阮宗琳，楊秀娜，姜 陽，齊慧敏

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基于MVR熱泵精餾的粗甘油脫水提純工藝模擬研究

阮宗琳，楊秀娜，姜 陽，齊慧敏

（中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

利用Aspen Plus流程模擬軟件，選用NRTL-RK 物性模型和精餾模型格及壓縮機模塊對粗甘油脫水過程進行了模擬計算，分別計算了塔頂汽相出料直接壓縮熱泵精餾、塔底產物閃蒸壓縮熱泵精餾以及常規(guī)精餾，結果表明：對于粗甘油脫水提出過程來說，在相同的原料處理量、產品質量、操作壓力及回流比、產品純度（≥99%）時，兩種熱泵精餾工藝均比常規(guī)精餾工藝的能耗有所降低，分別節(jié)能56.5%和54.5%，總能耗（標油/噸產品）比常規(guī)精餾工藝分別節(jié)能58.75%和56.67%，具有十分顯著的節(jié)能效果。

甘油；MVR熱泵精餾；節(jié)能；Aspen Plus

精餾是分離的重要手段之一，據(jù)統(tǒng)計，化工過程中40％～70％的能耗用于分離，而在分離中用于精餾過程的能耗占95％[1～4]，因此精餾單元的節(jié)能降耗十分重要。粗甘油為酯交換生產生物柴油的副產品，由于其中含有一定的水份等雜質，不能作為工業(yè)原料直接供給食品、藥品、化妝品和煙草等行業(yè)，需要進一步精餾提純?，F(xiàn)有的粗甘油脫水提純工藝中，由于甘油的沸點較高（常壓沸點290 ℃），且與水的沸點差較大，因此粗甘油脫水一般采用減壓蒸餾的方式，得到的甘油成本較高，使得一般的中小型生物柴油生產廠家無法承受；此外，由于粗甘油提純成本高而供應過剩，價格較低，而純甘油（≥99%）供應不足，價格較高。因此，如何通過先進的精餾工藝降低粗甘油提純的能耗成本，對于生物柴油產業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

機械蒸汽再壓縮技術（MVR）[5～8]是重新利用蒸發(fā)過程產生的二次蒸汽的冷凝潛熱，作為塔底的加熱熱源，從而減少過程外界能源的節(jié)能技術，也稱為熱泵技術，已列入“國家重點節(jié)能技術推廣目錄”（國家發(fā)展改革委2010年33號公告），成為石化工業(yè)、食品工業(yè)、鹽業(yè)等各類行業(yè)大力推廣使用的節(jié)能減排技術。本文以粗甘油為研究對象，采用Aspen Plus 化工流程模擬軟件，模擬了常規(guī)精餾工藝與MVR 熱泵精餾工藝，從能耗利用、損失和節(jié)能等方面對兩種工藝進行了對比分析，以期為生物柴油生產工藝中的粗甘油提純工藝提供一條能耗低、經濟效益明顯的工藝路線。

1 機械蒸汽再壓縮（MVR）節(jié)能技術

機械蒸汽再壓縮（MVR）技術最早是由Robinson 和Gilliland[9]在20世紀50年代由提出的。MVR工藝主要由精餾塔（蒸發(fā)器）和壓縮機構成，精餾塔頂蒸汽產品直接進入壓縮機壓縮，提高塔頂產品的溫度，然后為精餾塔底再沸器提供熱源。

常用的MVR熱泵精餾有兩種類型[10～13]：一種是塔頂氣體直接壓縮式的熱泵精餾，工作原理為精餾塔頂氣相產品直接進入壓縮機，升溫升壓后的塔頂氣相產品作為再沸器的熱源，冷凝后作為塔頂產品和回流。該工藝充分利用了塔頂蒸汽的冷凝潛熱，降低了塔底再沸器的熱源及塔頂冷卻水量。另一種是塔釜液體閃蒸熱泵精餾，是以塔釜液體作為工質，一部分作為塔底產品采出，其余部分經過節(jié)流閃蒸降溫降壓后，自身溫度降低，閃蒸出來的低溫氣體作為塔頂餾出物的冷卻介質，再經過壓縮升溫升壓后返回塔釜作為塔底熱源，該工藝充分利用了塔底物料的顯熱，把塔底顯熱轉化為潛熱，同樣可以省掉大量的蒸汽或導熱油熱源及部分塔頂冷卻水，達到節(jié)能效果。

2 MVR 熱泵精餾工藝

2.1 常規(guī)甘油提純精餾工藝模擬

粗甘油的處理量為1 t/h，其中水含量為32.5% (wt)，進料溫度為50 ℃，要求得到的甘油產品純度≥99%；塔頂采用循環(huán)冷卻水冷卻，塔底采用350 ℃導熱油加熱。

