熱泵精餾技術應用于環己烷精制工藝的節能研究

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，直接決定了最終產品的質量和收率，工業生產中占據著主導地位的分離方法就是精餾。精餾是根據混合物中各組分揮發度的不同利用能量進行分離的操作單元，具有獨特的優勢[1]。據估計，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能挖潛的熱點，每一個改進都會帶來巨大的經濟效益。

多年來，在常規精餾的基礎上，研究人員進一步發展了多效精餾、熱泵精餾等技術[3]。多效精餾是一種較為常見的節能技術，較多用于化工精餾過程的節能[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動低壓精餾塔底部再沸，由于蒸汽熱量在系統內得到回收，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異的節能技術，如今熱泵精餾技術較為成熟，在諸多行業都有應用，特別是在化工行業應用極為廣泛。根據熱泵精餾生產的工作方式不同，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動能可將低溫位熱源的熱量提取并運輸到高溫位熱源，從而有效降低精餾操作的能耗。

熱泵精餾技術以其高效節能、投資回收期短[7]等特點越來越受到國內外學者的關注。陳麗娟比較了不同熱泵精餾流程的經濟性能，通過研究發現與常規精餾流程相比，引入熱泵精餾技術具有優異的節能效果[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，形成系統架構設計和性能分析方法；將熱泵精餾工藝與常規工藝相比較，分析系統的優勢和匹配度，從而為熱泵精餾的設計和實際運行過程提供理論指導。本文將以某企業橡膠裝置的一套環己烷精制工藝為例，對其進行熱泵精餾技術改進與節能分析。

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能裝置。其工作原理是以逆循環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，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，實現低品位能量向高品位能量的轉移，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各自在設備中構成一個閉式系統，熱泵部分的工質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；氣態工質經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；液化的工質經過節流閥后，回到蒸發器換熱完成循環。以循環工質為媒介，將蒸汽的潛熱送到塔底處利用，工質既對塔頂提供冷量，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

本研究基于某企業現有橡膠裝置環己烷溶劑精制工藝，圖2細實線展示了環己烷精制工藝改進前的流程圖。來自環己烷粗原料罐的粗料經E-104升溫后送入脫水塔C-101，粗原料中的輕組分與環己烷從塔頂排出，經循環水冷卻后進入罐V-102，不凝性氣體從罐頂排出，水分經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中經循環水冷卻為液態精環己烷，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中虛線展示了環己烷精制工藝經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，采用水作為循環介質。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出口飽和環己烷熱量。環己烷在換熱器E-HP1中冷卻后通入原水冷器E-105冷卻，循環介質在換熱器E-HP1中吸熱汽化，經壓縮機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，隨后經節流閥V-HP1節流降壓后送回換熱器E-HP1完成循環。該熱泵精餾改進工藝雖需付出額外的電量，但卻可節省冷卻水以及蒸汽用量。此外，水冷器E-106進口環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，以便熱泵循環介質可在E-HP1中回收更多的能量。

圖2 熱泵精餾技術對環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。在環己烷精制熱泵精餾技術改進工藝中，循環介質如果從換熱器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，熱泵循環中水介質蒸發的溫度需低于35 ℃；再沸器E-103出口的環己烷熱流股由于是提供顯熱同樣不適合作為熱泵循環中水介質蒸發的熱源；而水冷器E-105進口精環己烷的飽和溫度約80 ℃，可看成環己烷的純物質，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，熱泵循環中水介質蒸發的溫度只需低于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中介質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循環狀態示意圖。來自換熱器E-HP1的低溫飽和蒸汽1經壓縮機C-HP1壓縮，由于水蒸氣壓縮機帶有噴淋冷卻系統使壓縮機出口蒸汽達到飽和狀態，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水3，之后經節流閥V-HP1節流降壓后達到低溫氣液相平衡狀態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，最終將水介質低溫蒸發溫度定為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循環狀態示意圖

循環中，水介質在換熱器E-HP2中放出的熱量為狀態點2與狀態點3的焓差(即h2-h3)，在換熱器E-HP1中吸收的熱量為狀態點1與狀態點4的焓差(即h1-h4)。經模擬，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出口熱環己烷可提供的潛熱為1 082.88 kW；在圖3水介質循環中，當水介質在換熱器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，該模型是在常規的SRK(Soave-Redlich-Kwong)模型基礎上進行改進的，能夠準確計算物質氣液和液液平衡的熱力學性質。

表1為環己烷精制工藝實際值與模擬值比較結果。結合現場采集數據，對環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、流量等參數實際值與模擬值進行了比較，誤差均在1%以內，因此模擬結果可靠，CPA模型較好地仿真了環己烷精制工藝的運行狀態。

表1 環己烷精制工藝實際值與模擬值比較結果

3 結果分析

3.1 節能性分析

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

表2 環己烷精制工藝與熱泵精餾技術改進工藝能耗比較

3.2 經濟性分析

表3為設備投資匯總表。環己烷精制工藝在經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，經熱泵精餾技術改進后，年蒸汽節省量約為11 200 t，循環水節省量約為1 351 700 t，電額外消耗約1 520 000 kWh。蒸汽、循環水、電的價格分別以161元/t、0.3元/t、0.6元/kWh計，則公用工程年節省金額約為129.67萬元。

表4 公用工程費用匯總表

環己烷精制工藝經熱泵精餾技術改進后，投資回收年限約為0.75年，經濟效果良好。

4 結論

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

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

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