一種改進的差壓熱耦合精餾流程

張呂鴻，劉建賓，李鑫鋼，2，姜 斌，2，李 洪，2

（1．天津大學 化工學院，天津300072；2．天津大學 精餾技術國家工程研究中心，天津300072）

精餾作為化工行業應用最廣泛和能耗最大的分離操作之一［1］，得到了廣泛而深入的研究，各種新型 精 餾 工 藝 相 繼 問 世［2－6］。 差 壓 熱 耦 合 精 餾（PSTCD）是一種新型的高效節能的精餾技術［7］，相比傳統精餾（CDiC）工藝具有較高的節能效率［8］。針對差壓熱耦合的相關特點，為進一步深入研究其節能性能并改進其節能效果，增加熱量耦合度，更多地利用體系內剩余熱量，筆者提出了一種改進的差壓熱耦合精餾節能工藝。以甲基環戊烷／苯二元物系為例，采用SIMSCI PRO／II模擬軟件模擬所提出的改進差壓熱耦合流程，并與原差壓熱耦合流程對比；采用標準煤能耗折算方法［9］進行計算，與原流程的節能效率進行對比，并分析其節能原因；提出了差壓熱耦合精餾的一般通用流程，以期對差壓熱耦合的后續研究提供系統的指導與支持。

1 差壓熱耦合精餾技術及其節能原理

圖1為現有的差壓熱耦合精餾流程圖。差壓熱耦合精餾技術是將常規精餾塔分割為2個壓力不同的塔，保持總理論板數不變。分割后的高壓塔與原精餾塔壓力相同或適當加壓，另一塔降壓操作；調節低壓塔的壓力，使高壓塔頂氣體作為低壓塔釜的熱源，從而實現熱量的耦合和匹配，實現節能［7］；兩塔之間通過壓縮機實現壓力匹配。由于兩塔為變壓操作，當低壓塔降壓后，塔內分離物系的相對揮發度增加，使得分離更加容易，回流比隨之降低［10－11］，塔內上升氣相量和下降液相量降低，塔釜所需熱量下降，因此高壓塔頂的氣相量應大于低壓塔釜的液相量，兩塔間在保證一定壓差下，前者可以為后者提供足夠的熱量，從而實現兩塔熱量的耦合與流程的完整。

圖1 現有的差壓熱耦合精餾（PSTCD）流程圖Fig．1 Flow diagram of existing PSTCD

2 改進的差壓熱耦合精餾技術

現有的差壓熱耦合精餾流程雖有較高的分離和節能效果［7］，但仍有待改進以進一步提高節能效率。主要表現為，在保證進料、產品、溫度和壓力等操作條件不變情況下，固定主換熱器的熱負荷，由于高壓塔頂氣體的熱量在加熱低壓塔釜后仍有剩余，而原流程又不能改變主換熱器負荷，因而不能進一步利用這部分剩余熱量以提高節能效率。

改進的差壓熱耦合精餾流程如圖2所示。與原流程相比，在高壓塔釜出料口設置中間冷卻器，將物料冷卻到某一溫度后再進入低壓塔，使高壓塔頂氣體在經過主換熱器后直接可達到與原流程進塔時相同的狀態，直接進入高壓塔頂，從而省略后冷器。

圖2 改進的差壓熱耦合精餾（PSTCD）流程圖Fig．2 Flow diagram of improved PSTCD

設置中間冷卻器的目的在于，由于該物料在塔頂液相進料，有回流液的作用，可以降低該物料溫度，減少與塔內物料的換熱，促進塔內傳質；該流股溫度降低后，必將增加低壓塔釜再沸器負荷，也就增加了主換熱器換熱量，從而更多地利用了高壓塔頂氣體的熱量，耦合作用加強，相當于減少了外加冷卻器的負荷，節省了能量。此外，由于高壓塔釜液體出料接近泡點，若直接進入低壓塔內會較易氣化，從而加大壓縮機負荷，增加了能耗。將高壓塔液體出料冷卻后再引入低壓塔內，其氣化率會降低，也就減少了低壓塔頂氣相量，從而減小了壓縮機功率，降低了整個流程的能耗。

3 改進的差壓熱耦合精餾流程的模擬計算

3．1 模擬計算基礎

以甲基環戊烷與苯質量比為1的二元物系為進料，進料流量為2500kg／h、塔頂采用泡點回流時，可得到質量分數95%的甲基環戊烷產品，塔釜可得到質量分數95%的苯產品。以標準煤折算系數［9］作為能耗比較基準，即將所有能耗（包括壓縮機電耗、冷卻器冷卻水消耗）折算為標準煤消耗量計算節能效率。改進的差壓熱耦合精餾工藝的進料條件、產品信息及折算系數列于表1。

表1 改進的PSTCD工藝的進料條件、產品數據及標準煤（CE）折算系數Table 1 Basic data of feed condition，product and coal equivalent（CE）conversion coefficients for improved PSTCD

