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基于MVR熱泵的三元混合烷烴熱耦精餾

2016-04-22 10:55:55 安裝信息網(wǎng)

楊德明，王穎，譚建凱，蔣宇，高曉新*

（常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇常州213164）

摘要：以正己烷、環(huán)己烷、異辛烷三元混合烷烴的分離為研究對(duì)象，利用Aspen Plus軟件，選用RK -SOAVE方程，以年總費(fèi)用( TAC)最低為目標(biāo)函數(shù)，考察了中間組分分配比對(duì)熱偶精餾的能耗及TAC等方面的影響，得到最佳分配比為0.47。在此基礎(chǔ)上，把蒸汽再壓縮( MVR)熱泵技術(shù)應(yīng)用于熱偶精餾，提出了MVR熱偶精餾工藝，研究了壓縮比對(duì)MVR熱偶精餾的影響，得到了相關(guān)的工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)。研究結(jié)果表明,MVR熱耦精餾與常規(guī)熱耦精餾相比，可節(jié)能約38%，節(jié)省年總費(fèi)用約48%。

關(guān)鍵詞：混合烷烴；熱偶精餾；MVR熱泵技術(shù)；模擬；年總費(fèi)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ028文章編號(hào)：0253 -4320(2016)03 -0156 -04

DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 03. 040

多元混合烷烴，如正己烷、環(huán)己烷、異辛烷的分離純化在醫(yī)藥、化工、電子等行業(yè)普遍存在。傳統(tǒng)的分離方法采用連續(xù)或間歇精餾，能耗較高。對(duì)于三元體系的分離，研究最多的節(jié)能分離工藝是熱耦精餾。熱耦精餾是強(qiáng)化熱集成的一條較為有效的途徑，不僅可以減少設(shè)備投資費(fèi)用，還可以降低能耗。但在熱耦精餾工藝中，塔頂蒸汽潛熱通常由冷卻介質(zhì)帶走，造成了熱量的不可逆損失，未能達(dá)到理想的節(jié)能效果。而機(jī)械蒸汽再壓縮( MVR)熱泵精餾技術(shù)則是把塔頂蒸汽通過(guò)壓縮機(jī)壓縮后，提高其蒸汽的品位，用于塔底供熱，構(gòu)成了塔頂塔底的自身熱平衡，從而達(dá)到最大幅度節(jié)能的效果。本文中將MVR熱泵技術(shù)應(yīng)用于熱耦精餾中，以正己烷、環(huán)己烷、異辛烷三元體系的分離為研究對(duì)象，分析考察該工藝的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

1模擬規(guī)定與評(píng)價(jià)函數(shù)

1.1模擬規(guī)定

以正己烷(A) -環(huán)己烷(B)-異辛烷(C)三元混合烷烴為研究對(duì)象，處理量5 000 kg/h，飽和液體進(jìn)料。其中含正己烷0.2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、環(huán)己烷0.6、異辛烷0.2，要求分離得到的各組分純度均不小于0. 995。塔頂冷源選用冷卻水，進(jìn)出口溫度分別取33、38℃；塔底熱源選用0.2 M Pa飽和水蒸汽。

熱力學(xué)狀態(tài)方程的選用對(duì)精餾模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。烷烴屬于非極性分子，故物性方法選用Aspen Plus軟件中的RK -SOAVE方程，二元交互參數(shù)計(jì)算選用RKSKBV方程。壓縮機(jī)的模擬選用軟件中的Compr.離心壓縮機(jī)模型，精餾塔的模擬選用RadFrac.嚴(yán)格精餾模型，塔板采用浮閥塔盤(pán)。

1.2評(píng)價(jià)函數(shù)

精餾工藝的擇優(yōu)通常是以年總費(fèi)用TAC( totalannual cost)最小為依據(jù)。TAC由年操作費(fèi)用OC（operating cost）和年均設(shè)備費(fèi)用CI( capital invest-ment)2部分構(gòu)成。操作費(fèi)用包括塔頂冷卻水費(fèi)用、塔底加熱蒸汽費(fèi)用及壓縮機(jī)電費(fèi)；設(shè)備費(fèi)用包括精餾塔塔體、塔盤(pán)、壓縮機(jī)及換熱器費(fèi)用，計(jì)算公式如下：

2常規(guī)熱耦精餾

參見(jiàn)圖1，常規(guī)熱耦精餾在分離三組分時(shí)，預(yù)分塔(C1)先將ABC粗分為AB和BC 2組混合物，AB混合物(Sl)進(jìn)入主塔(C2)上部，BC混合物(S4)進(jìn)入主塔下部，主塔塔頂?shù)玫捷p組分A，塔釜得到重組分C，中間組分B則在主塔中部側(cè)線采出。在模擬熱耦精餾塔系時(shí)，由于兩塔的關(guān)聯(lián)變量多、關(guān)聯(lián)程度高，導(dǎo)致計(jì)算難以收斂。為此引入其等價(jià)雙塔精餾模型（見(jiàn)圖2），將等價(jià)雙塔精餾的優(yōu)化模擬結(jié)果作為模擬熱耦精餾塔系的初值，即把等價(jià)雙塔精餾模擬得到的塔頂餾出液量和塔底蒸發(fā)量分別作為熱耦精餾塔系S2和S3流股的初值。

