热泵耦合甲醇多效精馏节能新工艺

2020-09-23王东亮孟文亮杨勇董鹏李春强

化工进展 2020年9期

王东亮，孟文亮，杨勇，董鹏，李春强

（兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州730050）

甲醇是一种重要的基本化工原料，可用于合成烯烃、汽油、二甲醚等化工产品[1]。粗甲醇的提纯主要依靠精馏过程实现。Meyers[2]提出了由预精馏塔、高压塔和常压塔构成的三塔精馏工艺，实现高压塔和常压塔的双效热集成。为了降低废水中甲醇和杂醇油的含量，在常压塔后增加一个甲醇回收塔，形成四塔双效精馏工艺，比传统双塔精馏方案节能30%左右[3]。针对四塔双效精馏工艺，Feng等[4]研究发现高压塔能耗占整个流程总能耗的40%左右，通过在高压塔和常压塔之间引入一个中压塔，形成热集成的五塔多效精馏工艺，相比四塔双效精馏工艺节能33.6%。对五塔多效精馏工艺研究发现，常压塔塔顶冷凝负荷占整个系统冷凝负荷的68.65%，该部分冷凝潜热品位较低（73.2℃左右），由冷却水降温后成为废热，尚未利用，具有低温余热利用的节能潜力。

热泵可以提升低温能源温位，减少高品位能源的消耗。在特定的条件下，热泵辅助精馏（HPAD）相比单塔精馏可节能约20%～50%[5-6]。Sun 等[7-8]将热泵技术引入到四塔双效精馏工艺中，采用了间接式（VC）、机械蒸汽再压缩式（MVR）和釜底闪蒸式（BF）3种热泵辅助精馏工艺，其中VC 工艺较常规四塔双效精馏工艺冷、热负荷分别降低36.8%和41.9%。

本研究针对五塔多效精馏工艺中的常压塔塔顶冷凝潜热的利用问题，引入机械蒸汽再压缩式（MVR）热泵技术，将常压塔塔顶蒸汽由73.24℃提高到102.35℃，与常压塔辅助再沸器实现热集成，形成热泵耦合多效甲醇精馏工艺。利用夹点分析技术对热泵耦合多效工艺的热泵设置合理性进行判定，确定合理的压缩机压缩比，保证满足最小传热温差要求，分析新工艺的节能潜力和经济效益。

1 五塔多效精馏工艺简介

Feng等[4]提出了五塔多效甲醇精馏工艺见图1。该工艺在高压塔（C2'）和常压塔（C4'）中间增加一个中压塔（C3'），操作压力介于C2'和C4'之间，选择压力为360kPaG（表压，下同），预精馏塔（C1'）和C4'操作压力比常压稍高，C2'塔顶压力870kPa。该工艺的关键点在于设置了中压塔，将甲醇采出量在C2'和C3'两塔之间分配，直接降低C2'负荷，此外将C2'冷凝器和C3'再沸器、C3'冷凝器和C4'再沸器进行热集成，形成多效精馏。为进一步降低精馏能耗，五塔多效甲醇精馏工艺将甲醇回收塔（C5'）冷凝器和C1'再沸器进行双效热集成。降低蒸汽消耗的同时使C2'塔操作更为稳定，较四塔双效精馏工艺节能约33.6%。

2 热泵耦合多效甲醇精馏新工艺

与四塔双效精馏相比，五塔多效精馏能量消耗有显著的降低，但是分析发现，五塔多效精馏仍有较大节能潜力和改进余地，主要体现在：①C4'塔顶冷凝器热负荷约占整个冷凝负荷的50%～70%，收塔这部分潜热属于低品位热量并未有效利用；②随着粗甲醇处理量的加大，即使采用五塔多效精馏，能耗的绝对值也是巨大的。

图1 五塔多效精馏流程

热泵是一种提升低温能源温位的先进技术，与精馏工艺耦合形成的热泵辅助精馏（HPAD）工艺和传统单塔精馏相比可节能约20%～50%[5-8]。热泵辅助精馏可分为间接式（VC）、釜底闪蒸式（BF）和机械蒸汽再压缩式（MVR）。相比VC和BF，MVR有3个优点：①所需的载热介质是现成的；②有较低的压缩机压缩比；③系统简单，稳定可靠且在分离近沸点体系过程中有着广泛的应用[10-13]。

为有效利用C4 塔顶冷凝器的低品位热量，引入MVR 热泵技术与五塔多效精馏工艺耦合，形成热泵耦合多效甲醇精馏新工艺，如图2所示。主要特征为：①常压塔提馏段增设辅助再沸器，分担常压塔塔釜负荷；②塔顶蒸汽一部分进入冷凝器，另一部分进入热泵系统。

MVR 式热泵的引入，将低品位蒸汽提升温位后作为热源（HS8）与冷物流CS8换热，作为C4塔辅助再沸器（HE4）的热源，HS8 与CS8 换热完成后，为了保证C4 塔顶产品纯度，冷凝液一部分回流，另一部分采出。这样的设计有两个优点：①同时降低了C2、C3和C4塔塔釜再沸器负荷，减少蒸汽消耗的同时使操作更稳定；②采用电力驱动的压缩机，减少公用工程的使用，过程更清洁和高效。

