基于MVR热泵精馏的乙醇-异丙醇分离工艺

化工进展1344CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2014年第33卷第5期应用技术基于MVR热泵精馏的乙醇-异丙醇分离工艺杨德明,叶梦飞,杜鹏,高晓新(常州大学石油化工学院,江苏常州213164墒要:常规精馏分离♂醇-·异丙醇小温差体系的能耗较高,为此本文将两种杋械蒸汽再压缩(MV)热泵精馏工芑,即塔顶蒸汽直接压缩供热和塔底洨相闪蒸压缩倛热精馏工艺应用于乙醇-异丙醇的分离硏究。利用 Aspen Plus化工流程模拟软件中的严格精馏模块 Radfrac和压缩机模块 Compr,选用 Wilson -RK方程计算物性教据,以分离过程的能耗最低为目标函数,对以上提出的两种MVR热泵精馏工芑分别在不冋操作压力工况条件下进行了模拟与优化,得到了各自相关的工艺参数和设备参数。研究结果表明:与常规精馏工艺相比,以上两种MVR热泵精馏工艺节能分别为93.2%和93.4%。利用模拟得到的相关欻据,估算了以上两种MVR热泵精馏工艺的平均年总费用,并进行了综合经济效益评价。结果表明:以上两种MR热泵精馏工艺的伻均年总费用基本持平,因此以上两种MⅤR热泵精馏工艺均是分离该体系较为合适的方法关键词:乙醇-异丙醇;MVR热泵精馏;模拟;年总费用;节能中图分类号:TQ028文献标志码:A文章编号:1000-6613(2014)05-1344-04DOI:10.3969ssn.10006613.2014.05.045Research on technologies for separating ethanol and isopropanol based onthe Mvr heat-pump distillationYANG Deming, YE Mengfei, DU Peng, GAO XiaoxinCollege of Petrochemical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, Jiangsu, CHAbstract: Because high energy consumption for separation of small temperature difference systemsuch as ethanol and isopropanol has been always a problem in the separation process of ethanol andisopropanol, this paper investigated two kinds of mechanical vapor recompression(MVR) heat-pumpdistillation processes, tower top vapor recompressed heat-pump distillation and tower bottom liquidflash recompressed heat-pump distillation. Based on the minimum energy consumption for separatingethanol and isopropanol, the simulations for the two schemes were performed by Aspen Plus with theRadfrac. module Compr. module and Wilson-RK equation. The suitable operating parameters andlevice parameters were obtained under different operating pressure conditions. The research showedthat the two MVR heat-pump distillation processes can save energy by 93.2% and 93. 