基于MVR熱泵精餾的乙醇-異丙醇分離工藝

化工進(jìn)展1344CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2014年第33卷第5期應用技術(shù)基于MVR熱泵精餾的乙醇-異丙醇分離工藝楊德明,葉夢(mèng)飛,杜鵬,高曉新(常州大學(xué)石油化工學(xué)院,江蘇常州213164墑要:常規精餾分離♂醇-·異丙醇小溫差體系的能耗較高,為此本文將兩種杋械蒸汽再壓縮(MV)熱泵精餾工芑,即塔頂蒸汽直接壓縮供熱和塔底洨相閃蒸壓縮倛熱精餾工藝應用于乙醇-異丙醇的分離硏究。利用 Aspen Plus化工流程模擬軟件中的嚴格精餾模塊 Radfrac和壓縮機模塊 Compr,選用 Wilson -RK方程計算物性教據,以分離過(guò)程的能耗最低為目標函數,對以上提出的兩種MVR熱泵精餾工芑分別在不冋操作壓力工況條件下進(jìn)行了模擬與優(yōu)化,得到了各自相關(guān)的工藝參數和設備參數。研究結果表明:與常規精餾工藝相比,以上兩種MVR熱泵精餾工藝節能分別為93.2%和93.4%。利用模擬得到的相關(guān)欻據,估算了以上兩種MVR熱泵精餾工藝的平均年總費用,并進(jìn)行了綜合經(jīng)濟效益評價(jià)。結果表明:以上兩種MR熱泵精餾工藝的伻均年總費用基本持平,因此以上兩種MⅤR熱泵精餾工藝均是分離該體系較為合適的方法關(guān)鍵詞:乙醇-異丙醇;MVR熱泵精餾;模擬;年總費用;節能中圖分類(lèi)號:TQ028文獻標志碼:A文章編號: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。要從事分離工程與計算機模擬方面的研究。E- mail dmy216a163com第一作者及聯(lián)系人:楊德明(1966-),男,教授,碩士生導師第5期楊德明等:基于MVR熱泵精餾的乙醇-異丙醇分離工藝1345·小溫差體系的精餾分離存在塔板數多、能耗髙降低。但總換熱面積先降低后升髙。這是由于隨著(zhù)等問(wèn)題。乙醇和異丙醇的沸點(diǎn)相差僅4℃,因此采塔頂溫度降低,導致塔頂傳熱溫差減小,冷凝器換用常規精餾,過(guò)程的能耗勢必會(huì )很高。有文獻報道熱面積大幅度增加,超過(guò)了塔底再沸器換熱面積的釆用共沸精餾分離乙醇和異丙醇,但由于共沸劑用減小量?？傊?采用減壓精餾分離乙醇-異丙醇是量較大,塔頂蒸出乙醇與共沸劑的混合物需進(jìn)一步種比較節能的方法?？紤]到冷卻水溫度的限制,操分離才能得到乙醇,此流程較為復雜且能耗較高。作壓力不宜過(guò)低。另有文獻報道采用減壓精餾,以增大乙醇和異丙醇的相對揮發(fā)度,可以起到一定的節能效果2。2MVR熱泵精餾工藝基于乙醇-異丙醇體系分離能耗高的特點(diǎn),本文2,1MⅤR熱泵精餾流程作者采用 Aspen Plus化工流程模擬軟件,模擬不同機械蒸汽再壓縮(MVR)熱泵蒸餾技術(shù)4是操作壓力條件下的MVR熱泵精餾工藝,從能耗和將過(guò)程產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮后,提髙蒸汽綜合經(jīng)濟效益兩個(gè)方面評價(jià)MVR熱泵精餾工藝,的壓力、溫度和焓值,再將此高溫高壓蒸汽在換熱以期為分離類(lèi)似乙醇-異丙醇小溫差體系提供一條器中冷凝放熱,充分利用其二次蒸汽的潛熱,以達能耗低、經(jīng)濟效益明顯的工藝路線(xiàn)。到大幅度節能的效果。本文將塔頂蒸汽直接壓縮供1常規精餾工藝模擬熱工藝(圖1)和塔底液相閃蒸壓縮供熱工藝1(圖2)應用于乙醇異丙醇體系的分離。1.1基礎數據從圖1可見(jiàn),塔頂蒸汽直接壓縮供熱是指將塔規定乙醇-異丙醇混合物的處理量為500kgh,頂蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮后,形成高溫高壓蒸汽,此蒸其中乙醇的含量為45%(質(zhì)量分數,下同),異丙汽通過(guò)塔釜再沸器釋放潛熱直接給塔釜供熱,然后醇的含量為55%,料液為常溫。要求乙醇和異丙醇再經(jīng)過(guò)塔頂冷凝器進(jìn)一步降溫后,部分回流,部分產(chǎn)品的純度均大于99%。塔頂采用循環(huán)冷卻水冷卻采出。該工藝充分利用了塔頂蒸汽的潛熱,不僅省(進(jìn)出口溫度分別取33℃和38℃),塔底采用去了大量的新鮮蒸汽,同時(shí)還節省了部分塔頂冷卻02MPa的飽和蒸汽加熱水,大幅度提高了節能效果。1.2常規精餾工藝模擬從圖2可見(jiàn),塔底液相閃蒸壓縮供熱是將塔釜選用填料精餾塔,填料類(lèi)型為 Mellapak5σoⅩ液體岀料經(jīng)節流閃蒸降溫降壓后,作為冷劑送至塔型規整填料,HETP取0.2m,模擬計算了不同操頂冷凝器與塔頂蒸汽換熱,吸收熱量后蒸發(fā)為汽體,作壓力條件下的能耗以及相關(guān)工藝參數,結果見(jiàn)再經(jīng)壓縮機壓縮升溫升壓后返回塔釜作為再沸器熱表1。