浅析热泵精馏技术在碳五混合烷烃分离过程中的应用

夏永伟

摘要：随着社会的发展，人们对于生活质量要求越来越高，而清洁能源和可再生能源成为了我们关注的重点。近年来我国大力开展节能减排活动。传统精馏技术存在着能耗高，能源利用率低等缺点。由于能源紧缺，环境问题日趋严重，节能减排成为国家发展的重点。

关键词：热泵精馏技术;碳五混合烷烃;分离过程;

近几年来，中国的炼化一体化、煤炭制烯烃技术得到了迅速发展，乙烯产量不断增加，同时也产生了大量的碳五杂环烷烃。异戊烷、正戊烷和戊烷是石油化工、精细化工、日用化工的重要原料，具有较高的附加值。在工业生产中，碳五馏分中的烷烃通常是通过连续蒸馏来分离，从而获得高纯度的异戊烷、正戊烷和环戊烷。而在使用蒸馏塔进行分离时，若满足以下三个条件，即：“塔顶与塔底温度不超过36℃，被分离物质的沸点相近，在低压下使用冷凝剂”，可以选用热泵蒸馏技术。采用热泵蒸馏技术，可以将蒸馏塔内的蒸汽热直接用于对塔内物料进行加热，从而实现对塔内物料的有效补充和损耗。

一、碳五混合烷烃分离模拟条件

（一）设计基础数据

本设计原料的基础数据来自某石化碳五混合烷烃原料，为主要含有正戊烷、异戊烷和环戊烷的混合物，原料中各组分一览表如表1所示。

（二）物性方法与模块选择

PENG-ROB适用于在各种温度和压强条件下的非极性或弱极性气体混合物体系。针对碳五混合烷烃分离过程来说，由于过程体系内大部分为正戊烷、异戊烷，以及混合烷烃体系中的极性较弱的物系，所以，在AspenPlus建模中使用了PENG-ROB热力学物性方法。在碳五混合烷烃分离建模步骤中，所包含的单元操作和模型的选择将如表二所给出。

二、常规精馏技术模拟

（一）模拟流程

采用常规连续精馏技术分离碳五混合烷烃模拟流程图如图1所示。碳五混合烷烃先后依次经过脱环戊烷塔（T0101）、脱碳六塔（T0102）、脱碳四塔（T0103）、异戊烷分离塔（T0104），可以得到所需要的正戊烷、异戊烷和环戊烷的分离精度满足纯度大于99.00%（质量分数）的分离要求。

（二）常规精馏技术模拟结果

常规精馏技術模拟思路：根据分离要求，首先采用DSTWU模块对精馏塔进行简捷计算得到初值，随后将初值代入RadFrac模块进行严格计算，最后采用灵敏度分析优化操作参数。图1中各精馏塔简捷计算及优化模拟结果如表3所示。由表3可知，各精馏塔经过优化后，环戊烷、正戊烷和异戊烷的纯度（质量分数）分别为99.00%、99.59%和99.68%，满足>99%的分离精度要求。

三、热泵精馏塔的流程模拟与装置

（一）热泵精馏塔的软件简介

在精馏过程中，塔设备是最基本的辅助装置，它不仅能保证整个操作流程顺利进行而且对提高生产效率至关重要。因此对于传统工艺中运用较少且复杂的分离技术难以实现。但是随着科技发展迅速、经济效益好以及节能减排等方面不断被发现和改进后得到了优化与升级改造后才能获得新产品或具有更高性能指标要求时便可采用精馏塔来满足其需求，从而进一步促进我国石油工业的快速成长，为国家创造更多财富价值。在精馏塔中，有很多操作参数，如：温度、压力、效率等。这些工艺参数都对混合物的分离效果产生了很大影响。例如对于泡菜的选择应当选择适合于高浓度低挥发度气体和高沸点有机物料;而对于油水混合后需要保证各组分之间不会相互干扰且不能出现漏液现象;此外还包括泵型设计与控制技术等等，在精馏塔中使用合适操作条件能够使其更好地发挥作用，从而提高生产效率、减少能源消耗。在我国石油行业中，对油水混合后需要得到高效的精馏工艺，而对于分离技术要求较高。因此就目前而言国内研究人员都倾向于使用传统塔来进行精馏操作。

（二）流程模拟与装置的过程

（1）流程模拟将整个系统中的所有设备按照工艺顺序进行串联布置，并在每个过程设置控制点，通过对各参数设置，形成一个完整而又逻辑清晰的系统。该方法是根据实际需要来设计和优化流程。它可以用于工业生产。对于一些特殊操作或某些特定条件下必须采用特殊处理方式时使用;也可用来研究某些复杂情况下所需设备与其他装置连接问题等（2）工艺分析将整个过程中每个步骤进行串联布置，并在每个过程中设置控制点，通过对该控制点的建立，将其与其他装置进行串联布置。（2）流程图模拟主要是利用各种阀门及连接器等设备来实现工艺参数和压力流量之间的关系分析、计算以及各单元操作条件下各个部件所需传递能量情况和温度变化曲线等信息。

