淺析熱泵精餾技術(shù)在碳五混合烷烴分離過程中的應(yīng)用

夏永偉

摘要：隨著社會的發(fā)展，人們對于生活質(zhì)量要求越來越高，而清潔能源和可再生能源成為了我們關(guān)注的重點。近年來我國大力開展節(jié)能減排活動。傳統(tǒng)精餾技術(shù)存在著能耗高，能源利用率低等缺點。由于能源緊缺，環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，節(jié)能減排成為國家發(fā)展的重點。

關(guān)鍵詞：熱泵精餾技術(shù);碳五混合烷烴;分離過程;

近幾年來，中國的煉化一體化、煤炭制烯烴技術(shù)得到了迅速發(fā)展，乙烯產(chǎn)量不斷增加，同時也產(chǎn)生了大量的碳五雜環(huán)烷烴。異戊烷、正戊烷和戊烷是石油化工、精細化工、日用化工的重要原料，具有較高的附加值。在工業(yè)生產(chǎn)中，碳五餾分中的烷烴通常是通過連續(xù)蒸餾來分離，從而獲得高純度的異戊烷、正戊烷和環(huán)戊烷。而在使用蒸餾塔進行分離時，若滿足以下三個條件，即：“塔頂與塔底溫度不超過36℃，被分離物質(zhì)的沸點相近，在低壓下使用冷凝劑”，可以選用熱泵蒸餾技術(shù)。采用熱泵蒸餾技術(shù)，可以將蒸餾塔內(nèi)的蒸汽熱直接用于對塔內(nèi)物料進行加熱，從而實現(xiàn)對塔內(nèi)物料的有效補充和損耗。

一、碳五混合烷烴分離模擬條件

（一）設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本設(shè)計原料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自某石化碳五混合烷烴原料，為主要含有正戊烷、異戊烷和環(huán)戊烷的混合物，原料中各組分一覽表如表1所示。

（二）物性方法與模塊選擇

PENG-ROB適用于在各種溫度和壓強條件下的非極性或弱極性氣體混合物體系。針對碳五混合烷烴分離過程來說，由于過程體系內(nèi)大部分為正戊烷、異戊烷，以及混合烷烴體系中的極性較弱的物系，所以，在AspenPlus建模中使用了PENG-ROB熱力學(xué)物性方法。在碳五混合烷烴分離建模步驟中，所包含的單元操作和模型的選擇將如表二所給出。

二、常規(guī)精餾技術(shù)模擬

（一）模擬流程

采用常規(guī)連續(xù)精餾技術(shù)分離碳五混合烷烴模擬流程圖如圖1所示。碳五混合烷烴先后依次經(jīng)過脫環(huán)戊烷塔（T0101）、脫碳六塔（T0102）、脫碳四塔（T0103）、異戊烷分離塔（T0104），可以得到所需要的正戊烷、異戊烷和環(huán)戊烷的分離精度滿足純度大于99.00%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的分離要求。

（二）常規(guī)精餾技術(shù)模擬結(jié)果

常規(guī)精餾技術(shù)模擬思路：根據(jù)分離要求，首先采用DSTWU模塊對精餾塔進行簡捷計算得到初值，隨后將初值代入RadFrac模塊進行嚴(yán)格計算，最后采用靈敏度分析優(yōu)化操作參數(shù)。圖1中各精餾塔簡捷計算及優(yōu)化模擬結(jié)果如表3所示。由表3可知，各精餾塔經(jīng)過優(yōu)化后，環(huán)戊烷、正戊烷和異戊烷的純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為99.00%、99.59%和99.68%，滿足>99%的分離精度要求。