從圖3可以看出，中間組分分配比對(duì)分離塔的熱負(fù)荷及TAC均有較大的影響。隨著中間組分分配比的加大，熱負(fù)荷及TAC均呈現(xiàn)由大變小，再由小變大的趨勢(shì)，當(dāng)β=0. 47時(shí)，熱負(fù)荷及TAC均達(dá)到最小值，即組分B在預(yù)分塔塔頂進(jìn)入主塔的量略小于在預(yù)分塔塔底進(jìn)入主塔的量。這是因?yàn)锳B組分的平均相對(duì)揮發(fā)度為1. 46，而B(niǎo)C組分的平均相對(duì)揮發(fā)度為1. 64，這意味BC體系比AB體系更容易分離些，因而中間組分B在BC體系中的含量高，則主塔的分離能耗就低，模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果是一致的。

在最佳分配比條件下，模擬得到了預(yù)分塔和主塔中各組分的液相濃度分布，見(jiàn)圖4和圖5。從圖4中可以看出，預(yù)分塔塔頂物料中組分C含量接近0，而塔釜物料中組分A含量也接近0，表明在預(yù)分塔中，組分A和C基本實(shí)現(xiàn)了完全分離。對(duì)于中間組分B而言，從進(jìn)料板開(kāi)始，往塔頂塔釜均呈現(xiàn)單一的上升趨勢(shì)，這樣可以有效避免返混現(xiàn)象，降低能耗。從圖5中可以看出，主塔的塔頂、側(cè)線以及塔釜分別分離得到純度較高的組分A、B、C，組分B的濃度在側(cè)線（第48塊）最高。

3 MVR熱偶精餾

熱耦精餾的預(yù)分塔不設(shè)冷凝器和再沸器，其塔底氣相由主塔下部引入，而塔頂回流則由主塔的上部引入，因此預(yù)分塔無(wú)需加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)。熱耦精餾系統(tǒng)的能耗主要消耗在主塔的塔底，塔底供熱轉(zhuǎn)化為塔頂蒸汽潛熱，再由冷卻介質(zhì)帶走，造成了熱量的不可逆損耗�；贛VR熱泵的節(jié)能原理，將MVR熱泵技術(shù)應(yīng)用于熱耦精餾系統(tǒng)，即主塔塔頂蒸汽經(jīng)蒸汽壓縮機(jī)壓縮后，提高其溫位，用于主塔塔底的供熱，形成主塔的自熱循環(huán)，以達(dá)到最大幅度的節(jié)能效果，MVR熱耦精餾流程見(jiàn)圖6，圖中虛線表示輔助再沸器。

由圖6可知，MVR熱耦精餾系統(tǒng)的能耗主要取決于蒸汽壓縮機(jī)的電耗。壓縮相同的塔頂蒸汽量工況條件下，壓縮比大，操作費(fèi)用高；壓縮蒸汽與塔底物料的換熱溫差變大，塔底換熱器的面積減小，設(shè)備投資費(fèi)用就低。因此壓縮比是MVR熱耦精餾系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)影響操作費(fèi)用和設(shè)備投資費(fèi)用。規(guī)定中間組分B的分配比β=0. 47，改變壓縮比，模擬得到MVR熱耦精餾系統(tǒng)的各工藝參數(shù)及設(shè)備參數(shù)，代人評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算年操作費(fèi)用( OC)、年均設(shè)備費(fèi)用( CI)及年總費(fèi)用(TAC)，壓縮比與以上三者的關(guān)系見(jiàn)圖7。可見(jiàn)，隨著壓縮比的增大，年均設(shè)備費(fèi)用下降，而操作費(fèi)用則上升，由于操作費(fèi)用在年總費(fèi)用中的占比較大，導(dǎo)致年總費(fèi)用隨壓縮比的增大而增加。綜合考慮塔底換熱溫差及TAC的變化趨勢(shì)，選擇壓縮比為3.0，此時(shí)塔底換熱溫差為100C，TAC為226.3萬(wàn)元。

4 2種熱耦精餾模擬結(jié)果比較

對(duì)于常規(guī)熱耦精餾，優(yōu)化結(jié)果是分配比β=0. 47；而對(duì)于MVR熱耦精餾，優(yōu)化結(jié)果是壓縮比為3．0（在β=0. 47條件下）。2種熱耦精餾的部分優(yōu)化模擬結(jié)果見(jiàn)表1，對(duì)于MVR熱耦精餾，由于主塔塔頂?shù)膲嚎s蒸汽冷凝潛熱為1082 kW，略小于主塔塔底需求的熱負(fù)荷，因此需補(bǔ)充193 kW熱量�？梢钥闯觯瑝嚎s機(jī)消耗187 kW的電功率，可回收利用塔頂1 082 kW的熱量，即工況性能系數(shù)COP=1082/187=5.79。MVR熱耦精餾與常規(guī)熱耦精餾比較，其能耗減少約38%，年總費(fèi)用(TAC)節(jié)省約48%。