淺析熱泵精餾技術在碳五混合烷烴分離過程中的應用

夏永偉

摘要：隨著社會的發展，人們對于生活質量要求越來越高，而清潔能源和可再生能源成為了我們關注的重點。近年來我國大力開展節能減排活動。傳統精餾技術存在著能耗高，能源利用率低等缺點。由于能源緊缺，環境問題日趨嚴重，節能減排成為國家發展的重點。

關鍵詞：熱泵精餾技術;碳五混合烷烴;分離過程;

近幾年來，中國的煉化一體化、煤炭制烯烴技術得到了迅速發展，乙烯產量不斷增加，同時也產生了大量的碳五雜環烷烴。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。在工業生產中，碳五餾分中的烷烴通常是通過連續蒸餾來分離，從而獲得高純度的異戊烷、正戊烷和環戊烷。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℃，被分離物質的沸點相近，在低壓下使用冷凝劑”，可以選用熱泵蒸餾技術。采用熱泵蒸餾技術，可以將蒸餾塔內的蒸汽熱直接用于對塔內物料進行加熱，從而實現對塔內物料的有效補充和損耗。

一、碳五混合烷烴分離模擬條件

（一）設計基礎數據

本設計原料的基礎數據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、常規精餾技術模擬

（一）模擬流程

采用常規連續精餾技術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過脫環戊烷塔（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、異戊烷和環戊烷的分離精度滿足純度大于99.00%（質量分數）的分離要求。

（二）常規精餾技術模擬結果

常規精餾技術模擬思路：根據分離要求，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模塊進行嚴格計算，最后采用靈敏度分析優化操作參數。圖1中各精餾塔簡捷計算及優化模擬結果如表3所示。由表3可知，各精餾塔經過優化后，環戊烷、正戊烷和異戊烷的純度（質量分數）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效率至關重要。因此對于傳統工藝中運用較少且復雜的分離技術難以實現。但是隨著科技發展迅速、經濟效益好以及節能減排等方面不斷被發現和改進后得到了優化與升級改造后才能獲得新產品或具有更高性能指標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的快速成長，為國家創造更多財富價值。在精餾塔中，有很多操作參數，如：溫度、壓力、效率等。這些工藝參數都對混合物的分離效果產生了很大影響。例如對于泡菜的選擇應當選擇適合于高濃度低揮發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漏液現象;此外還包括泵型設計與控制技術等等，在精餾塔中使用合適操作條件能夠使其更好地發揮作用，從而提高生產效率、減少能源消耗。在我國石油行業中，對油水混合后需要得到高效的精餾工藝，而對于分離技術要求較高。因此就目前而言國內研究人員都傾向于使用傳統塔來進行精餾操作。

（二）流程模擬與裝置的過程

（1）流程模擬將整個系統中的所有設備按照工藝順序進行串聯布置，并在每個過程設置控制點，通過對各參數設置，形成一個完整而又邏輯清晰的系統。該方法是根據實際需要來設計和優化流程。它可以用于工業生產。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雜情況下所需設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布置，并在每個過程中設置控制點，通過對該控制點的建立，將其與其他裝置進行串聯布置。（2）流程圖模擬主要是利用各種閥門及連接器等設備來實現工藝參數和壓力流量之間的關系分析、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，提高生產效率。熱泵精餾塔是一種連續操作過程。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;而對于輕物質則要采用特殊處理設備來實現脫除或過濾等流程后再排放到大氣環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得到優化，提高生產效率降低能耗、延長其使用壽命。目前，我國使用的干法精餾技術主要是采用干式泵循環方式進行分離和輸送。其優點為：可以實現連續操作、設備投資少;可實現塔釜溫度控制。但是，目前我國對于石油、天然氣等高耗能的化工生產，仍然采用干式泵循環方式進行精餾。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。這種方法不僅效率低而且對設備腐蝕性大而不能達到節能目的且不適合國內應用，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。

（二）混餾塔的優化

由于工藝條件的限制，目前國內應用較多的是混餾塔。對于不同類型的混合器其優缺點也存在差異。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：當氣相線重合度>0.01時得到最佳參數組合順序表;而如果是直鏈烷烴則應根據此設計選擇相應的塔式結構，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避免出現同向分離情況。4、為了降低壓降和提高產品質量以及減少能耗等方面采用了連續回流流程（即一段串聯精餾過程）;5、在混料塔內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，進行循環泵的操作。

五、熱泵精餾系統設計

（一）熱泵精餾技術原理

熱泵的精餾過程是利用冷凝液和蒸汽作為能量傳遞介質，將氣相中的液體加熱到飽和狀態，液態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壓縮機。該設備具有較高效率、節能環保等特點;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用和推廣。熱泵精餾技術是一種新型高效節能的工藝設備。它以高壓蒸汽作為能量傳遞介質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，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;當壓力低于某一值時便成為冷凝水，該過程繼續進行。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節其濃度以獲得所需分離質量。

（二）熱泵精餾控制系統

隨著我國能源危機的加劇，人們開始關注并重視了石油行業，在這種情況下熱泵技術應運而生。目前國內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、冷凝后得到混合物純度高的工藝設備，該操作具有節能環保等優勢;另外還可以節約能源提高經濟效益，該操作也是一種節能環保的工藝設備。精餾塔在國內已廣泛應用于工業生產中，但由于其分離效果差，所以還需要進一步優化改造和完善。

結語：

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。它直接影響到后續操作人員和設備是否安全可靠。因此我們必須要加強對工藝流程及生產裝置進行改進與創新，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經濟效益最大化等目標。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精餾技術和熱泵精餾技術的能耗情況如表 3所示， 兩種精餾技術冷凝器能耗、 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：相比于常規精餾技術，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，可節省冷能耗 42.47%、熱能耗 53.21%、總能耗降低了 47.91%， 節能效果較為顯著。

參考文獻：

[1]汪文健，孟園，孫國江，等.熱泵精餾技術在碳五混合烷烴分離過程中的應用[J].遼寧化工，2022，51（1）：89-91，95.

[2]胡麗春，張璐陽.蒸汽壓縮式熱泵精餾技術探討[J].煉油與化工，2014（2）：9-10，11.

[3]新疆工程學院.碳五烷烴混合物的分離方法及裝置：CN202011019768. 5[P].2021-01-05.