热泵精馏技术在碳五混合烷烃分离过程中的应用-辽宁化工2022年01期

摘      要： 采用Aspen Plus V11软件，对异戊烯生产过程中的碳五混合烷烃分离工段分别采用常规精馏技术和热泵精馏技术进行稳态模拟，并对两种不同技术的能耗进行比较分析。结果表明：在满足各烷烃纯度>99.00%（质量分数）的条件下，相比于常规精馏技术，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47.91%，节能效果显著。

关  键  词：Aspen Plus软件;碳五混合烷烃;热泵精馏技术;模拟与优化;节能

中图分类号：TQ028.2⁺1     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2022）01-0089-04

近年来中国炼化一体化和煤（甲醇）制烯烃技术快速发展，乙烯产能持续扩大，其生产过程中产生的碳五混合烷烃随之迅猛增长，已成为乙烯工业不可忽视的伴生资源^[1]。碳五混合烷烃中所含有的异戊烷、正戊烷和环戊烷是石油化工、精细化工和日用化工的宝贵原料，并可衍生出高附加价值的产品。工业生产过程中一般采用连续精馏的分离方法对碳五馏分中各烷烃进行分离，以期获得高纯度的异戊烷、正戊烷和环戊烷^[2]。然而，在采用精馏塔进行各组分分离时，若满足“塔顶和塔底温差小于36 ℃、被分离物质沸点接近以及低压运行时采用冷凝剂^[3]”三个要求，则可采用热泵精馏技术。热泵精馏技术，通过补偿或f75D3YQWW1DLR4Og/4lY5w==消耗机械功，将塔顶气相的热量用于加热塔底物料，以获得节能效果^[4-5]。根据所消耗外界能量的不同，热泵精馏技术分为汽相压缩式热泵精馏和吸收式热泵精馏两种方式。另外，根据压缩机工质的不同，汽相压缩式热泵精馏又可分为塔顶汽相直接压缩式、塔底液体闪蒸式和间接蒸汽压缩式三种类型^[6]。

本文采用Aspen Plus V11模拟软件对来自某石化公司的碳五混合烷烃分别采用常规精馏和热泵精馏技术进行流程稳态模拟与优化，并在满足各烷烃纯度>99.00%（质量分数）的要求下，对上述两种分离技术的能耗进行比较分析，以期在能源供应的短缺的情况下为化工生产过程的节能提供有效的解决方案。

1  碳五混合烷烃分离模拟条件

1.1  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。

1.2  物性方法与模块选择

PENG-ROB适用于不同温度和压力条件下的非极性或弱极性混合物体系。对于碳五混合烷烃分离过程而言，由于过程系统内主要是正戊烷、异戊烷及其混合烷烃等的极性较弱的物系，因此，Aspen Plus模拟中采用PENG-ROB热力学物性方法^[7]。

在碳五混合烷烃分离模拟过程中所涉及的单元操作及模块的选择如表2所示。

2  常规精馏技术模拟

2.1  模拟流程

采用常规连续精馏技术分离碳五混合烷烃^[8-9]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。

2.2  常规精馏技术模拟结果

常规精馏技术模拟思路：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。

3  热泵精馏技术模拟

3.1  模拟流程

在表3优化后的四个精馏塔模拟结果中可以看到：T0102和T0104存在“塔顶塔底温差小且所分离组分沸点相近”的特点，因此，对这两个精馏塔可采用塔顶汽相直接压缩式热泵精馏技术^[10]。热泵精馏技术模拟流程图如图2所示，T0102塔顶产出和回流均为液相，气相馏出物经换热后进入冷凝器液化后分离，T0104产出为气相、回流为液相，气相馏出物经换热后进入冷凝器达到气相分率要求后，经闪蒸罐进行分离，所分离的气相产出、液相进入精馏塔。

2.2  热泵精馏技术模拟

根据图2所建立的模拟流程图进行模拟，由于T0101和T0103未采用热泵精馏，因此模拟结果与表3相同，表4为采用热泵精馏技术后脱碳六塔（T0102）和异戊烷分离塔（T0104）的模拟结果。

从表4模拟结果可知：采用热泵精馏技术后，环戊烷、正戊烷和异戊烷的分离精度（质量分数）分别为：99.03%、99.59%和99.70%，不仅满足分离精度要求，同时与常规精馏技术的分离精度具有一致性。

2.3  常规精馏与热泵精馏的能耗对比

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5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5和图3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。

3  结 论

从碳五混合烷烃中分离异戊烷、正戊烷和环戊烷，一般采用常规的四塔连续精馏分离技术。然而，由于脱碳六塔和异戊烷分离塔具有“塔顶和塔底温差较小、分离组分沸点接近”的特点，因此，提出采用塔顶汽相直接压缩式热泵精馏技术进行碳五混合烷烃的分离。基于Aspen Plus V11流程稳态模拟软件，采用PENG-ROB热力学物性方法，选取合适的过程系统单元模块，搭建常规连续精馏和热泵精馏模拟流程图，对某石化公司碳五混合烷烃的分离工段进行稳态模拟与优化。在模拟计算中，通过DSTWU模块的简捷计算、RadFrac模块的严格计算及灵敏度分析后，一方面可得到优化后精馏塔工艺参数，另一方面，可对两种不同分离技术的能耗情况进行对比。能耗对比结果表明：在满足环戊烷、正戊烷和异戊烷纯度>99.00%（质量分数）条件下，相比于常规精馏技术，采用塔顶蒸汽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47.91%，可有效解决化工生产过程中能源供应短缺的问题。

参考文献：

[1]苏珍.裂解碳五馏分分离过程的模拟研究[D].中国石油大学（华东），2016：1-2.

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[5]李若晗，姬爱民.基于热泵循环的水蒸发浓缩系统研究[J].辽宁化工，2021，50（1）：89-91.

[6]孙兰义.化工过程模拟实训-Aspen Plus教程（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2019：366.

[7]韩兴华，董婷，白昊，王艳红.基于Aspen Plus的氢气在烃类中溶解度的计算[J].中北大学学报（自然科学版），2016，37（5）：516-521.

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[9]王彦珺.戊烷精分装置环戊烷收率优化设计之改造正戊烷塔[J].化工设计通讯，2019，45（3）：127.

[10]邓博文，张莹，王志超.异戊烷分离塔热泵精馏节能研究[J].化工技术与开发，2020，49（11）：63-65.

Application of Heat Pump Distillation Technology in Separation of C₅ Mixed Alkanes

WANG Wen-jian， MENG Yuan， SUN Guo-jiang， TANG Xiao-lin， ZOU Lin-ling， AN Liang， JIN Mei

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

Abstract：  Two different distillation technologies were proposed for the separation of C₅ mixed 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.

Key words：  Aspen Plus software; C₅ mixed alkanes; Heat pump distillation technology; Simulation and optimization; Energy-saving