基于MVR热泵精馏的粗甘油脱水提纯工艺模拟研究

阮宗琳，杨秀娜，姜 阳，齐慧敏



基于MVR热泵精馏的粗甘油脱水提纯工艺模拟研究

阮宗琳，杨秀娜，姜 阳，齐慧敏

（中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 113001）

利用Aspen Plus流程模拟软件，选用NRTL-RK 物性模型和精馏模型格及压缩机模块对粗甘油脱水过程进行了模拟计算，分别计算了塔顶汽相出料直接压缩热泵精馏、塔底产物闪蒸压缩热泵精馏以及常规精馏，结果表明：对于粗甘油脱水提出过程来说，在相同的原料处理量、产品质量、操作压力及回流比、产品纯度（≥99%）时，两种热泵精馏工艺均比常规精馏工艺的能耗有所降低，分别节能56.5%和54.5%，总能耗（标油/吨产品）比常规精馏工艺分别节能58.75%和56.67%，具有十分显著的节能效果。

甘油；MVR热泵精馏；节能；Aspen Plus

精馏是分离的重要手段之一，据统计，化工过程中40％～70％的能耗用于分离，而在分离中用于精馏过程的能耗占95％[1～4]，因此精馏单元的节能降耗十分重要。粗甘油为酯交换生产生物柴油的副产品，由于其中含有一定的水份等杂质，不能作为工业原料直接供给食品、药品、化妆品和烟草等行业，需要进一步精馏提纯。现有的粗甘油脱水提纯工艺中，由于甘油的沸点较高（常压沸点290 ℃），且与水的沸点差较大，因此粗甘油脱水一般采用减压蒸馏的方式，得到的甘油成本较高，使得一般的中小型生物柴油生产厂家无法承受；此外，由于粗甘油提纯成本高而供应过剩，价格较低，而纯甘油（≥99%）供应不足，价格较高。因此，如何通过先进的精馏工艺降低粗甘油提纯的能耗成本，对于生物柴油产业可持续发展具有重要意义。

机械蒸汽再压缩技术（MVR）[5～8]是重新利用蒸发过程产生的二次蒸汽的冷凝潜热，作为塔底的加热热源，从而减少过程外界能源的节能技术，也称为热泵技术，已列入“国家重点节能技术推广目录”（国家发展改革委2010年33号公告），成为石化工业、食品工业、盐业等各类行业大力推广使用的节能减排技术。本文以粗甘油为研究对象，采用Aspen Plus 化工流程模拟软件，模拟了常规精馏工艺与MVR 热泵精馏工艺，从能耗利用、损失和节能等方面对两种工艺进行了对比分析，以期为生物柴油生产工艺中的粗甘油提纯工艺提供一条能耗低、经济效益明显的工艺路线。

1 机械蒸汽再压缩（MVR）节能技术

机械蒸汽再压缩（MVR）技术最早是由Robinson 和Gilliland[9]在20世纪50年代由提出的。MVR工艺主要由精馏塔（蒸发器）和压缩机构成，精馏塔顶蒸汽产品直接进入压缩机压缩，提高塔顶产品的温度，然后为精馏塔底再沸器提供热源。

常用的MVR热泵精馏有两种类型[10～13]：一种是塔顶气体直接压缩式的热泵精馏，工作原理为精馏塔顶气相产品直接进入压缩机，升温升压后的塔顶气相产品作为再沸器的热源，冷凝后作为塔顶产品和回流。该工艺充分利用了塔顶蒸汽的冷凝潜热，降低了塔底再沸器的热源及塔顶冷却水量。另一种是塔釜液体闪蒸热泵精馏，是以塔釜液体作为工质，一部分作为塔底产品采出，其余部分经过节流闪蒸降温降压后，自身温度降低，闪蒸出来的低温气体作为塔顶馏出物的冷却介质，再经过压缩升温升压后返回塔釜作为塔底热源，该工艺充分利用了塔底物料的显热，把塔底显热转化为潜热，同样可以省掉大量的蒸汽或导热油热源及部分塔顶冷却水，达到节能效果。

