熱泵精餾技術(shù)應(yīng)用于雜醇油分離

（中國天辰工程有限公司，天津300400）

本文主要針對在雜醇油分離中熱泵精餾技術(shù)的實際應(yīng)用分析，以闡明熱泵精餾技術(shù)的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。

1 熱泵精餾技術(shù)簡介

熱泵精餾是通過外動力的作用把精餾塔塔頂?shù)蜏靥幍臒崃總鬟f給塔底高溫處，作為塔底再沸器熱源的精餾過程。根據(jù)此過程所消耗的外動力能量的不同熱泵精餾可分為以下三種類型：蒸汽壓縮式、蒸汽噴射式和吸收式。

1.1 蒸汽壓縮式

蒸汽壓縮式熱泵精餾主要借助于壓縮機使工質(zhì)在熱泵中循環(huán)流動并發(fā)生狀態(tài)變化，同時達(dá)到將塔頂?shù)蜏匚徽羝D(zhuǎn)變?yōu)楦邷匚徽羝?，實現(xiàn)熱泵的連續(xù)高效制熱。蒸汽壓縮機熱泵精餾又可分為間接式和直接式流程。若塔內(nèi)氣體可直接壓縮，則可選擇直接式熱泵精餾。直接式熱泵精餾又可分為塔頂氣體直接壓縮式和塔釜液體閃蒸再沸式。若塔頂氣體含有腐蝕性、熱敏性等不宜壓縮時，則可以采用間接式熱泵精餾。此外，對于一些大溫差的精餾過程，還可采用分割式熱泵精餾[1]，即上塔采用類似塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾，下塔類似于常規(guī)精餾的提餾段。

1.2 蒸汽噴射式

蒸汽噴射式熱泵精餾為利用塔頂?shù)囊徊糠终羝?jīng)蒸汽噴射泵加壓升溫，隨驅(qū)動蒸汽一起進(jìn)入塔底作為加熱蒸汽，從而達(dá)到節(jié)能的目的。但蒸汽噴射式熱泵精餾如果在大壓縮比或高真空度下操作，噴射泵的驅(qū)動蒸汽量增加，節(jié)能效果顯著下降，因此該方式的熱泵精餾適用于精餾塔塔底和塔頂壓差不大或減壓精餾的真空度比較低的情況。

1.3 吸收式

吸收式熱泵精餾由吸收器、再生器、冷卻器和再沸器等設(shè)備組成。其不同于前兩種熱泵精餾，通常需要借助于其它的溶液作為載熱介質(zhì)，如溴化鋰水溶液或氯化鈣水溶液。吸收式熱泵主要利用載熱溶液經(jīng)吸收、蒸發(fā)、冷卻過程發(fā)生的熱力學(xué)狀態(tài)變化，實現(xiàn)熱源從低溫向高溫轉(zhuǎn)移。但由于吸收式熱泵熱效率低，需要較高的投資，且使用壽命不長制約了其適用范圍，只有在產(chǎn)熱量很大且溫度提升要求不高的場合下應(yīng)用才顯優(yōu)勢。

2 熱泵精餾用于雜醇油精制的分析

2.1 雜醇油脫水處理

雜醇油中含有大量的水分，含水量約10%～30%，其與C2～C5醇易形成共沸物，這使得雜醇油的精餾提純變得非常復(fù)雜和困難。因此在雜醇油精制中均應(yīng)先進(jìn)行最大限度地脫水處理。脫水采用恒沸脫水法將C5以下的低碳醇與水以共沸物的形式餾出，得到含量在98%以上的混合戊醇。其工藝條件為：釜溫135～150℃;塔頂溫度85～90℃;塔溫128.5～132℃;回流比2.5。得到的混合戊醇可供進(jìn)一步從中分離出異戊醇與光學(xué)戊醇，使其純度分別達(dá)到95%以上。

2.2 熱泵精餾混合戊醇

雜醇油經(jīng)過預(yù)處理后得到的混合戊醇（總的質(zhì)量濃度在98%以上，其中含光學(xué)戊醇約在15%～25%之間），若直接以此濃度的混合戊醇進(jìn)行精餾，則光學(xué)戊醇的收率特別低（10%以下）[4]，因此需對該混合戊醇進(jìn)行提濃，使其中含光學(xué)戊醇濃度在60%左右，光學(xué)戊醇的收率能達(dá)到較優(yōu)值[2]。

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本研究以國內(nèi)某企業(yè)在進(jìn)行雜醇油回收過程中，從提濃后的混合戊醇再分離為例，提濃混合戊醇進(jìn)料狀態(tài)：溫度 130.4℃，常壓（100kPa），進(jìn)料量300kg/h，其中2-甲基丁醇59.9%，3-甲基丁醇40.1%，塔頂2-甲基丁醇、塔底3-甲基丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求≥98%。

