汪文健，孟園，孫國江，唐小淋，鄒琳玲，安良，晉梅

熱泵精餾技術(shù)在碳五混合烷烴分離過程中的應(yīng)用

汪文健，孟園，孫國江，唐小淋，鄒琳玲，安良，晉梅

（江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

采用Aspen Plus V11軟件，對異戊烯生產(chǎn)過程中的碳五混合烷烴分離工段分別采用常規(guī)精餾技術(shù)和熱泵精餾技術(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，并對兩種不同技術(shù)的能耗進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：在滿足各烷烴純度>99.00%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的條件下，相比于常規(guī)精餾技術(shù)，采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術(shù)可節(jié)省冷能耗42.47%，熱能耗53.21%，總能耗降低47.91%，節(jié)能效果顯著。

Aspen Plus軟件；碳五混合烷烴；熱泵精餾技術(shù)；模擬與優(yōu)化；節(jié)能

近年來中國煉化一體化和煤（甲醇）制烯烴技術(shù)快速發(fā)展，乙烯產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)大，其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳五混合烷烴隨之迅猛增長，已成為乙烯工業(yè)不可忽視的伴生資源[1]。碳五混合烷烴中所含有的異戊烷、正戊烷和環(huán)戊烷是石油化工、精細(xì)化工和日用化工的寶貴原料，并可衍生出高附加價(jià)值的產(chǎn)品。工業(yè)生產(chǎn)過程中一般采用連續(xù)精餾的分離方法對碳五餾分中各烷烴進(jìn)行分離，以期獲得高純度的異戊烷、正戊烷和環(huán)戊烷[2]。然而，在采用精餾塔進(jìn)行各組分分離時(shí)，若滿足“塔頂和塔底溫差小于36 ℃、被分離物質(zhì)沸點(diǎn)接近以及低壓運(yùn)行時(shí)采用冷凝劑[3]”三個(gè)要求，則可采用熱泵精餾技術(shù)。熱泵精餾技術(shù)，通過補(bǔ)償或消耗機(jī)械功，將塔頂氣相的熱量用于加熱塔底物料，以獲得節(jié)能效果[4-5]。根據(jù)所消耗外界能量的不同，熱泵精餾技術(shù)分為汽相壓縮式熱泵精餾和吸收式熱泵精餾兩種方式。另外，根據(jù)壓縮機(jī)工質(zhì)的不同，汽相壓縮式熱泵精餾又可分為塔頂汽相直接壓縮式、塔底液體閃蒸式和間接蒸汽壓縮式三種類型[6]。

本文采用Aspen Plus V11模擬軟件對來自某石化公司的碳五混合烷烴分別采用常規(guī)精餾和熱泵精餾技術(shù)進(jìn)行流程穩(wěn)態(tài)模擬與優(yōu)化，并在滿足各烷烴純度>99.00%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的要求下，對上述兩種分離技術(shù)的能耗進(jìn)行比較分析，以期在能源供應(yīng)的短缺的情況下為化工生產(chǎn)過程的節(jié)能提供有效的解決方案。

1 碳五混合烷烴分離模擬條件

1.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本設(shè)計(jì)原料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自某石化碳五混合烷烴原料，為主要含有正戊烷、異戊烷和環(huán)戊烷的混合物，原料中各組分一覽表如表1所示。

表1 碳五混合烷烴中各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)一覽表

1.2 物性方法與模塊選擇

PENG-ROB適用于不同溫度和壓力條件下的非極性或弱極性混合物體系。對于碳五混合烷烴分離過程而言，由于過程系統(tǒng)內(nèi)主要是正戊烷、異戊烷及其混合烷烴等的極性較弱的物系，因此，Aspen Plus模擬中采用PENG-ROB熱力學(xué)物性方法[7]。