選用等板高度為0.26 m[14]的規(guī)整填料，進行不同操作壓力條件下的模擬計算。工藝流程見圖1，模擬結果見表1。

圖1 常規(guī)甘油脫水工藝流程圖

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

表1 常規(guī)甘油脫水精餾工藝模擬結果

在圖1所示的甘油脫水工藝流程中，由于甘油（沸點290.9 ℃）與水的沸點差較大，因此為了使甘油脫水塔底溫度較低，需要負壓操作，且真空度越高，甘油-水體系的相對揮發(fā)度越大，二者分離過程所需的外加熱源和冷源越小，但缺點是真空系統(tǒng)耗能高、設備龐大，相應的甘油脫水塔徑增大，雖然減少了能耗費用，但設備投資費用也增加，因此在選擇操作壓力或真空度時需要綜合考慮能耗和設備費用，且真空度不宜過高；由表1 可以看出，塔頂操作壓力在30～70 kPa（abs）范圍內，甘油-水體系的相對揮發(fā)度與真空度成正比?；亓鞅冉档?，能耗包括冷凝器和再沸器負荷也逐漸降低。

2.2 塔頂氣直接壓縮的甘油提純精餾工藝模擬

塔頂氣直接壓縮的甘油脫水精餾塔工藝流程見圖2，是精餾塔頂蒸汽直接進入壓縮機進行壓縮后，形成高溫高壓蒸汽，以此蒸汽作為塔釜再沸器熱源，然后再經過塔頂冷凝器進一步降溫后，部分作為塔頂回流，部分作為輕組分采出。塔底產品的產品純度目標設定為99%，改變塔頂操作壓力和壓縮比，塔底再沸器熱負荷由塔頂氣相壓縮物流提供，工藝流程見圖2，模擬結果見表2。

1-粗甘油；2-精餾塔；3-壓縮機；4-再沸器；5-冷卻器；6-水分；7-精制甘油

表2 塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾工藝模擬結果

從表2可以看出，隨著塔真空度的提高，體系相對揮發(fā)度增大，與常規(guī)甘油提純精餾結果相似，塔底蒸發(fā)量減小，塔底再沸器負荷降低，導致壓縮機進汽量減少，壓縮機功耗降低；在塔頂真空度較高的30 kPa(abs)時， 由于塔底所需的精餾溫度低，壓縮機的壓縮比低，使得經過壓縮機的塔頂氣在完成塔底供熱后余熱量較少，經與原料換熱后所剩的余熱減少，因此需要的冷卻水減少；而在塔頂真空度較低的70 kPa時，塔底所需的精餾溫度高，壓縮機的壓縮比大，經過壓縮機后余熱量較大，經與原料換熱后剩余熱量多，因此需要的冷卻水量大。

2.3 塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝模擬

塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝流程見圖3，塔底液體出料中的一部分經節(jié)流閃蒸降溫降壓后，與塔頂汽相產品換熱，吸熱蒸發(fā)為汽體，再經壓縮機壓縮升溫升壓后作為塔釜再沸器熱源；塔頂汽相產品被冷凝，部分回流，部分出裝置。工藝流程見圖3，模擬結果見表3。

圖3 塔底液相閃蒸壓縮供熱熱泵精餾流程圖

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

1- 粗甘油；2-精餾塔；3-節(jié)流閥；4-換熱器；5-冷卻器；6-壓縮機；7-精制甘油

表3 塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝模擬結果

在圖3所示的工藝流程中，壓縮后的溫度與塔底溫度差需≥10 ℃，以滿足換熱溫差；壓縮機出口壓力略高于塔底壓力，以保證塔釜料液經節(jié)流換熱壓縮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）范圍內，冷凝器、再沸器負荷以及壓縮機功耗隨真空度的提高而有所下降，這主要是由于體系揮發(fā)度提高，塔底蒸發(fā)量減小，降低了塔的汽液操作負荷，導致壓縮機進汽量的下降，塔底再沸器負荷降低，壓縮機進汽量減少，壓縮機功耗降低。

