夏永偉

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于生活質(zhì)量要求越來越高，而清潔能源和可再生能源成為了我們關(guān)注的重點(diǎn)。近年來我國大力開展節(jié)能減排活動(dòng)。傳統(tǒng)精餾技術(shù)存在著能耗高，能源利用率低等缺點(diǎn)。由于能源緊缺，環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，節(jié)能減排成為國家發(fā)展的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：熱泵精餾技術(shù);碳五混合烷烴;分離過程;

近幾年來，中國的煉化一體化、煤炭制烯烴技術(shù)得到了迅速發(fā)展，乙烯產(chǎn)量不斷增加，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的碳五雜環(huán)烷烴。異戊烷、正戊烷和戊烷是石油化工、精細(xì)化工、日用化工的重要原料，具有較高的附加值。在工業(yè)生產(chǎn)中，碳五餾分中的烷烴通常是通過連續(xù)蒸餾來分離，從而獲得高純度的異戊烷、正戊烷和環(huán)戊烷。而在使用蒸餾塔進(jìn)行分離時(shí)，若滿足以下三個(gè)條件，即：“塔頂與塔底溫度不超過36℃，被分離物質(zhì)的沸點(diǎn)相近，在低壓下使用冷凝劑”，可以選用熱泵蒸餾技術(shù)。采用熱泵蒸餾技術(shù)，可以將蒸餾塔內(nèi)的蒸汽熱直接用于對(duì)塔內(nèi)物料進(jìn)行加熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)塔內(nèi)物料的有效補(bǔ)充和損耗。

一、碳五混合烷烴分離模擬條件

（一）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。

（二）物性方法與模塊選擇

PENG-ROB適用于在各種溫度和壓強(qiáng)條件下的非極性或弱極性氣體混合物體系。針對(duì)碳五混合烷烴分離過程來說，由于過程體系內(nèi)大部分為正戊烷、異戊烷，以及混合烷烴體系中的極性較弱的物系，所以，在AspenPlus建模中使用了PENG-ROB熱力學(xué)物性方法。在碳五混合烷烴分離建模步驟中，所包含的單元操作和模型的選擇將如表二所給出。

二、常規(guī)精餾技術(shù)模擬

（一）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。

（二）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(duì)精餾塔進(jìn)行簡(jiǎn)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(jiǎn)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。

三、熱泵精餾塔的流程模擬與裝置

（一）熱泵精餾塔的軟件簡(jiǎn)介

在精餾過程中，塔設(shè)備是最基本的輔助裝置，它不僅能保證整個(gè)操作流程順利進(jìn)行而且對(duì)提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要。因此對(duì)于傳統(tǒng)工藝中運(yùn)用較少且復(fù)雜的分離技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)。但是隨著科技發(fā)展迅速、經(jīng)濟(jì)效益好以及節(jié)能減排等方面不斷被發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)后得到了優(yōu)化與升級(jí)改造后才能獲得新產(chǎn)品或具有更高性能指標(biāo)要求時(shí)便可采用精餾塔來滿足其需求，從而進(jìn)一步促進(jìn)我國石油工業(yè)的快速成長(zhǎng)，為國家創(chuàng)造更多財(cái)富價(jià)值。在精餾塔中，有很多操作參數(shù)，如：溫度、壓力、效率等。這些工藝參數(shù)都對(duì)混合物的分離效果產(chǎn)生了很大影響。例如對(duì)于泡菜的選擇應(yīng)當(dāng)選擇適合于高濃度低揮發(fā)度氣體和高沸點(diǎn)有機(jī)物料;而對(duì)于油水混合后需要保證各組分之間不會(huì)相互干擾且不能出現(xiàn)漏液現(xiàn)象;此外還包括泵型設(shè)計(jì)與控制技術(shù)等等，在精餾塔中使用合適操作條件能夠使其更好地發(fā)揮作用，從而提高生產(chǎn)效率、減少能源消耗。在我國石油行業(yè)中，對(duì)油水混合后需要得到高效的精餾工藝，而對(duì)于分離技術(shù)要求較高。因此就目前而言國內(nèi)研究人員都傾向于使用傳統(tǒng)塔來進(jìn)行精餾操作。

（二）流程模擬與裝置的過程

（1）流程模擬將整個(gè)系統(tǒng)中的所有設(shè)備按照工藝順序進(jìn)行串聯(lián)布置，并在每個(gè)過程設(shè)置控制點(diǎn)，通過對(duì)各參數(shù)設(shè)置，形成一個(gè)完整而又邏輯清晰的系統(tǒng)。該方法是根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)計(jì)和優(yōu)化流程。它可以用于工業(yè)生產(chǎn)。對(duì)于一些特殊操作或某些特定條件下必須采用特殊處理方式時(shí)使用;也可用來研究某些復(fù)雜情況下所需設(shè)備與其他裝置連接問題等（2）工藝分析將整個(gè)過程中每個(gè)步驟進(jìn)行串聯(lián)布置，并在每個(gè)過程中設(shè)置控制點(diǎn)，通過對(duì)該控制點(diǎn)的建立，將其與其他裝置進(jìn)行串聯(lián)布置。（2）流程圖模擬主要是利用各種閥門及連接器等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)和壓力流量之間的關(guān)系分析、計(jì)算以及各單元操作條件下各個(gè)部件所需傳遞能量情況和溫度變化曲線等信息。