四、碳五混合烷烃分离工艺流程

（一）工艺条件的选择

选择了合适的工艺条件，可以降低能耗，提高生产效率。热泵精馏塔是一种连续操作过程。在高压蒸汽和冷凝水存在下进行分离时需要先对混合物中各组分进行回收利用;而对于轻物质则要采用特殊处理设备来实现脱除或过滤等流程后再排放到大气环境中会造成二次污染问题;所以选择了合适的工艺条件会使整个工艺系统得到优化，提高生产效率降低能耗、延长其使用寿命。目前，我国使用的干法精馏技术主要是采用干式泵循环方式进行分离和输送。其优点为：可以实现连续操作、设备投资少;可实现塔釜温度控制。但是，目前我国对于石油、天然气等高耗能的化工生产，仍然采用干式泵循环方式进行精馏。在实际操作过程中可以采取以下工艺方案：将蒸汽和冷凝水直接通过塔底供热交换;利用塔顶回油装置作为回流介质。这种方法不仅效率低而且对设备腐蚀性大而不能达到节能目的且不适合国内应用，所以本文选择了该工艺方案的一种组合蒸馏法精制干稀液体（即二甲醚）来进行研究与生产。

（二）混馏塔的优化

由于工艺条件的限制，目前国内应用较多的是混馏塔。对于不同类型的混合器其优缺点也存在差异。1、在精馏过程中采用了不同比例段分液面高度和高程。以泡状液体为研究对象，通过对各组分进行分离分析得出：当气相线重合度>0.01时得到最佳参数组合顺序表;而如果是直链烷烃则应根据此设计选择相应的塔式结构，并计算出其压降以及塔顶温差等。2、在精馏过程中，由于工艺条件的限制，而塔底温差则是根据物料特性及操作需要来确定。3、对于液相线与气相线相比时应避免出现同向分离情况。4、为了降低压降和提高产品质量以及减少能耗等方面采用了连续回流流程（即一段串联精馏过程）;5、在混料塔内直接加料物进行混合后，通过塔盘分离液体后，再进入降液器，进行循环泵的操作。

五、熱泵精馏系统设计

（一）热泵精馏技术原理

热泵的精馏过程是利用冷凝液和蒸汽作为能量传递介质，将气相中的液体加热到饱和状态，液态烃通过塔板式冷却器吸收后得到热量。在精馏过程中使用了循环压缩机。该设备具有较高效率、节能环保等特点;但是由于存在温度差异较大以及操作条件苛刻等因素影响下其应用效果较差且对装置维护成本要求高等缺点使得其很难被推广和运用起来，因此，目前还未被广泛的应用和推广。热泵精馏技术是一种新型高效节能的工艺设备。它以高压蒸汽作为能量传递介质将气相中液体部分加热成液滴（或蒸气）后再通过塔板式冷却器降温至饱和状态，从而得到所需混合物温度范围为：在一定压力下达到了汽化焓变平衡时其混合物被称为分离器;当压力低于某一值时便成为冷凝水，该过程继续进行。在精馏过程中，混合物的温度与压力具有不同程度地差异，因此可以通过改变各组分沸点以及蒸气压来调节其浓度以获得所需分离质量。

（二）热泵精馏控制系统

随着我国能源危机的加剧，人们开始关注并重视了石油行业，在这种情况下热泵技术应运而生。目前国内研究和使用最多的是精馏塔。精馏塔是将油水混合物加热到沸点以下。通过分离液体中主要杂质、冷凝后得到混合物纯度高的工艺设备，该操作具有节能环保等优势;另外还可以节约能源提高经济效益，该操作也是一种节能环保的工艺设备。精馏塔在国内已广泛应用于工业生产中，但由于其分离效果差，所以还需要进一步优化改造和完善。

结语：

在碳五混合烷烃分离过程中，精馏塔是其最重要的核心部件之一。它直接影响到后续操作人员和设备是否安全可靠。因此我们必须要加强对工艺流程及生产装置进行改进与创新，这样才能提高分离效率、减少能源浪费以及降低能耗保证企业经济效益最大化等目标。在满足各烷烃分离要求的前提条件下， 碳五混合烷烃分别通过常规精馏技术和热泵精馏技术的能耗情况如表 3所示， 两种精馏技术冷凝器能耗、 再沸器能耗和总能耗的对比如图 3 所示。从表3和图4可以看到：相比于常规精馏技术，在碳五烷烃分离过程中采用塔顶汽相直接压缩式热泵精馏技术，可节省冷能耗 42.47%、热能耗 53.21%、总能耗降低了 47.91%， 节能效果较为显著。

参考文献：

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[2]胡丽春，张璐阳.蒸汽压缩式热泵精馏技术探讨[J].炼油与化工，2014（2）：9-10，11.

[3]新疆工程学院.碳五烷烃混合物的分离方法及装置：CN202011019768. 5[P].2021-01-05.