3．2 模擬結果與討論

根據上述分離條件，首先對以甲基環戊烷／苯二元物系為進料的傳統單塔精餾（CDiC）流程進行模擬，確定最優進料位置，得到能耗最低的優化傳統單塔精餾流程，然后以此為基礎，進行現有差壓熱耦合精餾（PSTCD）和改進差壓熱耦合精餾（Improved PSTCD）的模擬。表2列出了 CDiC、PSTCD與Improved PSTCD 3種流程分離甲基環戊烷／苯二元物系的操作條件。表3列出了PSTCD和Improved PSTCD流程的主要模擬結果。

根據模擬結果，使用表1中的標準煤折算系數，將2種差壓熱耦合精餾流程的標準煤能耗進行比較，得出了改進流程的節能效率，計算結果見表4。

表2 傳統單塔精餾（CDiC）、現有差壓熱耦合精餾（PSTCD）與改進差壓熱耦合精餾流程的操作參數Table 2 Operating parameters of（CDiC），PSTCD and improved PSTCD

表3 改進前后差壓熱耦合精餾的模擬結果Table 3 Simulation results of PSTCD before and after improved

表4 改進前后差壓熱耦合精餾流程的標準煤能耗Table 4 The ce energy consumption of PSTCD before and after improved

由表3和表4可知，使用改進的差壓熱耦合精餾流程后，由于中間冷卻器的引入，低壓塔需要的熱量增加，主換熱器的熱負荷增加，因而高壓塔頂熱量可以更多地被利用。原差壓熱耦合精餾流程的高壓塔頂熱量大于低壓塔釜加熱量，高壓塔頂氣體在主換熱器被加熱后，仍為氣、液兩相，故需要進一步后冷才能冷卻到泡點，然后回流并作為塔頂產品。改進流程由于引入中間冷卻器，高壓塔頂氣相在加熱低壓塔釜后剛好達到泡點，無需后冷，直接回流和產出塔頂產品。同時，由于熱量耦合程度增加，熱量利用更加充分，使高壓塔和低壓塔內氣、液負荷降低，低壓塔頂進入壓縮機氣體量減小，高壓塔釜進入低壓塔頂液體量也減少，降低了壓縮機和中間冷卻器負荷，從而進一步減少了能耗，提高了節能效率。模擬結果顯示，以甲基環戊烷／苯二元物系為例，相比原有差壓熱耦合精餾流程，改進的差壓熱耦合精餾具有更高的熱量耦合程度，節能效果更好，節能效率達3．50%。

3．3 改進的差壓熱耦合精餾流程過程能耗分析

3．3．1 中間冷卻器出口溫度對能耗的影響

式（1）為改進的差壓熱耦合精餾流程的體系熱量衡算式，為簡化計算，不包含產品冷卻器，各熱量以絕對值計。

式（1）中，QF、QD、QW分別為進料、高壓塔頂產品、低壓塔釜產品的熱量，kJ／h；QM、QC分別為中間冷卻器負荷和壓縮機做功，kJ／h。

為深入分析中間冷卻器負荷對差壓熱耦合精餾流程的影響，在改進的差壓熱耦合精餾流程的模擬中，對中間冷卻器負荷進行靈敏度分析，考察中間冷卻器出口溫度（TM）（等效于中間冷卻器負荷）對壓縮機功率（P）、中間冷卻器負荷（QM）、高壓塔頂氣體經過主換熱器后溫度（T1）、高壓塔頂所需冷凝量（QCON）以及低壓塔釜所需加熱量（QREB）的影響，模擬結果示于圖3。

圖3 改進的差壓熱耦合精餾流程中壓縮機功率（P）、中間冷卻器負荷（QM）、高壓塔頂氣體經過主換熱器后溫度（T1）、高壓塔頂所需冷凝量（QCON）以及低壓塔釜所需加熱量（QREB）隨中間冷卻器出口溫度（TM）的變化Fig．3 The compressor power（P），middle cooler duty（QM），temperature of HP top after main heat exchanger（T1），HP top condenser duty（QCON）and LP bottom reboiler duty（QREB ）vs middle cooler outlet temperature（TM）in improved PSTCD

由圖3可知，隨著TM的增加，QM逐漸減小，P逐漸增加，QREB逐漸下降，QCON逐漸上升，導致高壓塔頂氣體經過主換熱器換熱后剩余熱量逐漸增大，熱耦合程度減弱。當TM為55．2℃時，低壓塔釜再沸器加熱量與高壓塔頂冷凝器冷卻量恰好相等，主換熱器負荷最大，即熱耦合程度達到最大。若TM低于此溫度，則QCON減少，QREB增加，在維持泡點回流前提下，高壓塔頂氣體熱量不足以加熱低壓塔釜，需要外部加熱裝置，否則，只能以降低冷凝溫度、過冷回流為代價。換言之，在規定的操作條件下不能滿足低壓塔釜加熱要求；反之，則需要增加后冷裝置，正是傳統差壓熱耦合精餾的情況。當TM為55．2℃時，T1恰為71．82℃，即是高壓塔頂氣體的泡點；若TM降低，高壓塔頂氣體開始過冷，若TM升高，則高壓塔頂氣體開始出現氣、液兩相，這正與QCON和QREB的變化情況吻合。綜上所述，對于改進的差壓熱耦合精餾流程，TM＝55．2℃是高壓塔頂氣相和低壓塔釜實現完全熱耦合的唯一溫度。