4% respectivelycompared with the conventional distillation process. The average annual total cost(ATC) for the twoMVR heat-pump distillation processes was estimated based on the simulation results, and the overallanalysis of economic benefits was evaluated. The results showed that the atC for the two MVRheat-pump distillation processes were similar, indicating both schemes would be suitable for theseparation of ethanol and isopropanolKey words: ethanol-isopropanol; MVR heat-pump distillation; simulation; annual total cost; energysavil收稿日期:2013-10-31:;修改稿日期:2013-12-25。要从事分离工程与计算机模拟方面的研究。E- mail dmy216a163com第一作者及联系人:杨德明(1966-),男,教授,硕士生导师第5期杨德明等:基于MVR热泵精馏的乙醇-异丙醇分离工艺1345·小温差体系的精馏分离存在塔板数多、能耗髙降低。但总换热面积先降低后升髙。这是由于随着等问题。乙醇和异丙醇的沸点相差仅4℃,因此采塔顶温度降低,导致塔顶传热温差减小,冷凝器换用常规精馏,过程的能耗势必会很高。有文献报道热面积大幅度增加,超过了塔底再沸器换热面积的釆用共沸精馏分离乙醇和异丙醇,但由于共沸剂用减小量。总之,采用减压精馏分离乙醇-异丙醇是量较大,塔顶蒸出乙醇与共沸剂的混合物需进一步种比较节能的方法。考虑到冷却水温度的限制,操分离才能得到乙醇,此流程较为复杂且能耗较高。作压力不宜过低。另有文献报道采用减压精馏,以增大乙醇和异丙醇的相对挥发度,可以起到一定的节能效果2。2MVR热泵精馏工艺基于乙醇-异丙醇体系分离能耗高的特点,本文2,1MⅤR热泵精馏流程作者采用 Aspen Plus化工流程模拟软件,模拟不同机械蒸汽再压缩(MVR)热泵蒸馏技术4是操作压力条件下的MVR热泵精馏工艺,从能耗和将过程产生的二次蒸汽经压缩机压缩后,提髙蒸汽综合经济效益两个方面评价MVR热泵精馏工艺,的压力、温度和焓值,再将此高温高压蒸汽在换热以期为分离类似乙醇-异丙醇小温差体系提供一条器中冷凝放热,充分利用其二次蒸汽的潜热,以达能耗低、经济效益明显的工艺路线。到大幅度节能的效果。本文将塔顶蒸汽直接压缩供1常规精馏工艺模拟热工艺(图1)和塔底液相闪蒸压缩供热工艺1(图2)应用于乙醇异丙醇体系的分离。1.1基础数据从图1可见,塔顶蒸汽直接压缩供热是指将塔规定乙醇-异丙醇混合物的处理量为500kgh,顶蒸汽经压缩机压缩后,形成高温高压蒸汽,此蒸其中乙醇的含量为45%(质量分数,下同),异丙汽通过塔釜再沸器释放潜热直接给塔釜供热,然后醇的含量为55%,料液为常温。要求乙醇和异丙醇再经过塔顶冷凝器进一步降温后,部分回流,部分产品的纯度均大于99%。塔顶采用循环冷却水冷却采出。该工艺充分利用了塔顶蒸汽的潜热,不仅省(进出口温度分别取33℃和38℃),塔底采用去了大量的新鲜蒸汽,同时还节省了部分塔顶冷却02MPa的饱和蒸汽加热水,大幅度提高了节能效果。1.2常规精馏工艺模拟从图2可见,塔底液相闪蒸压缩供热是将塔釜选用填料精馏塔,填料类型为 Mellapak5σoⅩ液体岀料经节流闪蒸降温降压后,作为冷剂送至塔型规整填料,HETP取0.2m,模拟计算了不同操顶冷凝器与塔顶蒸汽换热,吸收热量后蒸发为汽体,作压力条件下的能耗以及相关工艺参数,结果见再经压缩机压缩升温升压后返回塔釜作为再沸器热表1。源,塔顶蒸汽则冷凝成为液体。该工艺充分利用了由表1可以看岀,随着操作压力的降低,体系塔底物料的显热,把塔底显热转化为潜热,以达到的相对挥发度增大,因此回流比降低,能耗也明显大幅度节能的效果。