在碳五混合烷烴分離模擬過程中所涉及的單元操作及模塊的選擇如表2所示。

表2 碳五混合烷烴分離中單元操作和模塊

2 常規(guī)精餾技術(shù)模擬

2.1 模擬流程

采用常規(guī)連續(xù)精餾技術(shù)分離碳五混合烷烴[8-9]模擬流程圖如圖1所示。碳五混合烷烴先后依次經(jīng)過脫環(huán)戊烷塔（T0101）、脫碳六塔（T0102）、脫碳四塔（T0103）、異戊烷分離塔（T0104），可以得到所需要的正戊烷、異戊烷和環(huán)戊烷的分離精度滿足純度大于99.00%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的分離要求。

圖1 常規(guī)精餾技術(shù)模擬圖

2.2 常規(guī)精餾技術(shù)模擬結(jié)果

常規(guī)精餾技術(shù)模擬思路：根據(jù)分離要求，首先采用DSTWU模塊對精餾塔進(jìn)行簡捷計(jì)算得到初值，隨后將初值代入RadFrac模塊進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，最后采用靈敏度分析優(yōu)化操作參數(shù)。圖1中各精餾塔簡捷計(jì)算及優(yōu)化模擬結(jié)果如表3所示。

由表3可知，各精餾塔經(jīng)過優(yōu)化后，環(huán)戊烷、正戊烷和異戊烷的純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為99.00%、99.59%和99.68%，滿足>99%的分離精度要求。

3 熱泵精餾技術(shù)模擬

3.1 模擬流程

在表3優(yōu)化后的四個(gè)精餾塔模擬結(jié)果中可以看到：T0102和T0104存在“塔頂塔底溫差小且所分離組分沸點(diǎn)相近”的特點(diǎn)，因此，對這兩個(gè)精餾塔可采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術(shù)[10]。熱泵精餾技術(shù)模擬流程圖如圖2所示，T0102塔頂產(chǎn)出和回流均為液相，氣相餾出物經(jīng)換熱后進(jìn)入冷凝器液化后分離，T0104產(chǎn)出為氣相、回流為液相，氣相餾出物經(jīng)換熱后進(jìn)入冷凝器達(dá)到氣相分率要求后，經(jīng)閃蒸罐進(jìn)行分離，所分離的氣相產(chǎn)出、液相進(jìn)入精餾塔。

表3 常規(guī)精餾各精餾塔簡捷計(jì)算和優(yōu)化模擬結(jié)果

圖2 熱泵精餾技術(shù)模擬圖

2.2 熱泵精餾技術(shù)模擬

根據(jù)圖2所建立的模擬流程圖進(jìn)行模擬，由于T0101和T0103未采用熱泵精餾，因此模擬結(jié)果與表3相同，表4為采用熱泵精餾技術(shù)后脫碳六塔（T0102）和異戊烷分離塔（T0104）的模擬結(jié)果。

表4 熱泵精餾中T0102和T0104模擬結(jié)果

從表4模擬結(jié)果可知：采用熱泵精餾技術(shù)后，環(huán)戊烷、正戊烷和異戊烷的分離精度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為：99.03%、99.59%和99.70%，不僅滿足分離精度要求，同時(shí)與常規(guī)精餾技術(shù)的分離精度具有一致性。

2.3 常規(guī)精餾與熱泵精餾的能耗對比

在滿足各烷烴分離要求的前提條件下，碳五混合烷烴分別通過常規(guī)精餾技術(shù)和熱泵精餾技術(shù)的能耗情況如表5所示，兩種精餾技術(shù)冷凝器能耗、再沸器能耗和總能耗的對比如圖3所示。

表5 兩種精餾技術(shù)模擬流程能耗 kW

圖3 常規(guī)精餾過程與熱泵精餾過程的能量消耗對比圖

從表5和圖3可以看到：相比于常規(guī)精餾技術(shù)，在碳五烷烴分離過程中采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術(shù)，可節(jié)省冷能耗42.47%、熱能耗53.21%、總能耗降低了47.91%，節(jié)能效果較為顯著。