2 MVR 热泵精馏工艺

2.1 常规甘油提纯精馏工艺模拟

粗甘油的处理量为1 t/h，其中水含量为32.5% (wt)，进料温度为50 ℃，要求得到的甘油产品纯度≥99%；塔顶采用循环冷却水冷却，塔底采用350 ℃导热油加热。

选用等板高度为0.26 m[14]的规整填料，进行不同操作压力条件下的模拟计算。工艺流程见图1，模拟结果见表1。

图1 常规甘油脱水工艺流程图

1-粗甘油；2-精馏塔；3-冷凝器；4-回流罐；5-水；6-再沸器；7-精制甘油

表1 常规甘油脱水精馏工艺模拟结果

在图1所示的甘油脱水工艺流程中，由于甘油（沸点290.9 ℃）与水的沸点差较大，因此为了使甘油脱水塔底温度较低，需要负压操作，且真空度越高，甘油-水体系的相对挥发度越大，二者分离过程所需的外加热源和冷源越小，但缺点是真空系统耗能高、设备庞大，相应的甘油脱水塔径增大，虽然减少了能耗费用，但设备投资费用也增加，因此在选择操作压力或真空度时需要综合考虑能耗和设备费用，且真空度不宜过高；由表1 可以看出，塔顶操作压力在30～70 kPa（abs）范围内，甘油-水体系的相对挥发度与真空度成正比。回流比降低，能耗包括冷凝器和再沸器负荷也逐渐降低。

2.2 塔顶气直接压缩的甘油提纯精馏工艺模拟

塔顶气直接压缩的甘油脱水精馏塔工艺流程见图2，是精馏塔顶蒸汽直接进入压缩机进行压缩后，形成高温高压蒸汽，以此蒸汽作为塔釜再沸器热源，然后再经过塔顶冷凝器进一步降温后，部分作为塔顶回流，部分作为轻组分采出。塔底产品的产品纯度目标设定为99%，改变塔顶操作压力和压缩比，塔底再沸器热负荷由塔顶气相压缩物流提供，工艺流程见图2，模拟结果见表2。

1-粗甘油；2-精馏塔；3-压缩机；4-再沸器；5-冷却器；6-水分；7-精制甘油

表2 塔顶气体直接压缩式热泵精馏工艺模拟结果

从表2可以看出，随着塔真空度的提高，体系相对挥发度增大，与常规甘油提纯精馏结果相似，塔底蒸发量减小，塔底再沸器负荷降低，导致压缩机进汽量减少，压缩机功耗降低；在塔顶真空度较高的30 kPa(abs)时， 由于塔底所需的精馏温度低，压缩机的压缩比低，使得经过压缩机的塔顶气在完成塔底供热后余热量较少，经与原料换热后所剩的余热减少，因此需要的冷却水减少；而在塔顶真空度较低的70 kPa时，塔底所需的精馏温度高，压缩机的压缩比大，经过压缩机后余热量较大，经与原料换热后剩余热量多，因此需要的冷却水量大。

2.3 塔底液相闪蒸压缩热泵精馏工艺模拟

塔底液相闪蒸压缩热泵精馏工艺流程见图3，塔底液体出料中的一部分经节流闪蒸降温降压后，与塔顶汽相产品换热，吸热蒸发为汽体，再经压缩机压缩升温升压后作为塔釜再沸器热源；塔顶汽相产品被冷凝，部分回流，部分出装置。工艺流程见图3，模拟结果见表3。

图3 塔底液相闪蒸压缩供热热泵精馏流程图

Fig.3The process flow diagram of tower bottom liquid flash compression heat pump distillation

1- 粗甘油；2-精馏塔；3-节流阀；4-换热器；5-冷却器；6-压缩机；7-精制甘油

表3 塔底液相闪蒸压缩热泵精馏工艺模拟结果

在图3所示的工艺流程中，压缩后的温度与塔底温度差需≥10 ℃，以满足换热温差；压缩机出口压力略高于塔底压力，以保证塔釜料液经节流换热压缩后的汽相仍能返回塔底。由表3可以看出，在不同的真空度30～70 kPa（abs）范围内，冷凝器、再沸器负荷以及压缩机功耗随真空度的提高而有所下降，这主要是由于体系挥发度提高，塔底蒸发量减小，降低了塔的汽液操作负荷，导致压缩机进汽量的下降，塔底再沸器负荷降低，压缩机进汽量减少，压缩机功耗降低。