綜上所述，對于改進的差壓熱耦合精餾流程，在給定的分離條件下，當進料條件和產品要求不變時，若滿足兩塔間熱量恰好完全耦合，即高壓塔頂氣體的熱量恰能在滿足低壓塔釜需要熱量后達到泡點而返塔，則中間冷卻器負荷有唯一確定的值。換言之，中間冷卻器負荷隨進料和產品變化而變化，從而使總能耗發生變化。

3．3．2 進料溫度對能耗的影響

圖4為改進的差壓熱耦合精餾流程中，主換熱器負荷（Q）與壓縮機功率（P）隨進料溫度（T）的變化。圖5為高壓塔釜液體在經過中間冷卻器后的出口溫度（TM）和中間冷卻器負荷（QM）隨進料溫度（T）的變化。由圖4和圖5可知，在改進的差壓熱耦合精餾流程中，當T發生變化時，低壓塔釜需熱量減少，通過調節QM，使整個系統達到之前的操作條件，塔內溫度、壓力、氣液流率、回流條件皆不變，故此P與Q基本不變，熱耦合量不變，只是QM增加，高壓塔釜液體進入低壓塔溫度降低。圖5中T為102．66℃時，為進料泡點，大于此溫度，進料即出現氣相，由于其相變焓遠大于顯熱，故此帶入低壓塔內熱量劇增，QM也隨之劇增。

圖4 改進的差壓熱耦合流程中主換熱器負荷（Q）與壓縮機功率（P）隨進料溫度（T）的變化Fig．4 The main exchanger duty（Q）and compressor power（P）vs feed temperature（T）in the improved PSTCD

圖5 改進的差壓熱耦合流程中中間冷卻器負荷（QM）及出口溫度（TM）隨進料溫度（T）的變化Fig．5 The middle cooler duty（QM）and output temperature（TM）vs feed temperature（T）in the improved PSTCD

綜上所述，對于改進的差壓熱耦合精餾流程，T升高會使QM加大，從而使總能耗增加。根據熱量衡算式（1），當T改變時，因為QC、QD、QW均不變，故中間冷卻器能耗變化量在數值上等于進料中熱焓變化量（即｜△QM｜＝｜△QF｜）。由此，在保證除進料溫度外的進料和產品條件以及其他操作條件不變情況下，進料溫度變化引起的系統總能耗變化△QT由式（2）表示。

4 差壓熱耦合精餾的通用流程

在給定分離條件下，改進的熱耦合精餾流程具有唯一固定的中間冷卻器負荷和壓縮機功率。差壓熱耦合精餾的通用流程如圖6所示。圖6中，輔助再沸器和輔助冷凝器用來調節熱量的剩余與不足，中間冷卻器為關鍵單元，通過調節其冷卻負荷可以調節整個流程的操作情況。

以中間冷卻器的調節為基礎，差壓熱耦合精餾的通用流程可以分為3種運行情況。

（1）當中間冷卻器熱負荷｜QM｜為某一值QM0（本例中，QM0＝0．4449×106kJ／h），使QREB＝QCON時，則輔助再沸器和輔助冷凝器的負荷皆為0，此時即為筆者所提出的改進的差壓熱耦合精餾流程，熱耦合程度最大，節能效率最高。

圖6 差壓熱耦合精餾的通用流程Fig．6 General flow diagram of PSTCD

（2）減小中間冷卻器負荷，使得｜QM｜下降，則低壓塔釜再沸器需熱量下降，此時QCON＞QREB，高壓塔頂氣體熱量經過主換熱器后出現剩余，輔助冷凝器負荷逐漸增加，熱耦合量也逐漸減小。隨著中間冷卻器負荷減小至0，輔助冷凝器負荷達到最大，輔助再沸器負荷一直為0，此時即為傳統差壓熱耦合精餾流程。

（3）在QM0的基礎上增加｜QM｜的值，則低壓塔釜再沸器所需熱量上升，使得QREB＞QCON，此時高壓塔頂氣體熱量不足以加熱低壓塔釜，兩塔間熱耦合量減少，需要輔助再沸器提供熱量，此為第3種情況。

5 結 論

（1）以甲基環戊烷／苯二元物系為例，在給定的分離條件下對改進前后的差壓熱耦合精餾流程進行模擬，采用標準煤折算方法對其總能耗進行比較，結果顯示改進流程節能效果比原差壓熱耦合流程更好，節能效率達3．50%。

（2）通過對改進流程的熱量衡算，明確其總能耗的影響因素，并得到了進料溫度變化時其總能耗變化的計算公式。

（3）提出了通用的差壓熱耦合精餾流程，通過設置輔助再沸器、輔助冷凝器和中間冷卻器可將差壓熱耦合精餾分為3種可能的典型操作狀態。

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