探讨甲醇热泵精馏新工艺

刘立轩（东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024）

探讨甲醇热泵精馏新工艺

刘立轩（东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024）

甲醇的精馏过程是保证其产品质量的重要环节，而该过程中的能耗也是影响其生产成本的关键因素。传统精馏设备体积大，能耗高。相比之下，热泵精馏技术已成为降低能耗与清洁产能的重要技术之一。热泵技术主要应用于商业建筑与工业生产等行业领域。热泵精馏技术包括蒸汽压缩机式热泵精馏、蒸汽喷射式热泵精馏和吸收式热泵精馏。甲醇热泵精馏则属于蒸汽压缩机式热泵精馏中的分割式热泵精馏。甲醇热泵精馏工艺的节能效果显著，经济效益可观，操作相对简单。然而甲醇热泵精馏技术在实际生产中会受到许多因素的影响，如精馏塔顶与塔底温差大，参考数据不足，初期投资较大等。提高热泵能效比与输出温度是甲醇热泵精馏工艺的发展方向。甲醇热泵精馏工艺具有广阔的工业应用前景。

甲醇热泵精馏；工艺原理；经济效益分析

能源问题已经是世界各国共同关注的重点问题。在能源短缺的客观条件下，热泵精馏的节能效果在化工和石油产业中愈来愈受到认可。与传统的精馏技术不同，热泵利用精馏塔内气相和液相不断转换所产生的能量以达到连续高效的循环制热效果。经过几十年的发展，热泵技术也划分出不同的类型，以满足不同条件下分离提纯的需求。其中，分割式热泵精馏工艺有着较大的创新和广泛的应用。以甲醇热泵精馏技术为代表，该技术具有节能降耗效果理想和适用温差较大等技术优点，本研究就甲醇热泵精馏技术的工艺原理、优缺点、发展趋势以及经济效益方面进行具体分析。

1 热泵精馏技术

1.1 热泵精馏技术类型

热泵精馏技术实际上是传递热量的技术。热能从低温区域逆向传递到高温区域。其中，利用热泵传递到高温区域的热量要远远高于装置自身运行所需要消耗的能量。热泵精馏装置对其相配备的设备具有很高的要求以满足这种逆向供热方式。适用于不同设备类型和不同物料分离的热泵精馏工艺流程可分为三种技术类型：吸收式热泵精馏、蒸汽压缩机式热泵精馏以及蒸汽喷射式热泵精馏。吸收式热泵的精馏工艺是依靠内部液相的热力学状态变化，实现热能由低温区域传向高温区域，其节能效果相对较好。在实际工业生产过程中，吸收器同时会成为精馏塔的再沸器，而冷凝器也会同时成为热泵的再沸器。蒸汽压缩式的热泵工艺是利用机械驱动压缩机使气相或液相物料在热泵中不断往复流动并且发生物理状态的改变，进而实现热泵连续且高效的加热效果。按照工艺流程的不同，该工艺又可以具体分为A型、B型开式热泵、分割式热泵以及闭式热泵四种精馏工艺流程[1]。蒸汽喷射式热泵利用高压气体的高速喷出，裹挟再沸器中的蒸汽形成二次蒸汽，进入混合室供再沸器二次利用。二次蒸汽形成的压力一般在0.4MPa以下。该流程结构简单，没有使用转动部件，而能耗也比前者要高得多。

1.2 国内热泵精馏技术发展状况

精馏是化学提纯过程中最为常见的分离技术。传统精馏设备的体积大，热转化效率低。在能源枯竭且提倡节能减排的今天，传统精馏设备逐步遭到淘汰。目前，研究显示热泵的节能效果非常明显，热泵精馏技术已经成为节能低耗、清洁生产的主要技术。上世纪中叶，热泵精馏技术被应用于实际生产中，并在之后的几十年中得到迅速发展。最近几年，热泵精馏的结构设计和性能分析逐渐成为国内学者和技术人员关注与研究的重点。有研究人员就乙醇-水的精馏过程提出了一种高效节能的可行性工艺流程，即分割式热泵精馏。还有研究人员总结归纳了热泵精馏的的基本工作方式，并具体分析了不同精馏方式的特性和适用条件。除此之外，有学者运用ASPEN DY⁃NAMICS软件对热泵精馏的流程进行动态模拟，研究外部工质对于热泵精馏控制的影响因素。

