热泵精馏与常规精馏的热力学分析比较
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热泵精馏与常规精馏的热力学分析比较刘恒宁(中石化宁波工程有限公司，浙江宁波315103'摘要：以实际运行装置的丙烯精馏塔为例，采用PROII 9.4软件对丙烯一丙烷分离过程中常规精馏和热泵精 馏分别，通过分析模拟结果，对比两种精馏方式的公用工程消耗、能耗及其经济性。
关键词：热精馏常规精馏精馏热力学分析石油化工生产中，精馏是应用最广泛且最重 要的传质分离操作单元，据估计90#〜95#的产品 提纯和回收由精馏实现，化工过程40#〜70#能耗 用于分离，而精馏能耗又占其中的95#[1]。
虽然其 具有广泛的工业实践和研究，技术也已经相当成 熟，但随着节能环保日渐成为焦点，精馏过程是节 能挖潜的热点，新技术不断涌现，以克服传统的精 馏设备能耗大、热力学效率低的点，大的经济效。
以分馏得到丙烯、丙烷产品过程为例，由于丙烯和 点常接近，当丙烯纯度要求很 高，达到聚 （质 于99.6#)时，要求 精馏以大的回操作，保 ：品纯度，精馏 的产品精馏工中能耗占 高[2]。
，精馏的能耗节能降耗起着常重要的作用。
，分馏 用 的技术有 精馏 和热泵精馏。
热力学研究以及大量试验研究和工 业应用 ，热精馏精馏过程的能耗[3]。
热精馏以分为工质热泵精馏、热泵精馏和 热精馏 ，其中 热 精馏 用于分离物质点接近的精馏过程，而常应用于精馏。
以中的精 馏 设计为 ，过流程 常精馏计；据工程实 ，用热 精馏 化 计 。
过 能耗和 作 用的 ，工程 度分 其经 ，最 用热 精馏 。
1流程简述和丙烯沸点接近，塔顶和塔釜温差小（±荅顶表压力为2M Pa时，为10°C左右），要 f一 中分离 聚 的高 纯度 ，常需要 的和大的回。
1.1常精馏于丙烯一丙烷混合体系，降低操作压 力有于提高两者的相挥发度，作回流，但常的精馏方法中，通常用循环水提供塔 顶冷却器冷量。
受此限制，作力（，下)一般 1.5〜1.8MPa，作度一般为40〜50 C，塔板数一般为200-300块，回流比为18-25，且由于 过，通常采用串联的双 式[4]。
常精馏6程收稿日期*2018-03-13 (收到修改稿日期*2018-04-23。
作者简介：刘恒宁，女，1964年9月出生，硕士研究生学历，高 级工程师，2009年毕业于华东理工大学化学工程专业，现在中石 化宁波工程有限公司工艺系统室工作。
联系电话*0574-********; E-mail:liuhn.snec@。
2018年6月第41卷第3期^1餘Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryJun.2018Vol.41 No.3丙烯精馏塔1462018年第41卷灰1皱常规精馏的模拟流程如图1所示，丙烯一丙 烷混合物进料进入丙烯精馏塔，塔釜采出丙烷，再 沸器采用低压蒸汽加热；塔顶气相进入冷凝器以 循环水冷却，部分采出作为丙烯产品外输，剩余部 分回流至塔顶。
操作参数：塔顶压力1.84 MPa，塔 顶温度47 !，塔釜压力2.0MPa，塔釜温度60 !$ 1.2热泵精馏热泵精馏应用于丙烯的精馏过程，通常采用 的是塔顶蒸汽压缩型热泵精馏，是以塔顶气体作 为工质的热泵，利用塔顶蒸汽经压缩机压缩后达 到较高的温度，在再沸器中冷凝将热量传递给塔 物料 进入分 ，部分作为丙烯产品产 ，剩余部分再经过水冷器 压后回流至精馏塔顶，模拟流程如图2所示。
图2塔顶蒸汽压缩型热泵精馏流程没有了塔顶冷凝器冷剂循环水的温度限制，大大降低了对塔顶蒸汽温度的要求，因此，热泵精 馏可以采用较低的操作压力，理塔板数相应，给工 的自由度。
操作参数：塔顶压力1.24MPa，塔顶温度30!，塔釜压力1.34 MPa，塔釜温度43!。
2流程模拟计算2.1 热力 程采用PROII 9.4.1软件对上述常规精馏及 热泵精馏流程进行模拟。
于流程 的分主要为丙烷丙烯，热力 采用Peng-Robinson，气液相給值计算米用Lee -Kesler - Plockcr 程，液相密度采用COSTALD方法。
2.2 数模拟中丙烯精馏塔均为205块塔板，精馏塔 进料 如表1所示。
进料流量为201.89t/h，塔 顶丙烯产品流量为85.41t/h;常精馏塔塔釜再沸器热源采用常规低压蒸汽，规格为0.4MPa#塔 顶冷凝器冷采用常循环水，33!升至40 !。
表1进料组成及产品要求质量含量，％组成丙烯丙烷CJ进料42.7055.60 1.70产品要求!99.60一一2.3进料 的对于进料和产品的组成、流量及塔板数均已 确定的精馏体，忽略塔板 ，通过流、再沸器 冷凝器 对进料 的〔度分析可以 精馏塔的 进料 。
如图3所示，进料 100 塔板处力口，在 分要求的，精馏塔的回流比及再沸器和冷凝器的（绝对）负降的趋势；进料 147 塔加，回流 再沸器冷凝器的（对）负将 力口。