三、熱泵精餾塔的流程模擬與裝置

（一）熱泵精餾塔的軟件簡介

在精餾過程中，塔設(shè)備是最基本的輔助裝置，它不僅能保證整個操作流程順利進行而且對提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要。因此對于傳統(tǒng)工藝中運用較少且復(fù)雜的分離技術(shù)難以實現(xiàn)。但是隨著科技發(fā)展迅速、經(jīng)濟效益好以及節(jié)能減排等方面不斷被發(fā)現(xiàn)和改進后得到了優(yōu)化與升級改造后才能獲得新產(chǎn)品或具有更高性能指標(biāo)要求時便可采用精餾塔來滿足其需求，從而進一步促進我國石油工業(yè)的快速成長，為國家創(chuàng)造更多財富價值。在精餾塔中，有很多操作參數(shù)，如：溫度、壓力、效率等。這些工藝參數(shù)都對混合物的分離效果產(chǎn)生了很大影響。例如對于泡菜的選擇應(yīng)當(dāng)選擇適合于高濃度低揮發(fā)度氣體和高沸點有機物料;而對于油水混合后需要保證各組分之間不會相互干擾且不能出現(xiàn)漏液現(xiàn)象;此外還包括泵型設(shè)計與控制技術(shù)等等，在精餾塔中使用合適操作條件能夠使其更好地發(fā)揮作用，從而提高生產(chǎn)效率、減少能源消耗。在我國石油行業(yè)中，對油水混合后需要得到高效的精餾工藝，而對于分離技術(shù)要求較高。因此就目前而言國內(nèi)研究人員都傾向于使用傳統(tǒng)塔來進行精餾操作。

（二）流程模擬與裝置的過程

（1）流程模擬將整個系統(tǒng)中的所有設(shè)備按照工藝順序進行串聯(lián)布置，并在每個過程設(shè)置控制點，通過對各參數(shù)設(shè)置，形成一個完整而又邏輯清晰的系統(tǒng)。該方法是根據(jù)實際需要來設(shè)計和優(yōu)化流程。它可以用于工業(yè)生產(chǎn)。對于一些特殊操作或某些特定條件下必須采用特殊處理方式時使用;也可用來研究某些復(fù)雜情況下所需設(shè)備與其他裝置連接問題等（2）工藝分析將整個過程中每個步驟進行串聯(lián)布置，并在每個過程中設(shè)置控制點，通過對該控制點的建立，將其與其他裝置進行串聯(lián)布置。（2）流程圖模擬主要是利用各種閥門及連接器等設(shè)備來實現(xiàn)工藝參數(shù)和壓力流量之間的關(guān)系分析、計算以及各單元操作條件下各個部件所需傳遞能量情況和溫度變化曲線等信息。

四、碳五混合烷烴分離工藝流程

（一）工藝條件的選擇

選擇了合適的工藝條件，可以降低能耗，提高生產(chǎn)效率。熱泵精餾塔是一種連續(xù)操作過程。在高壓蒸汽和冷凝水存在下進行分離時需要先對混合物中各組分進行回收利用;而對于輕物質(zhì)則要采用特殊處理設(shè)備來實現(xiàn)脫除或過濾等流程后再排放到大氣環(huán)境中會造成二次污染問題;所以選擇了合適的工藝條件會使整個工藝系統(tǒng)得到優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率降低能耗、延長其使用壽命。目前，我國使用的干法精餾技術(shù)主要是采用干式泵循環(huán)方式進行分離和輸送。其優(yōu)點為：可以實現(xiàn)連續(xù)操作、設(shè)備投資少;可實現(xiàn)塔釜溫度控制。但是，目前我國對于石油、天然氣等高耗能的化工生產(chǎn)，仍然采用干式泵循環(huán)方式進行精餾。在實際操作過程中可以采取以下工藝方案：將蒸汽和冷凝水直接通過塔底供熱交換;利用塔頂回油裝置作為回流介質(zhì)。這種方法不僅效率低而且對設(shè)備腐蝕性大而不能達到節(jié)能目的且不適合國內(nèi)應(yīng)用，所以本文選擇了該工藝方案的一種組合蒸餾法精制干稀液體（即二甲醚）來進行研究與生產(chǎn)。

