杨德明，王  颖，谭建凯，蒋  宇，高晓新*

 （常州大学石油化工学院，江苏常州213164）

 摘要：以正己烷、环己烷、异辛烷三元混合烷烃的分离为研究对象，利用Aspen Plus软件，选用RK -SOAVE方程，以年总费用( TAC)最低为目标函数，考察了中间组分分配比对热偶精馏的能耗及TAC等方面的影响，得到最佳分配比为0.47。在此基础上，把蒸汽再压缩( MVR)热泵技术应用于热偶精馏，提出了MVR热偶精馏工艺，研究了压缩比对MVR热偶精馏的影响，得到了相关的工艺参数和设备参数。研究结果表明,MVR热耦精馏与常规热耦精馏相比，可节能约38%，节省年总费用约48%。

 关键词：混合烷烃；热偶精馏；MVR热泵技术；模拟；年总费用

 中图分类号：TQ028文章编号：0253 -4320(2016)03 -0156 -04

 DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 03. 040

 多元混合烷烃，如正己烷、环己烷、异辛烷的分离纯化在医药、化工、电子等行业普遍存在。传统的分离方法采用连续或间歇精馏，能耗较高。对于三元体系的分离，研究最多的节能分离工艺是热耦精馏。热耦精馏是强化热集成的一条较为有效的途径，不仅可以减少设备投资费用，还可以降低能耗。但在热耦精馏工艺中，塔顶蒸汽潜热通常由冷却介质带走，造成了热量的不可逆损失，未能达到理想的节能效果。而机械蒸汽再压缩( MVR)热泵精馏技术则是把塔顶蒸汽通过压缩机压缩后，提高其蒸汽的品位，用于塔底供热，构成了塔顶塔底的自身热平衡，从而达到最大幅度节能的效果。本文中将MVR热泵技术应用于热耦精馏中，以正己烷、环己烷、异辛烷三元体系的分离为研究对象，分析考察该工艺的综合经济效益。

1模拟规定与评价函数

1.1模拟规定

 以正己烷(A) -环己烷(B)-异辛烷(C)三元混合烷烃为研究对象，处理量5 000 kg/h，饱和液体进料。其中含正己烷0.2（质量分数，下同）、环己烷0.6、异辛烷0.2，要求分离得到的各组分纯度均不小于0. 995。塔顶冷源选用冷却水，进出口温度分别取33、38℃；塔底热源选用0.2 M Pa饱和水蒸汽。

 热力学状态方程的选用对精馏模拟计算结果的准确性影响很大。烷烃属于非极性分子，故物性方法选用Aspen Plus软件中的RK -SOAVE方程，二元交互参数计算选用RKSKBV方程。压缩机的模拟选用软件中的Compr.离心压缩机模型，精馏塔的模拟选用RadFrac.严格精馏模型，塔板采用浮阀塔盘。

1.2评价函数

  精馏工艺的择优通常是以年总费用TAC( totalannual cost)最小为依据。TAC由年操作费用OC（operating cost）和年均设备费用CI( capital  invest-ment)2部分构成。操作费用包括塔顶冷却水费用、塔底加热蒸汽费用及压缩机电费；设备费用包括精馏塔塔体、塔盘、压缩机及换热器费用，计算公式如下：

2常规热耦精馏

 参见图1，常规热耦精馏在分离三组分时，预分塔(C1)先将ABC粗分为AB和BC 2组混合物，AB混合物(Sl)进入主塔(C2)上部，BC混合物(S4)进入主塔下部，主塔塔顶得到轻组分A，塔釜得到重组分C，中间组分B则在主塔中部侧线采出。在模拟热耦精馏塔系时，由于两塔的关联变量多、关联程度高，导致计算难以收敛。为此引入其等价双塔精馏模型（见图2），将等价双塔精馏的优化模拟结果作为模拟热耦精馏塔系的初值，即把等价双塔精馏模拟得到的塔顶馏出液量和塔底蒸发量分别作为热耦精馏塔系S2和S3流股的初值。