3 不同精馏工艺的能耗比较

对三种不同精馏工艺的能耗进行了汇总比较，结果见表4和表5。

表4 常规精馏与热泵精馏主要操作参数的能耗对比

Table 2 energy consumption comparison among the conventional distillation process and two kinds of heat pump distillation process

表5 不同操作压力下的能耗比较

Table 2 Energy consumption comparison of different distillation process under different operation pressure

从表4可以看出，在工艺条件相同的条件下，两种热泵精馏工艺比常规精馏工艺的能耗分别降低56.5%和54.5%。由此可见，两种热泵精馏的节能效果几乎相当，均具有显著的节能效果。从表5可以看出，随着操作压力的降低，三种工艺过程有着同样的能耗变化趋势，即均明显下降，在相同的操作压力下，两种热泵精馏工艺的吨产品能耗均分别比常规精馏工艺降低58.75%和56.67%。主要原因在于在传统的精馏系统中，塔内的气、液回流均是通过消耗外部能量实现的，因而能耗较高。而热泵精馏则是利用少量电能及机械能等高品位能转换为较多量的位能、热量或冷量等低品位能量，并补充到精馏过程。

精馏过程是一个需要在低温位处释放热量，在高温位处获得热量的过程；而热泵的工作原理则是用少量的高品位能量（电能、核能、机械能等），获得较多低品位的能量（一般指热量）。实现低能耗精馏过程。

对于粗甘油提纯过程而言，在相同的塔顶操作压力下，要想达到最佳的节能效果，压缩后的温度与塔底温度差的选择以及压缩机功耗与塔的热量匹配为节能的重要环节。

4 结 论

（1）利用Aspen Plus流程模拟软件，选用NRTL-RK 物性方法和精馏模型格及压缩机模块对粗甘油脱水提纯过程进行了模拟研究，分别计算了常规精馏工艺、塔顶蒸汽直接压缩和塔底液相闪蒸压缩三种精馏过程，并进行了能耗比较。

（2）对于粗甘油脱水提纯过程来说，在操作条件相同的条件下，两种热泵精馏工艺均比常规精馏工艺的总能耗分别降低56.5%和54.5%（标油/吨产品），具有节能效果十分明显。

（3）在模拟计算与优化过程中，压缩后的温度与塔底温度差的选择以及压缩机功耗与塔的热量合理匹配，对于实现进一步节能降耗尤为关键。

参考文献：

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［14］ 俞晓梅，袁孝竞，等 .塔器[M]. 北京：化学工业出版社，2010.

Simulation of Glycerol Purification Process Based on MVR Heat-pump Distillation

（Fushun Petrochemical Research Institute, Sinopec , Fushun Liaoning,113001，China）

Based on Aspen Plus with the NRTL-RK equation, Radfrac. module and Compr. module, simulation of glycerol purification process was carried out. The differences between the conventional distillation process and two kinds of heat pump distillation processes were compared. The two kinds of heat pump distillation processes were the top steam direct compression and the tower bottom liquid phase flash compression. The results show that,for the glycerol purification process, under the same condition of processing capacity, product quality, operating pressure, reflux ratio and product purity (no less than 99%), the two MVR heat-pump distillation processes can save respectively energy by 56.5% and 54.5% than the conventional distillation process. The total energy consumption (standard oil / ton of product) of the two kinds of heat pump distillation processes can be saved as much as 58.75% and 56.67% respectively, reflecting significant energy saving effect.

glycerol; MVR heat-pump distillation; energy saving; Aspen Plus

TQ 028

A

1671-0460（2016）09-2130-04

2016-07-18

阮宗琳（1979-），女，辽宁抚顺市人，工程师，硕士，2008年毕业中国石油大学（北京），研究方向：，从事炼油及化工工程技术研究开发工作。E-mail：ruanzonglin.fshy@sinopec.com，电话：024-56389685。