鄧博文，張 瑩，王志超

（西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

異戊烷具有較高的經(jīng)濟(jì)價值，可用作提高汽油辛烷值的添加劑、聚乙烯生產(chǎn)中催化劑的溶劑以及生產(chǎn)異戊二烯和異戊醇的重要原材料。異戊烷的主要來源是輕石腦油、重整拔頭油、重質(zhì)烴裂解過程中的碳五餾分[1]。碳五餾分中的異戊烷含量依賴其來源，如重整拔頭油中正戊烷含量為65%～70%，異戊烷為15%～20%，而重質(zhì)烴裂解碳五中，異戊烷和異戊烯含量為40%～80%[2]?；旌陷p石腦油中，辛烷值含量極高的異戊烷達(dá)到了28.22%，辛烷值含量較低的正戊烷含量為37.79%。

由于正戊烷、異戊烷兩者的相對揮發(fā)度較小，使得在從碳五餾分中回收利用異戊烷的過程中，異戊烷分離塔的能耗較大，熱效率較低[3-5]。熱泵精餾技術(shù)對工作介質(zhì)進(jìn)行壓縮、升壓、升溫，使其能質(zhì)得到提高，并作為再沸器熱源，從而有效節(jié)省熱能源，降低冷凝器的熱負(fù)荷。依據(jù)熱泵消耗外界能量的不同，熱泵精餾可分為蒸汽壓縮式和蒸汽噴射式2 種[6-7]。

目前異戊烷分離塔的節(jié)能研究，大多數(shù)都是進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化，對精餾方式的改造卻少有提及。本文以某煉油廠碳五餾分分離過程中的異戊烷分離塔為研究對象，通過流程模擬，考察熱泵精餾技術(shù)對異戊烷分離過程能耗的影響，為異戊烷分離塔的節(jié)能設(shè)計提供依據(jù)。

1 模擬部分

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某煉油廠規(guī)劃原油加工能力8.0 Mt·a-1，生產(chǎn)混合輕石腦油183.5 kt·a-1。原料分別為600 kt·a-1連續(xù)重整裝置的拔頭油、戊烷油、半再生重整裝置的拔頭油、戊烷油、柴油加氫改質(zhì)裝置的輕石腦油[4]。混合輕石腦油的組成如表1 所示。

表1 混合輕石腦油組成Table 1 Composition of mixed light naphtha

圖1 常規(guī)精餾工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of conventional distillation process

1.2 流程模擬

1.2.1 改造前工藝流程

改造前的工藝流程如圖1 所示。輕石腦油原料進(jìn)入異戊烷分離塔后，塔頂輕組分經(jīng)冷凝器冷卻后進(jìn)入異戊烷回流罐，一部分由異戊烷回流罐返回塔頂，另一部分作為產(chǎn)品送至罐區(qū)。塔底C5餾分經(jīng)再沸器汽化后，一部分返回塔底，另一部分送往下一工段進(jìn)行處理。

1.2.2 改造后工藝流程

改造后的工藝流程如圖2 所示。輕石腦油經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入異戊烷分離塔，塔頂氣體經(jīng)壓縮機(jī)升壓后，與塔底物料進(jìn)行換熱。塔頂物料經(jīng)節(jié)流冷卻，進(jìn)入回流罐，一部分送回塔頂，一部分作為產(chǎn)品送至罐區(qū)。塔底物料中的一部分送至下一工段，其余部分返回塔釜。

圖2 熱泵精餾工藝流程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of heat pump rectification process

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)精餾技術(shù)模擬結(jié)果

2.1.1 工藝參數(shù)

在對采用嚴(yán)格模型的流程模擬過程進(jìn)行計算之前，需要通過捷算法，計算出完成分離任務(wù)所需的最小理論板數(shù)和最小回流比。異戊烷分離塔的進(jìn)料溫度、組成、流量等設(shè)計變量如表2 所示。由于異戊烷分離塔的進(jìn)料組成十分復(fù)雜，為了便于計算，分別選取異戊烷、正戊烷為輕、重關(guān)鍵組分。分離任務(wù)為塔頂輕異戊烷的回收率為99%，塔釜產(chǎn)品正戊烷的回收率為99.9%。通過DSTWU 模塊進(jìn)行簡捷計算的結(jié)果，和采用RadFrac 模塊進(jìn)行計算的過程中所采用的參數(shù)如表3 所示。

