熱泵精餾應用于異丁烷精餾過程的節能改造

唐超，胡存，陳亞中，吳越峰，崔鵬（合肥工業大學化工學院，安徽合肥30009；東華科技股份有限公司，安徽合肥30009）

熱泵精餾應用于異丁烷精餾過程的節能改造

唐超1，胡存2，陳亞中1，吳越峰2，崔鵬1
（1合肥工業大學化工學院，安徽合肥230009；2東華科技股份有限公司，安徽合肥230009）

第一作者：唐超（1987—），男，碩士，研究方向為化工優化與設計。E-mail chao_tang_tc@163.com。

聯系人：陳亞中，博士后，副教授，研究方向為化工過程傳質分離、催化科學與技術。E-mail chenyazhong@hfut.edu.cn。

摘要：異丁烷資源豐富，但工業利用率低，造成資源未得到合理利用。本文首先分析了C3和C4混合物分離體系的特點，建立異丁烷精餾常規工藝流程，并對其進行模擬計算。模擬結果表明：塔釜蒸汽消耗量較大，造成能耗過高。目前，解決精餾過程能耗過高的處理方式集中在工藝參數的優化，在精餾方式上卻少有報道。為了解決這一問題，本文提出了采取熱泵精餾技術進行節能改造，并建立了異丁烷精餾的熱泵精餾新工藝。通過模擬計算且對結果進行深入分析，得出當塔頂/塔釜壓力分別為7×105Pa和7.5×105Pa、循環工質流量3055.13kmol/h、壓縮機壓縮比為2.286條件下滿足分離要求，且能耗較低。分析熱力學效率與經濟性并與常規流程進行對比，結果表明：熱泵精餾新工藝節能效果極佳，由常規精餾的68.16GJ/h降低為熱泵精餾的45.87GJ/h；熱泵精餾新工藝適用于該體系且更加節能、環保。

關鍵詞：分離；優化設計；蒸餾；異丁烷；熱泵精餾；節能

異丁烷是生產異丁烯的重要化工原料，異丁烯的應用范圍非常廣泛[1]。我國異丁烷資源豐富，廣泛存在于催化裂化石油氣和其他C4餾分中，國內大部分作為民用液化石油氣燃料，化工利用率低，其他用途的用量約占總量的5%～10%[2]。

異丁烷來源普遍采用C4組分的精餾。然而在化工單元流程中，精餾是公認的能耗大戶，它所消耗的能量差不多是整個國家的百分之三。因此，對精餾過程的節能分析顯得尤為重要。傳統的精餾方式熱力學效率較低，能耗較大。

熱泵精餾是以消耗機械功為代價，把低溫熱能溫度提高到可以被利用的程度。由于其所獲得的可以被利用的熱量超過系統輸入的機械功，因此，其節能的效果也較好。

Jana[3]以能源需求和環保節能為背景，綜述了熱泵精餾技術（HPAD）的原理及其在化工分離過程中的應用和前景展望，指出熱泵技術取消了傳統精餾的塔頂冷凝器與塔底再沸器，節約了相應的公用工程消耗，并對HPAD方案最新發展的熱集成進行了展望。

Diez等[4]將熱泵精餾技術應用于三氯氫硅的提純中，對傳統精餾塔進行了部分改進。結果表明，雖然相對于常規精餾設備的投資費用增加了，但是每年卻節約了29%的能耗，證明熱泵技術的使用可以代替傳統精餾塔。

丙烷-丙烯系統由于兩者沸點非常接近，工業上對兩者的分離一直以來能耗都較高。Alantara-Avila 等[5]將熱泵精餾技術用于丙烷-丙烯精餾塔的優化設計中，并進行簡化精餾結構的熱集成。研究表明，應用熱泵技術的精餾系統和通過熱集成優化后的熱泵系統分別節能64.4%和75%。

Modla等[6]將蒸汽再壓縮式熱泵精餾用于甲苯-正庚烷間歇精餾體系，并對熱泵系統進行改進，系統研究了各方案的投資回收時間，發現相對于常規間歇精餾和一般熱泵系統來說，通過施加外部換熱器的熱泵精餾方案投資回收時間最少（大約為7年），并且隨著再沸器尺寸的增加，回收時間減小。

