熱泵精餾技術應用于環(huán)己烷精制工藝的節(jié)能研究

曲 亮

(中石化巴陵石油化工有限公司，湖南 岳陽 414014)

0 引言

在化工生產(chǎn)過程中，分離是非常重要的一個過程單元，直接決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量和收率，工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著主導地位的分離方法就是精餾。精餾是根據(jù)混合物中各組分揮發(fā)度的不同利用能量進行分離的操作單元，具有獨特的優(yōu)勢[1]。據(jù)估計，化工過程中40%～70%的能耗用于分離，而精餾能耗又占其中的95%[2]。因此，隨著世界能源的日益短缺，精餾過程一直是研究者節(jié)能挖潛的熱點，每一個改進都會帶來巨大的經(jīng)濟效益。

多年來，在常規(guī)精餾的基礎上，研究人員進一步發(fā)展了多效精餾、熱泵精餾等技術[3]。多效精餾是一種較為常見的節(jié)能技術，較多用于化工精餾過程的節(jié)能[4]。多效精餾由若干壓力不同的精餾塔組成，高壓精餾塔頂部蒸汽作為熱源被用于驅(qū)動低壓精餾塔底部再沸，由于蒸汽熱量在系統(tǒng)內(nèi)得到回收，可減少冷、熱公用工程的消耗，達到降低能耗的目的[5]。熱泵精餾同樣是一種優(yōu)異的節(jié)能技術，如今熱泵精餾技術較為成熟，在諸多行業(yè)都有應用，特別是在化工行業(yè)應用極為廣泛。根據(jù)熱泵精餾生產(chǎn)的工作方式不同，可分為蒸汽噴射式、吸收式和蒸汽壓縮式[6]。熱泵精餾技術通過外界提供的驅(qū)動能可將低溫位熱源的熱量提取并運輸?shù)礁邷匚粺嵩?，從而有效降低精餾操作的能耗。

熱泵精餾技術以其高效節(jié)能、投資回收期短[7]等特點越來越受到國內(nèi)外學者的關注。陳麗娟比較了不同熱泵精餾流程的經(jīng)濟性能，通過研究發(fā)現(xiàn)與常規(guī)精餾流程相比，引入熱泵精餾技術具有優(yōu)異的節(jié)能效果[8]。錢詩卉等將塔頂壓縮式熱泵精餾技術應用于異丁烯反應精餾工藝中，結果與普通精餾工藝相比，熱力學效率提高了32.7%，年操作費用減少了一半以上[9]。趙林等基于Aspen Plus軟件構建了超重力MVR精餾塔模型，結果表明該模型可用于超重力MVR熱泵精餾工藝的熱力學分析與優(yōu)化研究[10]。Kumar Vivek等采用熱泵精餾技術和低壓蒸汽輔助供熱加熱塔釜再沸流股，研究結果表明新工藝的能耗和費用均低于常規(guī)流程[11]。

本研究旨在通過對熱泵精餾工藝的流程建模和特性研究，形成系統(tǒng)架構設計和性能分析方法；將熱泵精餾工藝與常規(guī)工藝相比較，分析系統(tǒng)的優(yōu)勢和匹配度，從而為熱泵精餾的設計和實際運行過程提供理論指導。本文將以某企業(yè)橡膠裝置的一套環(huán)己烷精制工藝為例，對其進行熱泵精餾技術改進與節(jié)能分析。

1 熱泵精餾技術原理

熱泵是一種充分利用低品位熱能的高效節(jié)能裝置。其工作原理是以逆循環(huán)方式迫使熱量從低溫物體流向高溫物體，通過消耗少量的逆循環(huán)凈功，就可以得到較大的供熱量，可以有效地把難以應用的低品位熱能利用起來，達到節(jié)能目的。而在精餾應用中，精餾塔頂部和底部溫差大多在10 ℃以內(nèi)，能量品位上比較接近，如果采用熱泵精餾技術提升其品位，回收精餾塔頂部物流能量，使其替代蒸汽對塔釜物料加熱，實現(xiàn)低品位能量向高品位能量的轉(zhuǎn)移，將減少精餾過程能耗。

在各種熱泵精餾技術中，間接式熱泵精餾以其易于設計等特點備受青睞，其原理如圖1所示：精餾部分的工藝物流與熱泵部分的工質(zhì)各自在設備中構成一個閉式系統(tǒng)，熱泵部分的工質(zhì)在塔頂冷凝器中與塔頂物料(熱源)換熱，吸收熱量汽化，而塔頂蒸汽冷凝為液體；氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)壓縮機做功壓縮后升溫升壓，然后在塔底再沸器中將熱量傳遞給塔底物料，自身冷凝為液體；液化的工質(zhì)經(jīng)過節(jié)流閥后，回到蒸發(fā)器換熱完成循環(huán)。以循環(huán)工質(zhì)為媒介，將蒸汽的潛熱送到塔底處利用，工質(zhì)既對塔頂提供冷量，又供熱給塔釜，減少了公用工程的用量。