表1不同操作压力下常规精馏工艺模拟结果多次模拟结果塔顶压力/kPa塔顶温度/℃75.772.869.665961756.882880.377674571.2674629比较器回流比(质量比19.218016,915.915.314413.8冷凝器热负荷W1007195409060879783738116再沸器热负荷Wl0IlI95809109884484198159理论塔板数/块100100100塔径/m2.672.642612.592612.61265填料层高度/m总换热面积/m2956848768703683672713图1塔顶蒸汽直接压缩供热工艺流程1346·化工进展2014年第33卷23塔底液相闪蒸压缩热泵精馏工艺模拟为满足与塔顶蒸汽直接压缩工艺相近的换热温差,计算得到的压缩比是2。为保证塔釜料液经节流换热压缩后的汽相仍能返回塔底,该汽相必须要满足以下两个条件:①温度不小于塔底温度;②压进料力不小于塔底压力。在满足以上两个条件的同时,还要考虑到节流后的流体与塔顶蒸汽有一定的传热温差。通过计算,塔的操作压力不能低于60kPa,否则就无法满足以上条件。本工艺中,压缩机进汽量(塔釜料液节流量)是一个关键的工艺参数,直接影响着塔内的汽液负荷,对各工艺参数及分离效果的影响均很大。因此,在规定了塔的操作压力和图2塔底液相闪蒸压缩供热工艺流程满足分离要求条件下,通过优化压缩机进汽量,模拟计算各工艺参数和能耗,结果见表3。22塔顶蒸汽直接压縮热泵精馏工艺模拟由表3可知,压缩机进汽量随操作压力的递减使用 Radfrac·精馏模块模拟计算填料精馏塔、而逐渐下降,这是因为压力的降低提高了体系的相Compr压缩机模块模拟压缩机,并规定塔底再沸器对挥发度,从而降低了塔的汽液操作负荷,导致压的换热温差为10℃,改变压缩比和压缩机进气量,缩机进汽量的下降。节流阀后压力的设定是基于返调整再沸器的热负荷,在保证产品纯度的条件下,回汽相的压力略大于塔的操作压力的原则。模拟结使塔顶蒸汽经压缩后冷凝释放的热量与再沸器热负果可知,在不同的操作压力下,总换热面积变化不荷相匹配。该过程只需压缩机消耗少部分功便能完大,而压缩机功耗却随操作压力的降低而下降。全提供再沸器所需的热量。表2给出了不同操作压力条件下的工艺参数及能耗3精馏工艺的比较表2结果表明,随着操作压力降低,体系相对3.1能耗比较挥发度增大,塔底蒸发量减小,导致压缩机进汽量根据以上模拟得到的能耗数据,对不同精馏工减少,压缩机功耗降低。塔底再沸器的面积在总换艺在不同操作压力条件下的能耗(压缩机的功耗)热面积中占的权重比较大,由于塔底再沸器的热负进行了汇总,结果见表4。荷随着操作压力的降低而减小,因而计算得到的总换热面积也随之减小。表3塔底液相闪蒸压縮热泵精馏工艺模拟结果项模拟结果表2塔顶蒸汽直接压缩热泵精馏工艺模拟结果塔顶压力kPa101.3优化模拟结果塔顶温度/℃78.375869665.9塔顶压力P210139080706050塔底温度/℃塔顶温度/℃C78.375.772.869565961.7压缩机出口饱和温度/℃C880.577.774771.3塔底温度℃82880.377674.571.2冷凝器热负荷/V5624588553527冷凝器热负荷W769723551522504497再沸器热负荷kW98839447再沸器热负荷k塔径/m2662642622612.61塔径/m2,712692.642622632.67填料层高度/m压缩机进汽量kgh5400052000490004650044200压缩机进汽量kght14434841194390663738036295压缩机功耗kW7138767134630.4759740563.18压缩比(量纲为1)1911.88节流阀后压力kP压缩机功耗W792.1473129597.87579.78575.64584.1966.664.361959.256.1塔底再沸器换热温差/C101010101010塔顶冷凝器换热温差/C8411.059,958.357.6-总换热面积m2118311351021977943927换热面积/m2124l917041168第5期杨德明等:基于MVR热泵精馏的乙醇-异丙醇分离工艺1347·表4不同精馏工艺在不同操作压力下的能耗比较计算结果见表5。可见,两种MVR热泵精馏能耗/kW精馏工艺工艺的平均年总费用基本持平,塔顶蒸汽直接压缩1013 kPa 90kPa8kPaπkPa6kPa热泵精馏工艺和塔底液相闪蒸压缩热泵精馏工艺的常规精馏1069510111958091098844平均年总费用分别是常规精馏工艺的20.999顶蒸汽直接7921473129597875797857564(547.65/2608.29)×100%20.999和20.75%。