分析工藝體系的特點，將熱泵精餾技術中的塔頂蒸汽直接壓縮式應用于異丁烷精餾工藝。以節能效果與經濟性為指標，將常規精餾與熱泵精餾進行對比，表明熱泵精餾的可行性，開發出了針對異丁烷精餾的熱泵技術新工藝。

1　常規精餾工藝流程

1.1常規精餾工藝流程圖

圖1為異丁烷常規精餾的工藝流程圖。在常規精餾中，異丁烷精餾塔分離要求較高，通過提高回流比的方式來滿足工藝條件，因此造成了塔釜的蒸汽消耗量較大、能耗過高。

圖1　常規精餾過程工藝流程圖

1.2進料組成以及分離要求

常規精餾要求異丁烷精制塔塔頂異丁烷純度為98%（質量分數）左右，其進料組成見表1。

表1　主要組分的質量分數

1.3常規精餾模擬結果

根據C4分離的實際運行數據，并結合本項目的物料組成特點，進行常規精餾的ASPEN模擬。常規精餾采用三塔聯合方式，模擬結果表明精餾主塔理論塔板數為93塊，3股進料位置分別在第24、第28、第46塊塔板，操作壓力為0.7MPa，回流比為7，塔頂冷凝器和塔釜再沸器采用的公用工程分別為常溫下的循環水以及0.5MPa低壓蒸汽。其中塔頂溫度為53℃，塔底溫度為61℃，塔頂熱負荷為?14745.9kW，塔底熱負荷為16461.49kW。

2　熱泵工藝流程的分析與研究

2.1熱泵精餾可行性分析

分析常規精餾可知，異丁烷精餾主塔塔頂、塔底溫差相對較??；分離物系沸點相差較??；塔釜蒸汽耗量較大，完全可以通過采用熱泵精餾方式來降低能耗達到經濟性[7]。

2.2熱泵流程的選型

根據工質來源的不同，熱泵精餾可以分為兩類：一是以塔內物質為循環工質的直接式熱泵精餾；二是以外來物質為循環工質的間接式熱泵精餾[8]。綜合分析分離物系的性質以及開式、閉式熱泵精餾的特點，改進工藝采用的是塔頂氣相直接壓縮式熱泵精餾。具體工藝流程見圖2。

圖2　熱泵精餾過程工藝流程圖

異丁烷精餾塔塔頂壓力為0.7MPa，塔頂氣相采出后，作為循環工質直接進入壓縮機，壓力提高到1.4MPa。壓縮后的循環工質作為熱源進入塔釜的換熱器中，換熱過后溫度下降到81℃。而后進入水冷器進一步冷卻至51℃，此時循環工質全部液化。此液態循環工質經分流器分成兩股，一股作為回流，另一股作為塔頂產品采出。塔釜物料部分采出，剩余部分經換熱器部分汽化返回塔釜。

相比于常規精餾，熱泵精餾采用一個換熱器代替了塔頂冷凝器與塔底的再沸器，而且對塔頂的低品位熱能進行了升級利用，節省了冷凝水與蒸汽用量，大大提高了熱力學效率。

2.3熱泵流程的優化分析

分析熱泵精餾流程可知，對于塔頂蒸汽壓縮式熱泵，有以下兩個方面的影響因素決定著精餾塔的分離效果以及過程能耗。

2.3.1循環工質流量的影響

塔頂蒸汽壓縮式熱泵精餾取消了塔頂的冷凝器，因此塔頂的回流必須從循環工質中分離出來。然而產品流量固定不變，故回流量的大小由循環工質返塔量決定，回流量對于精餾過程分離效果以及能耗起重要的作用。