圖1 間接式熱泵精餾技術原理圖

2 熱泵精餾技術在環(huán)己烷精制工藝中的應用

2.1 熱泵精餾技術改造方案

本研究基于某企業(yè)現(xiàn)有橡膠裝置環(huán)己烷溶劑精制工藝，圖2細實線展示了環(huán)己烷精制工藝改進前的流程圖。來自環(huán)己烷粗原料罐的粗料經(jīng)E-104升溫后送入脫水塔C-101，粗原料中的輕組分與環(huán)己烷從塔頂排出，經(jīng)循環(huán)水冷卻后進入罐V-102，不凝性氣體從罐頂排出，水分經(jīng)油水分離后從罐底脫水包排出，其他液體送回原料罐。脫水塔C-101底部脫除水分的粗環(huán)己烷送入脫重一塔C-102脫重，初步脫重后送入脫重二塔C-103進行二次脫重，精環(huán)己烷氣體從塔頂排出，在E-103中為脫重一塔C-102精餾提供熱量，最后在E-106中經(jīng)循環(huán)水冷卻為液態(tài)精環(huán)己烷，其中一部分送回脫重二塔C-103頂部，其他部分作為精料采出。

圖2中虛線展示了環(huán)己烷精制工藝經(jīng)熱泵精餾技術改進后的工藝流程圖。本工藝采用間接式蒸汽壓縮熱泵精餾技術進行改進，采用水作為循環(huán)介質(zhì)。與原流程相比，本改造方案在水冷器E-105前加一臺換熱器E-HP1，用于吸收換熱器E-104出口飽和環(huán)己烷熱量。環(huán)己烷在換熱器E-HP1中冷卻后通入原水冷器E-105冷卻，循環(huán)介質(zhì)在換熱器E-HP1中吸熱汽化，經(jīng)壓縮機C-HP1壓縮后在換熱器E-HP2中替代低壓蒸汽為脫水塔C-101塔釜物料提供熱量，隨后經(jīng)節(jié)流閥V-HP1節(jié)流降壓后送回換熱器E-HP1完成循環(huán)。該熱泵精餾改進工藝雖需付出額外的電量，但卻可節(jié)省冷卻水以及蒸汽用量。此外，水冷器E-106進口環(huán)己烷由原來的水冷降溫改為通過新增換熱器E-01為原料預熱，以便熱泵循環(huán)介質(zhì)可在E-HP1中回收更多的能量。

圖2 熱泵精餾技術對環(huán)己烷精制工藝改進流程圖

2.2 熱泵精餾技術匹配性分析

在環(huán)己烷精制工藝改造前，用到冷卻水的流股有三股，分別是脫水塔頂部物流、脫重一塔頂部物流、脫重二塔頂部物流；用到低壓蒸汽的流股有兩股，分別是脫水塔底部再沸器E-101和脫重二塔底部再沸器E-107。在環(huán)己烷精制熱泵精餾技術改進工藝中，循環(huán)介質(zhì)如果從換熱器E-104出口熱流股中吸收熱量加熱脫水塔C-101塔釜物料，會造成壓縮機進出口壓差過高。這是由于脫水塔塔頂出料含有不凝性氣體，在液化過程中溫度將降低到35 ℃左右，在考慮傳熱溫差的情況下，熱泵循環(huán)中水介質(zhì)蒸發(fā)的溫度需低于35 ℃；再沸器E-103出口的環(huán)己烷熱流股由于是提供顯熱同樣不適合作為熱泵循環(huán)中水介質(zhì)蒸發(fā)的熱源；而水冷器E-105進口精環(huán)己烷的飽和溫度約80 ℃，可看成環(huán)己烷的純物質(zhì)，因此其冷卻過程可近似看成恒溫液化，在考慮傳熱溫差的情況下，熱泵循環(huán)中水介質(zhì)蒸發(fā)的溫度只需低于80 ℃，這有利于降低壓縮機進出口壓差。同樣，脫水塔C-101塔釜溫度約為83 ℃，脫重二塔C-103塔釜溫度約為122 ℃，選擇脫水塔C-101塔釜物料作為熱泵循環(huán)中介質(zhì)水的供熱對象有利于降低壓縮機進出口壓差。

2.3 熱力學可行性分析

圖3為熱泵精餾技術改進工藝流程中水介質(zhì)循環(huán)狀態(tài)示意圖。來自換熱器E-HP1的低溫飽和蒸汽1經(jīng)壓縮機C-HP1壓縮，由于水蒸氣壓縮機帶有噴淋冷卻系統(tǒng)使壓縮機出口蒸汽達到飽和狀態(tài)，因此在被壓縮后到達高溫飽和蒸汽2進入換熱器E-HP2，在換熱器E-HP2中放熱后達到高溫飽和液態(tài)水3，之后經(jīng)節(jié)流閥V-HP1節(jié)流降壓后達到低溫氣液相平衡狀態(tài)4進入換熱器E-HP1，最后在E-HP1中吸熱汽化形成低溫飽和蒸汽1?？紤]到水蒸氣壓縮機可升溫25～30 ℃，再結合脫水塔底部物流再沸溫度與脫重一塔頂部物流溫度，最終將水介質(zhì)低溫蒸發(fā)溫度定為70 ℃，高溫冷凝溫度定為95 ℃。