2.2.2 熱泵精餾工藝流程

本處理工藝選用塔頂氣相直接壓縮式熱泵精餾。具體工藝流程如圖1。原料進(jìn)入高效填料塔，填料塔直徑為1200mm，填料高度80m，其中精餾段填料高50m，提餾段填料高30m，塔中部設(shè)有兩個不同高度的進(jìn)料口，以滿足不同組成進(jìn)料的分離要求。填料塔塔頂壓力100kPa，塔頂氣相介質(zhì)2-甲基丁醇直接進(jìn)入壓縮機，壓力提高到150kPa，溫度由130℃升溫至143.5℃，壓縮后的氣體作為熱源進(jìn)入降膜冷凝再沸器中，在再沸器中與塔釜物料3-甲基丁醇換熱，塔釜物料3-甲基丁醇被加熱成為氣液混合物進(jìn)入塔內(nèi)，塔頂氣相冷凝成液相，而后經(jīng)水冷卻器冷卻至130℃。冷卻后的液相介質(zhì)部分回流，部分作為塔頂產(chǎn)品2-甲基丁醇采出。產(chǎn)品3-甲基丁醇則可從塔釜采出得到。在填料塔另設(shè)置有輔助再沸器用于塔的調(diào)節(jié)和開停車使用。經(jīng)填料塔分離得到的異戊醇與光學(xué)戊醇純度分別為98.5%、98.7%。

圖1 熱泵精餾過程工藝流程圖

2.3 常規(guī)精餾混合戊醇

在常規(guī)精餾中，由于異戊醇與光學(xué)戊醇為同分異構(gòu)體，相對揮發(fā)度1.078，沸點僅相差2.8℃，因此從混合戊醇中將異戊醇與光學(xué)戊醇完全分離要求很高，通過提高回流比和需要很高的理論板數(shù)才能實現(xiàn)。如對以上的混合戊醇進(jìn)料進(jìn)行常規(guī)精餾，經(jīng)ASPEN模擬，模擬結(jié)果表明，在與熱泵精餾填料塔同樣的操作溫度、壓力下，分離得到純度均大于98%的異戊醇與光學(xué)戊醇，需要的精餾塔理論板數(shù)為170，回流比將近100，0.8MPaG蒸汽消耗量為3.5t/h，冷卻水（△t=8℃）用量2.6t/h。

2.4 熱泵精餾與常規(guī)精餾對比

2.4.1 能耗對比

將雜醇油采用熱泵精餾和常規(guī)精餾兩種不同工藝的能耗對比列于表1。其中能源價格取費按照冷卻水 0.4元/t、0.8MPaG蒸汽180元/t、電費0.8 元/(kw·h)進(jìn)行估算。

由表1中數(shù)據(jù)可得：采用熱泵精餾消耗了少量的壓縮機功耗，流程無需塔頂冷凝器，因而使得冷卻水消耗節(jié)省及再沸器的蒸汽消耗減少。若按照石油化工能耗計算標(biāo)準(zhǔn)將消耗量轉(zhuǎn)化為能耗值：常規(guī)精餾11.15GJ/h，熱泵精餾3.18GJ/h。熱泵精餾比常規(guī)精餾能耗節(jié)省了71.5%，操作費用減少了64.7%。

表1 能耗對比表

2.4.2 設(shè)備投資對比

與常規(guī)精餾相比，在設(shè)備配置上，熱泵精餾增加了一套熱泵系統(tǒng)，取消了塔頂?shù)睦淠?。兩種方式設(shè)備投資對比：熱泵精餾比常規(guī)精餾設(shè)備投資增加193萬元。結(jié)合能耗對比結(jié)果，熱泵精餾增加的設(shè)備投資相對于其每年節(jié)省的能耗費用約327萬元短期內(nèi)就能收回成本。

3 結(jié)論

本文通過對熱泵精餾技術(shù)應(yīng)用于雜醇油精制進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明采用熱泵精餾可以實現(xiàn)從雜醇油分離中獲得高附加值的異戊醇、光學(xué)戊醇產(chǎn)品。此外在相同操作條件下，雜醇油熱泵精餾與常規(guī)精餾對比，熱泵精餾能耗更低，操作費用更少。設(shè)備投資上，熱泵精餾僅增加少量的設(shè)備投資，短期內(nèi)即可收回成本，經(jīng)濟效益可觀。因此熱泵精餾技術(shù)應(yīng)用于從雜醇油中分離異戊醇-光學(xué)戊醇近沸點體系值得推廣。