3 不同精餾工藝的能耗比較

對三種不同精餾工藝的能耗進行了匯總比較，結果見表4和表5。

表4 常規(guī)精餾與熱泵精餾主要操作參數(shù)的能耗對比

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

表5 不同操作壓力下的能耗比較

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

從表4可以看出，在工藝條件相同的條件下，兩種熱泵精餾工藝比常規(guī)精餾工藝的能耗分別降低56.5%和54.5%。由此可見，兩種熱泵精餾的節(jié)能效果幾乎相當，均具有顯著的節(jié)能效果。從表5可以看出，隨著操作壓力的降低，三種工藝過程有著同樣的能耗變化趨勢，即均明顯下降，在相同的操作壓力下，兩種熱泵精餾工藝的噸產品能耗均分別比常規(guī)精餾工藝降低58.75%和56.67%。主要原因在于在傳統(tǒng)的精餾系統(tǒng)中，塔內的氣、液回流均是通過消耗外部能量實現(xiàn)的，因而能耗較高。而熱泵精餾則是利用少量電能及機械能等高品位能轉換為較多量的位能、熱量或冷量等低品位能量，并補充到精餾過程。

精餾過程是一個需要在低溫位處釋放熱量，在高溫位處獲得熱量的過程；而熱泵的工作原理則是用少量的高品位能量（電能、核能、機械能等），獲得較多低品位的能量（一般指熱量）。實現(xiàn)低能耗精餾過程。

對于粗甘油提純過程而言，在相同的塔頂操作壓力下，要想達到最佳的節(jié)能效果，壓縮后的溫度與塔底溫度差的選擇以及壓縮機功耗與塔的熱量匹配為節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。

4 結 論

（1）利用Aspen Plus流程模擬軟件，選用NRTL-RK 物性方法和精餾模型格及壓縮機模塊對粗甘油脫水提純過程進行了模擬研究，分別計算了常規(guī)精餾工藝、塔頂蒸汽直接壓縮和塔底液相閃蒸壓縮三種精餾過程，并進行了能耗比較。

（2）對于粗甘油脫水提純過程來說，在操作條件相同的條件下，兩種熱泵精餾工藝均比常規(guī)精餾工藝的總能耗分別降低56.5%和54.5%（標油/噸產品），具有節(jié)能效果十分明顯。

（3）在模擬計算與優(yōu)化過程中，壓縮后的溫度與塔底溫度差的選擇以及壓縮機功耗與塔的熱量合理匹配，對于實現(xiàn)進一步節(jié)能降耗尤為關鍵。

參考文獻：

［1］ 張榮梅．精餾過程的節(jié)能降耗[J]. 硅谷，201l，13：9-9．

［2］ 四季春，梁利鍇. 多晶硅生產的節(jié)能降耗[J]. 現(xiàn)代化工，2010，30(9)：5-7.

［3］ 陸敏菲，馮霄. 丙烯精餾塔熱泵流程的優(yōu)化[J]. 石化技術與應用，2007，25(5)：420-423.

［4］ 李如虎. 應用熱泵節(jié)能技術充分利用低溫余熱[J]. 廣西電力技術，1999(2)：53-36．

［5］ 顧承真，顏旭，張志強，等. 機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)的性能研究進展[J]. 食品與機械，2013(9)：12-16．

［6］ 彭濤，夏君君，韓東. 基于機械蒸汽再壓縮的甲醇精餾技術研究[J]. 化學工業(yè)與工程技術，2014，35(3)：62-65．

［7］ 龐衛(wèi)科，林文野，戴群特，等. 機械蒸汽再壓縮熱泵技術研究進展[J]. 節(jié)能技術，2012，30(4)：312-315．

［8］ 錢伯章. 蒸汽再壓縮蒸發(fā)器提高乙醇生產蒸汽利用率[J]. 化工裝備技術，2012(9)：57－59．

［9］ Oliveira S B M，Parise J A R，Pitanga Marques R. Modelling of anethanol-water distillation column assisted by an external heat pump[J]. International Journal of Energy Research，2002，26(12)：1055-1072.

［10］ 徐忠，陸恩錫，羅明輝. 熱泵節(jié)能－三種類型熱泵的比較[J]. 化學工程，2008，36(9)：75-78.

［11］ 陸恩錫，吳震. 蒸餾過程熱泵節(jié)能－熱泵基本原理[J]. 化學工程，2008，36(8)：75-78．

［12］ 陸恩錫，羅明輝. 蒸餾過程熱泵節(jié)能－熱泵系統(tǒng)模擬計算[J]. 化學工程，2008，36(9)：75-78．

［13］ 鄭聰，宋爽，穆鈺君，等. 熱泵精餾的應用形式研究進展[J]. 現(xiàn)代化工，2008，28(s1)：115-117.

［14］ 俞曉梅，袁孝競，等 .塔器[M]. 北京：化學工業(yè)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，遼寧撫順市人，工程師，碩士，2008年畢業(yè)中國石油大學（北京），研究方向：，從事煉油及化工工程技術研究開發(fā)工作。E-mail：ruanzonglin.fshy@sinopec.com，電話：024-56389685。