因此，进料 在 146〜154 塔 板较为合 。
2.4模拟计算结果分 对常 精馏 热泵精馏 精馏 进 行模拟，到相应的操作参数，如表2所示。
表2丙烯精馏塔操作参数丙烯精馏塔工艺参数热泵精馏 常规精馏塔顶采出量/()h-1)85.485.4产品纯度（质量分数），％99.699.6塔顶压力/MPa 1.24 1.84塔顶温度/!3046塔釜压力/MPa 1.34 2.0塔釜温度/!4360回流比18.021.8从表2可以看出，在产品采出量和纯度都相 的，热泵精馏常精馏相比，有着操作压力低、塔釜温度低、回流比小的优势。
第3期刘恒宁.热泵精馏与常规精馏的热力学分析比较147对于丙烯一丙烷分离，通常常规精馏流程塔釜 用低压蒸汽加热，塔顶采用循环水 -而热泵精馏流程，压缩 用电机驱动，塔顶物流与塔釜物料换热用循环水进行却。
图4为常双塔常精馏流程，图5为常规热泵精馏流程。
从表4 可以看出，常规精馏的生产 为796.37元/t ，比热泵精馏的624.44元/t 高出约27%，热泵精馏产 优势显著。
4工程化定性分析热 计算 工程中的精馏塔设计基础，确定基础数据（塔型、进料及产品组成和流量、公用工程)，流比、最佳进，计算所的数、的热工程 数据 ， 据 塔 的 数 ，水计算塔 数 。
工程， 用种精馏方式 于整体流程方的能量 用，于用工程（产 ）（设）。
这两 对装置精馏系统的， 体技术 ，以下从工程角度分析 。
4.1用工程做为独立 ，公用工程来自于界区外，精馏流程所据分离物的性质进行择。
3热力学定量分析消耗，并依据GB/T 50441—2007《石油化工设计會巨3.1能耗比较耗计算标准》，对两种分离流程进行能耗对比，分根据模拟结果分析两种精馏方式的公用工程析结果如表3所示。
表3公用工程消耗及吨产品能耗对比能耗工质折能指数/MJ 热泵精馏常规精馏小时耗量吨产品耗量折能/(GJ .t -1)小时耗量吨产品耗量折能/(GJ .t -1)0.4 MPa 蒸汽/1 2 826一——267.44 3.138.85循环水/t 4.191 54618.010.0819211224.920.94电 /kWh 10.8918 084762.248.30———合计8.389.79从表3可以看出，由于热泵精馏塔塔釜热源 为压缩后的产品气，完全省去了作为低温热源的 低压蒸汽，同时也节省了量的循环水， 同时 电 的压缩热泵精馏比常精馏的电消耗量，能耗比较依然可以体现热泵精馏的节能优势，折能后热泵精馏的吨产品能耗为8.38GJ /t ，而常规精馏为9.79GJ /t ，比热 泵精馏高出了近17%。
3.2 作费用比较作用方面，热泵精馏与常规精馏的操作 于公用工程消的不同，两者的生产比较如表4所示。
表4公用工程消耗及单位产品能耗对比能耗工质单价/元热泵精馏常规精馏吨产品耗量生产成本/(元.t -1)吨产品耗量生产成本/(元.t -1)0.4 MPa 蒸汽/1230.00循环水/t 0.34电 /kWh 0.68合计18.01762.246.12518.32624.443.13224.92719.9076.47796.37|产品分离塔1482018年第41卷h1儀常规的丙烷-丙烯精馏塔从数值上看能耗很 高(表3)，这是在通常所使用的低压蒸汽为热源的 情况下。
但是能量有品位高低，若装置所在项目群 中有能满足要求的低品位的能量（如急冷水）甚至 是废热（如汽轮机乏汽），且可以作为热源，则可以 显著降低精馏能耗。
有研究表明：采用乏汽的能耗 比采用低压蒸汽的普通精馏低97.04%，比热泵精 馏低95.65%，表明采用乏汽作为热源的常规精馏 在能耗方面最为经济[2]。
因此不仅仅要看能耗，更 要结合 使用能量数量品位（以之）的为 合性指标才有意义。
4.2设 次性投资热泵精馏 为单塔操作，操作压力约1.24 MPa，低压有 ，热泵精馏塔板数可以，但热泵系统在 上 塔的操作性，而且 设 用；常规精馏塔塔 作 压力为1.84MPa，高压不 丙烯-丙烷的，装置为 要求 采用 290以上的塔。
塔板数 ，为降低设备制造难，采用 的塔 ，这在 上设 。
除此以，热泵精馏比常规精馏塔 冷 1塔，但 1压 机，在 次性 面 普通精馏 为 。
然而，常规精馏相比，热泵精馏 塔 ：相和塔 的换热，，压缩机是动设备，机汽轮机，常维护比较。
5结论热 结果，单从能耗 看，常规精馏比热泵精馏高 17%，热泵精馏的能 显著。
这 在 能 为 的，将越来越受重视。
在选择 时，应该多方面比较，尤其对于一 次性投资差异不明显的两 ，^决定性因素。
本文实例常规精馏的 比热泵精馏的 高 27%，热泵精馏优势显著。
而，各工程的公用工 格差异大，据实际情况进行研究。
尽管热泵精馏有显著的能优势，但 大、操作相对复杂、压缩机带来运行 用，故 筹考量。
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