表2 DSTWU 模塊的設(shè)計變量Table 2 Design variables of DSTWU module

表3 DSTWU 模塊計算結(jié)果和RadFrac 模塊的參數(shù)Table 3 Calculation results of DSTWU module and parameters of RadFrac model

2.1.2 RadFrac 模擬結(jié)果

在滿足異戊烷分離精度的前提條件下，采用嚴(yán)格模型對常規(guī)精餾過程的異戊烷分離塔進(jìn)行計算，得到的能量衡算結(jié)果如表4 所示。鑒于塔頂冷凝器與塔釜再沸器的熱負(fù)荷較大，而塔頂和塔釜之間的溫差較小，塔頂產(chǎn)品異戊烷本身可以作為熱泵的工作介質(zhì)，因此異戊烷分離塔的常規(guī)精餾過程，適宜采用熱泵精餾過程進(jìn)行節(jié)能改造。

表4 常規(guī)精餾過程的熱負(fù)荷Table 4 Heat loads of conventional distillation processes

2.2 熱泵精餾技術(shù)的模擬結(jié)果

采用熱泵精餾技術(shù)對異戊烷分離塔進(jìn)行流程模擬過程中所使用的參數(shù)如表5 所示。在滿足異戊烷分離精度的前提條件下，針對熱泵精餾過程，采用嚴(yán)格模型對異戊烷分離塔進(jìn)行計算，得到的能量衡算結(jié)果如表6 所示。

表5 熱泵精餾過程的主要工藝參數(shù)Table 5 Main process parameters of heat pump rectification process

表6 熱泵精餾過程的熱負(fù)荷Table 6 Heat loads of the heat pump rectification process

2.3 常規(guī)精餾與熱泵精餾的對比

2.3.1 能耗對比

在滿足分離任務(wù)的前提條件下，針對異戊烷分離塔采用嚴(yán)格模型，分別對常規(guī)精餾和熱泵精餾進(jìn)行了流程模擬。2 種不同精餾過程的能耗計算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 常規(guī)精餾過程與熱泵精餾過程的能量消耗Fig 3 the energy consumption of the rectification process and the heat pump rectification process

經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，異戊烷精餾塔在2 種不同的精餾過程中的能量消耗具有顯著的差異。相對于普通精餾技術(shù)，熱泵精餾技術(shù)可節(jié)省冷能耗84.53%，熱能耗100%，總能耗降低了69.98%，節(jié)能效果十分顯著。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)效益對比

異戊烷分離塔采用普通精餾和熱泵精餾兩種不同工藝的總費用列于表7。其中冷卻水按照0.4元·t-1、低壓蒸汽200元·t-1、電費0.8元·(kW·h)-1[8]進(jìn)行估算。

與普通精餾相比，熱泵精餾過程不需要設(shè)置塔頂冷凝器，但是為了實現(xiàn)較低溫度的塔頂向較高溫度的再沸器的熱量傳遞，需要增設(shè)壓縮機(jī)。綜合考慮投資費用和操作費用，雖然熱泵精餾比普通精餾的設(shè)備投資費用增加了人民幣300 萬元，但是熱泵精餾技術(shù)每年可節(jié)省能耗費用人民幣1581.4 萬元，因此，采用熱泵精餾技術(shù)，可顯著提高異戊烷分離過程的經(jīng)濟(jì)效益。

表7 普通精餾和熱泵精餾的總費用對比Table 7 Comparison of overall cost of conventional and heat pump distillations

3 結(jié)論

1）本文通過流程模擬，考察了熱泵精餾技術(shù)在異戊烷分離過程中應(yīng)用的可行性。結(jié)果表明，在完成分離任務(wù)的前提條件下，熱泵精餾技術(shù)能夠顯著降低異戊烷分離過程的能耗。

2）異戊烷分離過程采用熱泵精餾技術(shù)，設(shè)備投資費用會增加，但也能夠顯著降低操作費用。相較于普通精餾，熱泵精餾技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。