表2　循環流量對溫差的影響

由表2可知，循環工質流量對提供給塔釜的熱量產生影響，決定了冷熱物流的進出口溫度，進而對換熱器的對數平均溫差產生影響。對數平均溫差越小，傳熱推動力越小，換熱器換熱面積越大。由圖3和圖4可以看出，隨著循環工質流量的增加，產品純度增大；同時，壓縮機的功耗逐漸增大，換熱器熱負荷急劇增加。因此，循環工質的流量由以上幾方面共同決定。對以上各因素進行優化處理，得出循環工質流量3055.13kmol/h為滿足分離要求下的最低能耗選擇。

圖3　循環流量對產品純度影響

圖4　循環流量對能耗的影響

2.3.2壓縮比的影響

壓縮比指的是壓縮機進出口壓力的比值。對于熱泵系統來說，循環工質被壓縮的壓力大小決定著再沸器中熱量交換的多少，影響整個系統的熱量平衡。利用流程模擬工具ASPEN Plus將壓縮機的氣相壓縮比與壓縮機的功耗、氣相的冷凝放熱量進行對比，結果如圖5所示，表明壓縮機的壓縮比對氣相冷凝放熱量變化不大，但是隨著壓縮比的增大壓縮機的功耗顯著增加，因此綜合功耗與分離效果考慮，選擇壓縮比為2.286。

圖5　不同壓縮比下放熱曲線

2.4熱泵精餾與常規精餾熱力學效率和經濟性分析

2.4.1熱力學分析

熱泵精餾與常規精餾模擬結果對比見表3。

對兩種工藝方案精餾塔的溫度以及每塊塔板上的分離情況進行分析，得出熱泵精餾與常規精餾塔內氣液相分布、溫度分布見圖6、圖7。從表3中數據可以看出，兩種精餾方式塔頂、塔釜含量有所差別，這是因為與常規精餾不同，熱泵精餾采用換熱器代替塔釜的再沸器，利用被壓縮后溫度上升的循環工質進行換熱，因此返回塔釜的循環蒸汽溫度由循環工質流量和被壓縮后溫度決定與常規精餾塔稍有差別，造成塔釜溫度較之常規精餾有所降低。溫度不同，對氣液平衡產生不同影響。圖中數據較為直觀地反應了精餾塔內每塊塔板上的溫度分布以及分離情況與常規精餾較為吻合，充分證明了熱泵系統能夠較好的應用于該分離體系。

2.4.2能耗分析對比

塔頂壓縮式熱泵精餾采用一個換熱器代替塔頂冷凝器和塔釜再沸器的形式，所以將冷卻水和加熱蒸汽的能耗轉變為壓縮機的電力消耗。按照工業上能源的價格冷卻水為0.4元/t、0.5MPa（G）蒸汽為110元/t、電費按照0.6元/(kW?h)進行估算，所得兩者的能耗費用對比見表4。從表4中結果可以看出，采用熱泵精餾比常規精餾節省165.4元/h。根據石油化工計算能耗標準[9]中將循環水的能量折算值規定為4.19MJ/t，中壓蒸汽為3014MJ/t，電為10.89MJ/(kW?h)，將其轉化為能耗結果為常規精餾68.16GJ/h，熱泵精餾47.43GJ/h，能耗節省32.7%。

表3　常規精餾與熱泵精餾操作參數對比

圖6　塔內異丁烷分布圖

圖7　塔內溫度分布

表4　常規精餾與熱泵精餾能耗對比

2.4.3設備投資對比

相對于常規精餾，塔頂壓縮式熱泵精餾增加了一套熱泵系統，取消了塔頂的冷凝器。對精餾操作過程進行熱量衡算，見式（1）。

式中，hF、hW、hD分別為進料、塔頂和塔底的焓值；W為壓縮機功耗；Q為熱量。

在全回流操作時，認為全塔無熱損失，則必須從塔內移走熱量Q才能與壓縮機加入系統的功耗平衡[10]。因此，設計水冷器移走部分熱量也是必然的。

與常規精餾相比，熱泵精餾增加了壓縮機，由于利用塔頂循環工質為塔釜加熱，相對于水蒸氣來說，總的傳熱系數降低了，因此需要對再沸器和冷凝器進行改造，可通過增加傳熱面積的方式。采用換熱器核算軟件HTFS+進行換熱器的計算表明相對于常規精餾重量增加將近一倍。由表5中結果可知，熱泵精餾增加了設備投資125萬元，相對于每年節省的能耗費用短期內就將收回設備成本的投資。