压缩热泵精馏4结论塔底液相闪蒸713.8767134630.4759740563.18压缩热泵精馏(1)减压操作可以提高乙醇-异丙醇的相对挥发度,有利于降低分离过程的能耗。由表4看出,随着操作压力的降低,3种工艺(2)MVR热泵精馏技术适用于类似乙醇-异丙过程的能耗明显下降。与常规精馏工艺相比,MVR醇小温差体系的分离,可以大幅度降低分离过程的热泵精馏工艺节能效果显著,即塔顶蒸汽直接压缩能耗。热泵精馏和塔底液相闪蒸压缩热泵精馏工艺平均节(3)对于乙醇-异丙醇的分离,与常规精馏相能分别为932%和934%,而两种MVR热泵精馏工比,塔顶蒸汽直接压缩热泵精馏工艺与塔底液相闪艺节能效果基本持平蒸压缩热泵精馏工艺的节能效果分别为93.2%和3.2综合经济效益评价93.4%。为进一步比较以上两种蒸汽压缩热泵精馏工(4)综合经济效益评价表明,塔顶蒸汽直接压艺,本文通过综合经济效益,即用年总费用(δ)进缩热泵精馏工艺和塔底液相闪蒸压缩热泵精馏工艺行评价。年总费用主要包括以下四部分:塔釜加热其平均年总费用分别是常规精馏工艺的20.99%和蒸汽费用(a)、塔顶冷却水费用(β)、压缩机耗电20.75%,两种MVR热泵精馏工艺均是一条低能耗、费用(y)和设备折旧费(2)。设备费用主要包括塔综合经济效益明显的分离工艺。器、压缩机、换热器三部分。假定设备使用周期为参考文献10年,年工作量按7200h计,则可以采用以下费用模型计算各精馏工艺的年总费用112[]张鸾,朱宏吉,白鹏.共沸精馏分离乙醇-异丙醇[J化工进展012,31(10):2187-2190f+件2]曹裕清,李志中,王施芹,等.减压精馏分离乙醇与异丙醇二元a=CB(7200×3600(QB/rB)1000混合物[门化学工程师,2011(7):12-14B=Cw(7200×3600(4.18×6)/1000[3]俞晓梅,袁孝竞,等.塔器[M].北京:化学工业出版社,20107200CMWM[4]杨德明,陶磊.基于多级蒸汽再压缩热泵的稀DMF水溶液蒸馏浓C(1.35Hx614)+CMr+Cy10缩工艺.石油化工,2012,41(11):1298-1301式中,CB为蒸汽单价,200元吨;Cw为冷却(5韩东,彭涛,梁林,等基于机械蒸汽再压缩的硫酸铵蒸发结晶水单价,0.35元吨;CM为电价,1.1元/千瓦时实验[门化工进展,2009,28(s1):187-189[6]陆恩锡,吴震.蒸馏过程热泵节能-热泵基本原理[.化学工程Cc为塔造价,1250元/立方米;Cλ为换热器造价,850元/平方米;Cy为压缩机造价,120万元/台;TB7 Yumrutas R, Kunduz M, Kanoglu M, Exergy analysis of vapor为蒸汽潜热,2202kJ/kg;c为冷凝器负荷,kWsion refrigeration systems[J]. Exergy, An InternationalOB为再沸器负荷,kW;WM为压缩机电耗,kWJournal,2002,2(4):266-272.H为填料层高度,m;Ar为换热器总面积,m2;p图 Al-Juwayhel F, Dessouky H, Ettouney H. Analysis of single-effect为塔径,m。evaporator desalination systems combined with vapor compressionheat pumps[J]. Desalination, 1997, 114(3): 253-275[9]杨德明,陶磊,叶梦飞,等.MVR热泵精馏处理回收稀DMAC水表5不同工艺的平均年总费用比较溶液[.节能技术,2013,31(181):409-412精馏工艺平均年总费用/万元年1[0]李大伟,贾小平,项曙光,等.热泵精馏流程构建策略及应用研常规精馏究门计算机与应用化学,2007,24(11):15051510塔顶蒸汽直接压缩热泵精馏47.65[I]杨德明,郭新连.多效精馏回收DMF工艺的研究[J.计算札与应用化学,2008,25(10):1202-1206塔底液相闪蒸压缩热泵精馏41.17[2]苏健民,化工技术经济[M北京:化学工业出版社,2009