（二）混餾塔的優(yōu)化

由于工藝條件的限制，目前國內(nèi)應(yīng)用較多的是混餾塔。對于不同類型的混合器其優(yōu)缺點也存在差異。1、在精餾過程中采用了不同比例段分液面高度和高程。以泡狀液體為研究對象，通過對各組分進行分離分析得出：當(dāng)氣相線重合度>0.01時得到最佳參數(shù)組合順序表;而如果是直鏈烷烴則應(yīng)根據(jù)此設(shè)計選擇相應(yīng)的塔式結(jié)構(gòu)，并計算出其壓降以及塔頂溫差等。2、在精餾過程中，由于工藝條件的限制，而塔底溫差則是根據(jù)物料特性及操作需要來確定。3、對于液相線與氣相線相比時應(yīng)避免出現(xiàn)同向分離情況。4、為了降低壓降和提高產(chǎn)品質(zhì)量以及減少能耗等方面采用了連續(xù)回流流程（即一段串聯(lián)精餾過程）;5、在混料塔內(nèi)直接加料物進行混合后，通過塔盤分離液體后，再進入降液器，進行循環(huán)泵的操作。

五、熱泵精餾系統(tǒng)設(shè)計

（一）熱泵精餾技術(shù)原理

熱泵的精餾過程是利用冷凝液和蒸汽作為能量傳遞介質(zhì)，將氣相中的液體加熱到飽和狀態(tài)，液態(tài)烴通過塔板式冷卻器吸收后得到熱量。在精餾過程中使用了循環(huán)壓縮機。該設(shè)備具有較高效率、節(jié)能環(huán)保等特點;但是由于存在溫度差異較大以及操作條件苛刻等因素影響下其應(yīng)用效果較差且對裝置維護成本要求高等缺點使得其很難被推廣和運用起來，因此，目前還未被廣泛的應(yīng)用和推廣。熱泵精餾技術(shù)是一種新型高效節(jié)能的工藝設(shè)備。它以高壓蒸汽作為能量傳遞介質(zhì)將氣相中液體部分加熱成液滴（或蒸氣）后再通過塔板式冷卻器降溫至飽和狀態(tài)，從而得到所需混合物溫度范圍為：在一定壓力下達到了汽化焓變平衡時其混合物被稱為分離器;當(dāng)壓力低于某一值時便成為冷凝水，該過程繼續(xù)進行。在精餾過程中，混合物的溫度與壓力具有不同程度地差異，因此可以通過改變各組分沸點以及蒸氣壓來調(diào)節(jié)其濃度以獲得所需分離質(zhì)量。

（二）熱泵精餾控制系統(tǒng)

隨著我國能源危機的加劇，人們開始關(guān)注并重視了石油行業(yè)，在這種情況下熱泵技術(shù)應(yīng)運而生。目前國內(nèi)研究和使用最多的是精餾塔。精餾塔是將油水混合物加熱到沸點以下。通過分離液體中主要雜質(zhì)、冷凝后得到混合物純度高的工藝設(shè)備，該操作具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢;另外還可以節(jié)約能源提高經(jīng)濟效益，該操作也是一種節(jié)能環(huán)保的工藝設(shè)備。精餾塔在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，但由于其分離效果差，所以還需要進一步優(yōu)化改造和完善。

結(jié)語：

在碳五混合烷烴分離過程中，精餾塔是其最重要的核心部件之一。它直接影響到后續(xù)操作人員和設(shè)備是否安全可靠。因此我們必須要加強對工藝流程及生產(chǎn)裝置進行改進與創(chuàng)新，這樣才能提高分離效率、減少能源浪費以及降低能耗保證企業(yè)經(jīng)濟效益最大化等目標(biāo)。在滿足各烷烴分離要求的前提條件下， 碳五混合烷烴分別通過常規(guī)精餾技術(shù)和熱泵精餾技術(shù)的能耗情況如表 3所示， 兩種精餾技術(shù)冷凝器能耗、 再沸器能耗和總能耗的對比如圖 3 所示。從表3和圖4可以看到：相比于常規(guī)精餾技術(shù)，在碳五烷烴分離過程中采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術(shù)，可節(jié)省冷能耗 42.47%、熱能耗 53.21%、總能耗降低了 47.91%， 節(jié)能效果較為顯著。

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