3　結論

（1）利用熱泵精餾原理對幾種熱泵流程類型進行深入分析，將其應用與異丁烷體系中對異丁烷常規精餾進行節能改造，結果表明塔頂氣相再壓縮式熱泵精餾較好地適用于異丁烷精餾新工藝。

表5　常規精餾與熱泵精餾設備投資對比

（2）分析工藝流程，通過循環工質以及壓縮比對該熱泵精餾體系進行優化，在保證產品純度的基礎上降低能耗。

（3）在相同的工藝操作參數前提下，相對于常規精餾，熱泵精餾熱力學效率較高使得能耗降低，對其進行經濟核算，全年可帶來132.32萬元的能耗節省費用，經濟效益較為顯著。

參考文獻

[1]李玉芳，崔小明.異丁烯的生產及其下游產品開發（一）[J].化工中間體，2003（16）：9-14.

[2]張潔，周明明，李春義，等.異丁烷脫氫裂解制低碳烯烴[J].石油煉制與化工，2013，44（5）：14-18.

[3] Jana Amiya K.Advances in heat pump assisted distillation column：A review[J].Energy Conversion and Management，2014，77：287-297.

[4] Diez Eduardo，Rodriguez Araceli，Gomez Jose Ma，et al.Distillation assisted heat pump in a trichlorosilane purification process[J].Chemical Engineering and Processing，2013，69：70-76.

[5] Alcantara-Avila J Rafel，Gomez-Castro Fernando I，Segovia-Hernandez J Gabriel，et al.Optimal design of cryogenic distillation columns with side heat pumps for the propylene/propane separation[J].Chemical Engineering and Processing，2014，82：112-122.

[6] Modla G，Lang P.Heat pump systems with mechanical compression for batch distillation[J].Energy，2013，62：403-417.

[7]李大偉，賈小平，項曙光，等.熱泵精餾流程構建策略及應用研究[J].計算機與應用化學，2007，24（11）：1505-1510.

[8]高維平，楊瑩，吉波，等.化工精餾高效節能技術開發及應用[J].吉林化工學院學報，2008，25（3）：1-5.

[9]中國石油化工集團公司.GB/T 50441—2007石油化工設計能耗計算標準[S].北京：中國計劃出版社，2007.

[10]王樹楹，楊志才，余國琮，等.塔頂蒸汽直接壓縮式熱泵精餾的研究[J].化學工程，1984（1）：79-84.

Energy-saving in isobutane distillation of heat pump distillation application

TANG Chao1，HU Cun2，CHEN Yazhong1，WU Yuefeng2，CUI Peng1
（1School of Chemical Engineering and Technology，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China；2East China Engineering Science and Technology Co.，Ltd.，Hefei 230009，Anhui，China）

Abstract：As an abundant resource，isobutane has relatively low industrial utilization and reuse.A conventional process was capable of separating isobutane from a mixture of this compound with C3and C4；however，large energy consumption was needed due to high purity requirements..The current treatment of distillation process is limited to optimizing process parameters，but the heat pump is rarely reported.To solve this problem，this research a designed and optimized the distillation procedure to minimize the energy consumption in the isobutene/ n-butane separation.The simulated results of the process showed that the optimal energy-efficient was obtained at 7×105Pa at the top and 7.5×105Pa at the bottom，the circle working flow of 3055.13kmol/h and the compression ratio of 2.286.A thermodynamic analysis for the heat pump system was performed，and compared with conventional process.The results suggested that the new process was able to decrease the energy consumption from 68.16GJ/h to 45.87GJ/h.The proposed heat pump technology could be used as an energy-saving and green technology.

Key words：separation；optimal design；distillation；isobutane；heat pump distillation；energy saving

收稿日期：2014-07-15；

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.02.045

文章編號：1000–6613（2015）02–0581–05

文獻標志碼：A

中圖分類號：TQ 028

修改稿日期：2014-09-06。