3 結(jié) 論

從碳五混合烷烴中分離異戊烷、正戊烷和環(huán)戊烷，一般采用常規(guī)的四塔連續(xù)精餾分離技術(shù)。然而，由于脫碳六塔和異戊烷分離塔具有“塔頂和塔底溫差較小、分離組分沸點(diǎn)接近”的特點(diǎn)，因此，提出采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾技術(shù)進(jìn)行碳五混合烷烴的分離?；贏spen Plus V11流程穩(wěn)態(tài)模擬軟件，采用PENG-ROB熱力學(xué)物性方法，選取合適的過程系統(tǒng)單元模塊，搭建常規(guī)連續(xù)精餾和熱泵精餾模擬流程圖，對某石化公司碳五混合烷烴的分離工段進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬與優(yōu)化。在模擬計(jì)算中，通過DSTWU模塊的簡捷計(jì)算、RadFrac模塊的嚴(yán)格計(jì)算及靈敏度分析后，一方面可得到優(yōu)化后精餾塔工藝參數(shù)，另一方面，可對兩種不同分離技術(shù)的能耗情況進(jìn)行對比。能耗對比結(jié)果表明：在滿足環(huán)戊烷、正戊烷和異戊烷純度>99.00%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）條件下，相比于常規(guī)精餾技術(shù)，采用塔頂蒸汽壓縮式熱泵精餾技術(shù)可節(jié)省冷能耗42.47%，熱能耗53.21%，總能耗降低47.91%，可有效解決化工生產(chǎn)過程中能源供應(yīng)短缺的問題。

［1］蘇珍．裂解碳五餾分分離過程的模擬研究[D]．中國石油大學(xué)(華東)，2016：1-2．

［2］李瑩．從異戊烯聯(lián)合裝置看C5資源綜合利用的發(fā)展[J]．石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2007，23 (1)：57-61．

［3］許維秀．熱泵技術(shù)在精餾中的應(yīng)用[J]．節(jié)能與環(huán)保，2005 (3)：36-38．

［4］李大偉．熱泵精餾流程構(gòu)建策略及應(yīng)用研究[D]．青島科技大學(xué)，2007：18．

［5］李若晗，姬愛民．基于熱泵循環(huán)的水蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)研究[J]．遼寧化工，2021，50(1)：89-91．

［6］孫蘭義．化工過程模擬實(shí)訓(xùn)-Aspen Plus教程（第二版）[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019：366．

［7］韓興華，董婷，白昊，王艷紅．基于Aspen Plus的氫氣在烴類中溶解度的計(jì)算[J]．中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，37(5)：516-521．

［8］陳剛，劉春柳，王永成．Aspen Plus模擬計(jì)算在連續(xù)重整裝置增產(chǎn)碳五中的應(yīng)用[J]．石化技術(shù)與應(yīng)用，2019，37(1)：46-49．

［9］王彥珺．戊烷精分裝置環(huán)戊烷收率優(yōu)化設(shè)計(jì)之改造正戊烷塔[J]．化工設(shè)計(jì)通訊，2019，45(3)：127．

［10］鄧博文，張瑩，王志超．異戊烷分離塔熱泵精餾節(jié)能研究[J]．化工技術(shù)與開發(fā)，2020，49(11)：63-65．

Application of Heat Pump Distillation Technology in Separation of C5Mixed Alkanes

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（School of Chemical and Environmental Engineering, Jianghan University, Wuhan Hubei 430056, China）

Two different distillation technologies were proposed for the separation of C5mixed alkanes in the production of isopentene, including the conventional distillation technology and the heat pump distillation technology. Furthermore, based on the simulation and optimization results of the two different distillation technologies using Aspen Plus V11 software, the simulation results of the energy consumption were compared and analyzed. Compared with the conventional distillation technology, the overhead vapor phase direct compression heat pump distillation technology displayed a trend of decline for the energy consumption under the purity of each alkane of more than 99.00%(mass fraction). The cold energy consumption, the heat energy consumption and the total energy consumption were reduced by 42.47%, 53.21% and 47.91%, respectively.

Aspen Plus software; C5mixed alkanes; Heat pump distillation technology; Simulation and optimization; Energy-saving

2021-06-13

汪文?。?000-），男，湖北省武漢市人，研究方向：化學(xué)工程與工藝。

晉梅（1973-），女，副教授，博士，研究方向：化工過程強(qiáng)化與模擬。

TQ028.2+1

A

1004-0935（2022）01-0089-04