圖3 熱泵精餾技術改進工藝中水介質(zhì)循環(huán)狀態(tài)示意圖

循環(huán)中，水介質(zhì)在換熱器E-HP2中放出的熱量為狀態(tài)點2與狀態(tài)點3的焓差(即h2-h3)，在換熱器E-HP1中吸收的熱量為狀態(tài)點1與狀態(tài)點4的焓差(即h1-h4)。經(jīng)模擬，圖2流程中脫水塔C-101所需再沸熱量為1 004.02 kW，換熱器E-104出口熱環(huán)己烷可提供的潛熱為1 082.88 kW；在圖3水介質(zhì)循環(huán)中，當水介質(zhì)在換熱器E-HP2中放出1 004.02 kW(h2-h3)熱量時，需在換熱器E-HP1中吸收985.65 kW(h1-h4)熱量，由于該熱量小于1 082.88 kW，因此在溫度和熱量匹配上熱泵精餾技術改進工藝具有可行性。

2.4 流程模擬與驗證

本研究采用Aspen Plus對環(huán)己烷精制工藝流程進行模擬，物性方法選用CPA(Cubic-Plus-Association)模型，該模型是在常規(guī)的SRK(Soave-Redlich-Kwong)模型基礎上進行改進的，能夠準確計算物質(zhì)氣液和液液平衡的熱力學性質(zhì)。

表1為環(huán)己烷精制工藝實際值與模擬值比較結果。結合現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，對環(huán)己烷精制工藝中脫水塔C-101、脫重一塔C-102、脫重二塔C-103塔頂與塔底主要物料溫度、壓力、流量等參數(shù)實際值與模擬值進行了比較，誤差均在1%以內(nèi)，因此模擬結果可靠，CPA模型較好地仿真了環(huán)己烷精制工藝的運行狀態(tài)。

表1 環(huán)己烷精制工藝實際值與模擬值比較結果

3 結果分析

3.1 節(jié)能性分析

表2為環(huán)己烷精制工藝與熱泵精餾技術改進工藝能耗比較結果。對原環(huán)己烷精制工藝進行熱泵精餾技術改進后，蒸汽節(jié)省量為1.4 t/h，相對節(jié)能率約為37.23%；循環(huán)水節(jié)省量為168.97 t/h，相對節(jié)能率約為43.50%；同時額外付出的蒸汽壓縮機電耗為190 kW。為了估算整體節(jié)能量，將不同公用工程折算為標油，0.8 MPa蒸汽、循環(huán)水、電的折標系數(shù)分別為76 kg/t、0.06 kg/t、0.26 kg/kWh。最終算得原精制工藝綜合能耗約為309.07 kg/h，經(jīng)熱泵精餾技術改進后綜合能耗約為236.23 kg/h，相對節(jié)能率約為23.57%，年節(jié)省標油量約為582.72 t，節(jié)能效果顯著。

表2 環(huán)己烷精制工藝與熱泵精餾技術改進工藝能耗比較

3.2 經(jīng)濟性分析

表3為設備投資匯總表。環(huán)己烷精制工藝在經(jīng)熱泵精餾技術改進后，主要增加的設備為換熱器與蒸汽壓縮機，其中換熱設備投資約為47.70萬元，壓縮機投資約為50萬元，設備總投資約為97.70萬元。

表3 設備投資匯總表

表4為公用工程費用匯總表。在公用工程消耗方面，經(jīng)熱泵精餾技術改進后，年蒸汽節(jié)省量約為11 200 t，循環(huán)水節(jié)省量約為1 351 700 t，電額外消耗約1 520 000 kWh。蒸汽、循環(huán)水、電的價格分別以161元/t、0.3元/t、0.6元/kWh計，則公用工程年節(jié)省金額約為129.67萬元。

表4 公用工程費用匯總表

環(huán)己烷精制工藝經(jīng)熱泵精餾技術改進后，投資回收年限約為0.75年，經(jīng)濟效果良好。

4 結論

(1)在環(huán)己烷精制工藝中應用熱泵精餾技術具有重要的現(xiàn)實意義，有利于改善工藝的節(jié)能性和經(jīng)濟性。

(2)將熱泵精餾技術應用于環(huán)己烷精制工藝后，盡管增加壓縮機需要消耗一定的電能，但綜合能耗相對節(jié)能率約為23.57%，年節(jié)省標油量約為582.72 t，節(jié)能效果顯著。

(3)將熱泵精餾技術應用于環(huán)己烷精制工藝后，主要設備額外投資約為97.70萬元，公用工程年節(jié)省金額約為129.67萬元，投資回收年限約為0.75年，經(jīng)濟性良好。