2 甲醇热泵精馏技术

2.1 甲醇热泵精馏的原理及工艺流程

甲醇热泵精馏的原理相对简单。精馏塔顶的气态甲醇被压缩机压缩，提高了气态甲醇的压力值并降低了沸点。压缩甲醇蒸汽和气态甲醇变为液态甲醇释放出的热量将作为中间或精馏塔塔釜再沸器的供热能源，降低了精馏塔塔顶冷工程和精馏塔塔釜热工程的能耗。分割式热泵精馏设备主要包括：预塔、主精馏塔、预塔冷凝器、预塔再沸器、气体压缩机、上塔再沸器、下塔再沸器、预热器以及冷凝器[2]。主精馏塔可以分为上、下两个精馏塔。其中，上精馏塔与常规的热泵精馏塔相似，仅多出一个进料口。下精馏塔的功能则更接近于常规热泵精馏的提纯阶段，上精馏塔的塔釜液作为下精馏塔的进料，而下精馏塔的蒸汽会进入上精馏塔的塔釜。通过控制下塔的进料浓度，即分割点浓度，降低上精馏塔的温差范围，进而减小压缩机的压缩比，减少设备运转的投入费用。

2.2 甲醇热泵精馏的优点与缺陷

甲醇热泵精馏主要有降低能耗和适用于大温差分离提纯工艺两方面优点。在正常情况下，一般的热泵适合在精馏塔塔顶与塔釜间温差较小的情况下使用。而分割式热泵精馏，如甲醇热泵精馏则可以应用于温差较大的分离提纯过程。常温常压下，甲醇的沸点是64℃，水的沸点是100℃。36℃的温差在工业分离过程中已属大温差。应用甲醇热泵精馏技术可以到达理想的分离提纯和节能降耗的效果。尽管甲醇热泵精馏相对于传统精馏技术在分离和节能效果上有了巨大的提升，但是该技术仍然存在一些问题和可提升空间。甲醇精馏技术的热效率、初期设备投资较高、回收提纯过程中的剩余热量回收以及进一步降低技术初期投资都是该技术在实际生产中存在的不足。除此之外，虽然甲醇精馏技术可以用于大温差的分离提纯过程，但是精馏塔塔顶与塔釜之间过大的温差仍然会导致热泵系统产生过多的能量消耗与损失。甲醇精馏技术存在一定缺点，但是其优点却是其他精馏技术不可替代的。经过技术上的发展和改进，以甲醇精馏技术为代表的分割式热泵精馏工艺将会具有更广阔的应用空间。

2.3 甲醇热泵精馏的发展方向

甲醇热泵精馏技术研究的大方向是在过程控制、分析与优化等方面。通过对热泵精馏过程中各项技术参数逐一控制分析，确定技术参数的控制效果和影响因素，进而制定有效科学的控制策略。对蒸汽压缩机式热泵精馏、蒸汽喷射式热泵精馏以及吸收式热泵精馏过程进行对比分析，研究显示蒸汽压缩式热泵精馏的COP更高，但是其耗能较大，分析结果为吸收式热泵精馏更具有经济上的优势。属于分割式热泵精馏的甲醇精馏技术结合吸收式热泵精馏方式的技术特点也是未来的发展方向。

2.4 甲醇热泵精馏经济效益分析

工业能源消耗中，热能的消耗占有很大的比例。能量相互转化的过程中，58.8%的热能以排气或排水等形式损失。在化工和石油产业中，精馏过程是相对主要的能耗过程。甲醇热泵精馏技术比传统的精馏技术减少了52.05%的综合能耗[3]。尽管甲醇热泵精馏会多耗费0.3MPa的水蒸气，但是其1.0MPa水蒸气却节省了69.45t/h。甲醇热泵精馏技术的循环用水消耗也更小。相较于传统的三塔式精馏技术，新甲醇蒸馏技术可以节省2715t/h的循环用水。据估算，在标准情况下，循环水0.2元每吨、1.0MPa蒸汽100元每吨、电费0.55元每千瓦时以及操作时间8000小时每年，平均一年可节约操作费3688万元。

3 结语

甲醇热泵精馏技术作为一种新型的分离提纯技术，具有简单高效与节能低耗等技术优势。然而，在实际生产中，甲醇精馏技术也会面临许多实际因素的制约和影响，导致其分离提纯的效果有所下降。如何提高其热效率转化、克服热泵实际能耗偏高以及改进技术设备使初期投资降低等问题是甲醇精馏技术改进的方向。即便如此，甲醇热泵精馏技术依然是目前石油化工产业中实用性较高、效果较理想的新兴技术，具有广阔的应用空间和研究改进价值。

[1]王立娟,张莹莹,仇汝臣.热泵精馏技术进展介绍[J].山东化工.2012,41(5):89-90.

[2]叶鑫,吕建宁,丁干红,等.甲醇热泵精馏新工艺[J].化工进展.2010,29:74-77.

[3]甘景洪,方利国,陈卫汕,等.分离碳酸二甲酯和甲醇的热泵精馏工艺[J].广东化工.2013，40(4):153-155.