3 工艺建模与结果

本研究中的粗甲醇组成和参数如表1 所示[4]。甲醇规格满足甲醇质量分数不低于99.85%且废水中甲醇质量分数不超过0.01%。

表1 粗甲醇组成

建模过程采用Aspen Plus软件。考虑醇、水和其他极性组分的交互作用参数，对甲醇回收塔采用UNIF-DMD 活度系数模型，其他精馏塔采用NRTL模型计算气液相平衡数据[4]。精馏塔采用Racfrac严格模型，回流比、理论板数和进料位置均为优化后的工艺参数，压缩机采用ASME 多变模型进行计算，多变效率设置为0.75，机械效率设置为0.95，工艺模拟计算结果见表2。

预精馏塔（C1）设置两级冷凝系统，使塔顶采出尽可能多的轻组分和尽可能少的甲醇。一级冷却至65℃，二级冷却至40℃。轻组分从二级冷凝器出来后，进入水洗塔（循环水量约为粗甲醇进料的10%），冷凝后冷凝液回流至回流罐，最后进入预塔。C4 塔顶蒸汽经压缩机压缩后，出口蒸汽压力为100kPa，对应温度为102.35℃，目标温度为83.08℃。换热完成后，高压蒸汽经过膨胀阀变为40kPa 的低压乏汽，最后经过冷却器温度降至66℃。

图2 热泵耦合多效甲醇精馏流程

表2 两种工艺模拟结果

4 结果及讨论

4.1 夹点技术分析

提取五塔多效精馏流程中换热流股，流股信息见表3。换热网络中，最小传热温差ΔTmin规定为15℃。

表3 五塔多效精馏换热网络中流股信息

图3为总组合曲线图（GCC），其中夹点处冷、热物流温度分别为64.4℃和79.4℃。图中所示为热泵跨越加点的设置，红色标注为夹点之下热源，对应于C4 塔顶蒸汽，吸热在夹点之下。蓝色标注为热阱，对应于C4再沸器，放热在夹点之上。这样，过程在夹点之下为净热源，热泵从中吸取Q2的热量，使冷公用工程量减少Q2；而在夹点之上，过程为净热阱，热泵提供Q1的热量，使加热公共工程减少Q1。五塔多效甲醇精馏工艺，35.47%的甲醇在常压塔C4'塔顶采出，冷凝器负荷为25.6MW，约占总冷凝负荷的68.65%，冷却后成为废热，C4'再沸负荷为22.56MW，需要过程系统来提供。降低C4'塔顶冷凝负荷成为节能的关键，采用热泵技术，将塔顶蒸汽压缩升温后作为再沸器的热源，不仅可以降低冷却水的用量，而且降低了蒸汽的消耗。

图3 五塔多效精馏的总复合曲线图

热泵耦合多效甲醇精馏工艺中出现的冷、热流股数据见表4，GCC曲线见图4。

通过GCC 图可以看出，夹点位置并未发生变化，冷凝器总负荷为24.7MW，再沸器总负荷为22.25MW，相比五塔多效精馏工艺冷、热负荷分别降低33.76%和32.64%。这说明五塔多效甲醇精馏工艺中引入MVR式热泵充分利用了C4塔顶蒸汽冷凝潜热，节能效果明显。通过GCC 图，分析出工艺物流间存在的换热，热泵耦合多效甲醇精馏工艺换热网络如图5所示。

表4 热泵耦合多效精馏换热网络中流股信息

图4 热泵耦合多效精馏的总复合曲线图

4.2 能耗评价分析

两种工艺的能耗计算结果如表5所示。

与五塔多效精馏工艺相比，热泵耦合多效甲醇精馏工艺在降低冷凝负荷的同时，也显著降低了蒸汽的消耗，达到很好的节能效果。

表5 两种工艺能耗计算结果

图5 热泵耦合多效工艺换热网络

4.3 COP效能分析

热泵精馏效率通常用热泵供热系数COP（coefficient of performance）来衡量，定义为制热量与输入功的比值，如式(1)。

其中，Qreb、Wcomp分别为再沸器负荷和压缩机功。Plesu 等[13]提出当COP 大于10 时，精馏过程加热泵很有必要；COP 为5～10 时，需要进一步计算确定；COP小于5时，精馏过程无需加热泵。在热泵耦合多效甲醇精馏工艺中，辅助再沸器HE4 的负荷为17.8MW，压缩机功率为0.79MW，COP 为22.5，远大于10，说明热泵的设置很有必要。

4.4 技术经济评价

为了评价热泵耦合多效甲醇精馏工艺的节能效果，以年总成本（total annual cost，TAC）作为评价指标，采用Guthrie 的费用关系式[14]，计算设备总成本[IC，包括塔体Cost(S)、压缩机Cost(C)和换热器Cost(H)的成本]，计算公式如下。

式中，M&S即Marshall&Swift指数，取1400[15]；D 为塔直径，m；P为压缩机功耗，kW；Fc为校正因子；Er为美元对人民币汇率，取6.72。操作费用（OP）包括蒸汽成本Cost(stream)、冷却水成本Cost(cool)及压缩机的用电成本Cost(elec)。热公用工程采用0.5MPa 的蒸汽，冷却水进口温度为25℃，出口温度为35℃，压缩机采用电力驱动。QR为蒸汽用量（t/h）；CS为蒸汽价格，按220CNY/t计算；QC为冷却水用量（t/h），CW为冷却水单价，按0.4CNY/t 计算；QE为用电量（kW），CE为电价格，按0.55CNY/(kW·h)计算。投资回收年限（period）为3年，一年稳定运行8000h。