可知，塔釜液體閃蒸再沸式熱泵精餾綜合的熱負(fù)荷最低，節(jié)能效果最佳。相應(yīng)的設(shè)備在相對較低的壓力下操作，經(jīng)濟性較好。

表5塔釜液體閃蒸再沸式熱泵精餾操作參數(shù)及熱負(fù)荷

項目丙烯塔壓力/MPag塔頂1.4塔釜1.5閃蒸罐0.9溫度/℃塔頂36.02塔釜46.56塔板數(shù)180上塔塔頂回流比16.2塔頂回流量/kmol·h-110940熱負(fù)荷/kW塔頂輔助冷凝器-6428壓縮機6596采出量/kmol·h-1塔頂673.3塔釜133.1塔底丙烯損失/kmol·h-13.98

2.4 三種熱泵精餾的對比

表6給出了三種熱泵精餾形式下設(shè)備和熱負(fù)荷的對比。從中可以看出，采用塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾流程和操作最簡單；分割式熱泵精餾的流程和操作較為復(fù)雜，不適用于丙烷-丙烯分離體系。從能耗對比結(jié)果可知，塔頂氣體壓縮式熱泵精餾的負(fù)荷集中在壓縮機和輔助冷卻器，節(jié)能效果不如塔釜液體閃蒸再沸式熱泵精餾。

表6三種熱泵精餾設(shè)備及熱量負(fù)荷對比

熱泵精餾形式塔頂直接壓縮式分割式塔釜閃蒸設(shè)備塔板數(shù)18055+125180增加設(shè)備無精餾塔和塔底再沸器閃蒸罐負(fù)荷/kW關(guān)鍵換熱器385303955238900壓縮機1121020866596輔助冷卻器-12130-12780-6428塔底再沸器無10260無

3 結(jié)論

本文采用Aspen HYSYS流程模擬軟件，在進(jìn)料組成、流量及分離要求相同的情況下對氣分裝置的丙烯精餾塔進(jìn)行模擬。分別對采用常規(guī)雙塔精餾，塔頂氣體壓縮式熱泵精餾，分割式熱泵精餾和塔釜液體閃蒸再沸式熱泵精餾的操作參數(shù)和熱負(fù)荷進(jìn)行分析，比較了幾種方法的能耗。結(jié)論如下：

(1)與常規(guī)雙塔精餾相比，采用熱泵精餾可以降低丙烯精餾塔的操作壓力，操作溫度和塔板數(shù)，降低精餾塔的設(shè)備投資。采用熱泵精餾設(shè)備投入主要是需要增加兩臺壓縮機。

(2)與常規(guī)雙塔精餾相比，采用熱泵精餾可以對裝置內(nèi)的熱源進(jìn)行合理利用，通過壓縮機提升低質(zhì)熱源的溫位，合理換熱，降低冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷。

(3)塔頂氣體壓縮式，分割式和塔釜液體閃蒸再沸式三種熱泵精餾均可以應(yīng)用于丙烯精餾塔。其中，塔頂氣體壓縮式熱泵精餾對壓縮機設(shè)計的要求最高。分割式熱泵精餾的節(jié)能效果有限。塔釜液體閃蒸再沸式熱泵精餾最適合在丙烯/丙烷精餾系統(tǒng)中應(yīng)用。

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