四、碳五混合烷烴分離工藝流程

（一）工藝條件的選擇

選擇了合適的工藝條件，可以降低能耗，提高生產(chǎn)效率。熱泵精餾塔是一種連續(xù)操作過程。在高壓蒸汽和冷凝水存在下進(jìn)行分離時(shí)需要先對(duì)混合物中各組分進(jìn)行回收利用;而對(duì)于輕物質(zhì)則要采用特殊處理設(shè)備來實(shí)現(xiàn)脫除或過濾等流程后再排放到大氣環(huán)境中會(huì)造成二次污染問題;所以選擇了合適的工藝條件會(huì)使整個(gè)工藝系統(tǒng)得到優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率降低能耗、延長(zhǎng)其使用壽命。目前，我國使用的干法精餾技術(shù)主要是采用干式泵循環(huán)方式進(jìn)行分離和輸送。其優(yōu)點(diǎn)為：可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作、設(shè)備投資少;可實(shí)現(xiàn)塔釜溫度控制。但是，目前我國對(duì)于石油、天然氣等高耗能的化工生產(chǎn)，仍然采用干式泵循環(huán)方式進(jìn)行精餾。在實(shí)際操作過程中可以采取以下工藝方案：將蒸汽和冷凝水直接通過塔底供熱交換;利用塔頂回油裝置作為回流介質(zhì)。這種方法不僅效率低而且對(duì)設(shè)備腐蝕性大而不能達(dá)到節(jié)能目的且不適合國內(nèi)應(yīng)用，所以本文選擇了該工藝方案的一種組合蒸餾法精制干稀液體（即二甲醚）來進(jìn)行研究與生產(chǎn)。

（二）混餾塔的優(yōu)化

由于工藝條件的限制，目前國內(nèi)應(yīng)用較多的是混餾塔。對(duì)于不同類型的混合器其優(yōu)缺點(diǎn)也存在差異。1、在精餾過程中采用了不同比例段分液面高度和高程。以泡狀液體為研究對(duì)象，通過對(duì)各組分進(jìn)行分離分析得出：當(dāng)氣相線重合度>0.01時(shí)得到最佳參數(shù)組合順序表;而如果是直鏈烷烴則應(yīng)根據(jù)此設(shè)計(jì)選擇相應(yīng)的塔式結(jié)構(gòu)，并計(jì)算出其壓降以及塔頂溫差等。2、在精餾過程中，由于工藝條件的限制，而塔底溫差則是根據(jù)物料特性及操作需要來確定。3、對(duì)于液相線與氣相線相比時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)同向分離情況。4、為了降低壓降和提高產(chǎn)品質(zhì)量以及減少能耗等方面采用了連續(xù)回流流程（即一段串聯(lián)精餾過程）;5、在混料塔內(nèi)直接加料物進(jìn)行混合后，通過塔盤分離液體后，再進(jìn)入降液器，進(jìn)行循環(huán)泵的操作。

五、熱泵精餾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）熱泵精餾技術(shù)原理

熱泵的精餾過程是利用冷凝液和蒸汽作為能量傳遞介質(zhì)，將氣相中的液體加熱到飽和狀態(tài)，液態(tài)烴通過塔板式冷卻器吸收后得到熱量。在精餾過程中使用了循環(huán)壓縮機(jī)。該設(shè)備具有較高效率、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn);但是由于存在溫度差異較大以及操作條件苛刻等因素影響下其應(yīng)用效果較差且對(duì)裝置維護(hù)成本要求高等缺點(diǎn)使得其很難被推廣和運(yùn)用起來，因此，目前還未被廣泛的應(yīng)用和推廣。熱泵精餾技術(shù)是一種新型高效節(jié)能的工藝設(shè)備。它以高壓蒸汽作為能量傳遞介質(zhì)將氣相中液體部分加熱成液滴（或蒸氣）后再通過塔板式冷卻器降溫至飽和狀態(tài)，從而得到所需混合物溫度范圍為：在一定壓力下達(dá)到了汽化焓變平衡時(shí)其混合物被稱為分離器;當(dāng)壓力低于某一值時(shí)便成為冷凝水，該過程繼續(xù)進(jìn)行。在精餾過程中，混合物的溫度與壓力具有不同程度地差異，因此可以通過改變各組分沸點(diǎn)以及蒸氣壓來調(diào)節(jié)其濃度以獲得所需分離質(zhì)量。

（二）熱泵精餾控制系統(tǒng)

隨著我國能源危機(jī)的加劇，人們開始關(guān)注并重視了石油行業(yè)，在這種情況下熱泵技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前國內(nèi)研究和使用最多的是精餾塔。精餾塔是將油水混合物加熱到沸點(diǎn)以下。通過分離液體中主要雜質(zhì)、冷凝后得到混合物純度高的工藝設(shè)備，該操作具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì);另外還可以節(jié)約能源提高經(jīng)濟(jì)效益，該操作也是一種節(jié)能環(huán)保的工藝設(shè)備。精餾塔在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，但由于其分離效果差，所以還需要進(jìn)一步優(yōu)化改造和完善。

結(jié)語：

在碳五混合烷烴分離過程中，精餾塔是其最重要的核心部件之一。它直接影響到后續(xù)操作人員和設(shè)備是否安全可靠。因此我們必須要加強(qiáng)對(duì)工藝流程及生產(chǎn)裝置進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，這樣才能提高分離效率、減少能源浪費(fèi)以及降低能耗保證企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化等目標(biāo)。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 3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(duì)比如圖 3 所示。從表3和圖4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。

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