 从图3可以看出，中间组分分配比对分离塔的热负荷及TAC均有较大的影响。随着中间组分分配比的加大，热负荷及TAC均呈现由大变小，再由小变大的趋势，当β=0. 47时，热负荷及TAC均达到最小值，即组分B在预分塔塔顶进入主塔的量略小于在预分塔塔底进入主塔的量。这是因为AB组分的平均相对挥发度为1. 46，而BC组分的平均相对挥发度为1. 64，这意味BC体系比AB体系更容易分离些，因而中间组分B在BC体系中的含量高，则主塔的分离能耗就低，模拟结果与理论分析结果是一致的。

 在最佳分配比条件下，模拟得到了预分塔和主塔中各组分的液相浓度分布，见图4和图5。从图4中可以看出，预分塔塔顶物料中组分C含量接近0，而塔釜物料中组分A含量也接近0，表明在预分塔中，组分A和C基本实现了完全分离。对于中间组分B而言，从进料板开始，往塔顶塔釜均呈现单一的上升趋势，这样可以有效避免返混现象，降低能耗。从图5中可以看出，主塔的塔顶、侧线以及塔釜分别分离得到纯度较高的组分A、B、C，组分B的浓度在侧线（第48块）最高。

3 MVR热偶精馏

 热耦精馏的预分塔不设冷凝器和再沸器，其塔底气相由主塔下部引入，而塔顶回流则由主塔的上部引入，因此预分塔无需加热介质和冷却介质。热耦精馏系统的能耗主要消耗在主塔的塔底，塔底供热转化为塔顶蒸汽潜热，再由冷却介质带走，造成了热量的不可逆损耗。基于MVR热泵的节能原理，将MVR热泵技术应用于热耦精馏系统，即主塔塔顶蒸汽经蒸汽压缩机压缩后，提高其温位，用于主塔塔底的供热，形成主塔的自热循环，以达到最大幅度的节能效果，MVR热耦精馏流程见图6，图中虚线表示辅助再沸器。

 由图6可知，MVR热耦精馏系统的能耗主要取决于蒸汽压缩机的电耗。压缩相同的塔顶蒸汽量工况条件下，压缩比大，操作费用高；压缩蒸汽与塔底物料的换热温差变大，塔底换热器的面积减小，设备投资费用就低。因此压缩比是MVR热耦精馏系统的关键参数，同时影响操作费用和设备投资费用。规定中间组分B的分配比β=0. 47，改变压缩比，模拟得到MVR热耦精馏系统的各工艺参数及设备参数，代人评价函数计算年操作费用( OC)、年均设备费用( CI)及年总费用(TAC)，压缩比与以上三者的关系见图7。可见，随着压缩比的增大，年均设备费用下降，而操作费用则上升，由于操作费用在年总费用中的占比较大，导致年总费用随压缩比的增大而增加。综合考虑塔底换热温差及TAC的变化趋势，选择压缩比为3.0，此时塔底换热温差为100C，TAC为226.3万元。

4 2种热耦精馏模拟结果比较

 对于常规热耦精馏，优化结果是分配比β=0. 47；而对于MVR热耦精馏，优化结果是压缩比为3．0（在β=0. 47条件下）。2种热耦精馏的部分优化模拟结果见表1，对于MVR热耦精馏，由于主塔塔顶的压缩蒸汽冷凝潜热为1082 kW，略小于主塔塔底需求的热负荷，因此需补充193 kW热量。可以看出，压缩机消耗187 kW的电功率，可回收利用塔顶1 082 kW的热量，即工况性能系数COP=1082/187=5.79。MVR热耦精馏与常规热耦精馏比较，其能耗减少约38%，年总费用(TAC)节省约48%。

5结论

 (1)对于三组分的常规热耦精馏分离工艺，中间组分在预分塔塔顶和塔底的分配对整个分离塔系的能耗及年总费用均有较大的影响。对于本研究体系，最佳分配比为0. 47。

 (2)引入等价双塔精馏模型，以其计算结果赋以热偶精馏模拟的初值，可加快热偶精馏模拟的速度，提高其计算精度。

 (3) MVR热耦精馏比常规热耦精馏无论在能耗还是综合经济效益方面，均凸显显著的优势。两者相比，前者较后者节能约38%，节省年总费用约48%。

 (4) MVR热泵技术的应用已工业化，因此如果能解决热耦精馏塔系中两塔间的流股控制，可以预期MVR热耦精馏工艺将会有很大的工业应用前景。