源,塔頂蒸汽則冷凝成為液體。該工藝充分利用了由表1可以看岀,隨著(zhù)操作壓力的降低,體系塔底物料的顯熱,把塔底顯熱轉化為潛熱,以達到的相對揮發(fā)度增大,因此回流比降低,能耗也明顯大幅度節能的效果。表1不同操作壓力下常規精餾工藝模擬結果多次模擬結果塔頂壓力/kPa塔頂溫度/℃75.772.869.665961756.882880.377674571.2674629比較器回流比(質(zhì)量比19.218016,915.915.314413.8冷凝器熱負荷W1007195409060879783738116再沸器熱負荷Wl0IlI95809109884484198159理論塔板數/塊100100100塔徑/m2.672.642612.592612.61265填料層高度/m總換熱面積/m2956848768703683672713圖1塔頂蒸汽直接壓縮供熱工藝流程1346·化工進(jìn)展2014年第33卷23塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝模擬為滿(mǎn)足與塔頂蒸汽直接壓縮工藝相近的換熱溫差,計算得到的壓縮比是2。為保證塔釜料液經(jīng)節流換熱壓縮后的汽相仍能返回塔底,該汽相必須要滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件:①溫度不小于塔底溫度;②壓進(jìn)料力不小于塔底壓力。在滿(mǎn)足以上兩個(gè)條件的同時(shí),還要考慮到節流后的流體與塔頂蒸汽有一定的傳熱溫差。通過(guò)計算,塔的操作壓力不能低于60kPa,否則就無(wú)法滿(mǎn)足以上條件。本工藝中,壓縮機進(jìn)汽量(塔釜料液節流量)是一個(gè)關(guān)鍵的工藝參數,直接影響著(zhù)塔內的汽液負荷,對各工藝參數及分離效果的影響均很大。因此,在規定了塔的操作壓力和圖2塔底液相閃蒸壓縮供熱工藝流程滿(mǎn)足分離要求條件下,通過(guò)優(yōu)化壓縮機進(jìn)汽量,模擬計算各工藝參數和能耗,結果見(jiàn)表3。22塔頂蒸汽直接壓縮熱泵精餾工藝模擬由表3可知,壓縮機進(jìn)汽量隨操作壓力的遞減使用 Radfrac·精餾模塊模擬計算填料精餾塔、而逐漸下降,這是因為壓力的降低提高了體系的相Compr壓縮機模塊模擬壓縮機,并規定塔底再沸器對揮發(fā)度,從而降低了塔的汽液操作負荷,導致壓的換熱溫差為10℃,改變壓縮比和壓縮機進(jìn)氣量,縮機進(jìn)汽量的下降。節流閥后壓力的設定是基于返調整再沸器的熱負荷,在保證產(chǎn)品純度的條件下,回汽相的壓力略大于塔的操作壓力的原則。模擬結使塔頂蒸汽經(jīng)壓縮后冷凝釋放的熱量與再沸器熱負果可知,在不同的操作壓力下,總換熱面積變化不荷相匹配。該過(guò)程只需壓縮機消耗少部分功便能完大,而壓縮機功耗卻隨操作壓力的降低而下降。全提供再沸器所需的熱量。表2給出了不同操作壓力條件下的工藝參數及能耗3精餾工藝的比較表2結果表明,隨著(zhù)操作壓力降低,體系相對3.1能耗比較揮發(fā)度增大,塔底蒸發(fā)量減小,導致壓縮機進(jìn)汽量根據以上模擬得到的能耗數據,對不同精餾工減少,壓縮機功耗降低。塔底再沸器的面積在總換藝在不同操作壓力條件下的能耗(壓縮機的功耗)熱面積中占的權重比較大,由于塔底再沸器的熱負進(jìn)行了匯總,結果見(jiàn)表4。荷隨著(zhù)操作壓力的降低而減小,因而計算得到的總換熱面積也隨之減小。表3塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝模擬結果項模擬結果表2塔頂蒸汽直接壓縮熱泵精餾工藝模擬結果塔頂壓力kPa101.3優(yōu)化模擬結果塔頂溫度/℃78.375869665.9塔頂壓力P210139080706050塔底溫度/℃塔頂溫度/℃C78.375.772.869565961.7壓縮機出口飽和溫度/℃C880.577.774771.3塔底溫度℃82880.377674.571.2冷凝器熱負荷/V5624588553527冷凝器熱負荷W769723551522504497再沸器熱負荷kW98839447再沸器熱負荷k塔徑/m2662642622612.61塔徑/m2,712692.642622632.67填料層高度/m壓縮機進(jìn)汽量kgh5400052000490004650044200壓縮機進(jìn)汽量kght14434841194390663738036295壓縮機功耗kW7138767134630.4759740563.18壓縮比(量綱為1)1911.88節流閥后壓力kP壓縮機功耗W792.1473129597.87579.78575.64584.1966.664.361959.256.1塔底再沸器換熱溫差/C101010101010塔頂冷凝器換熱溫差/C8411.059,958.357.6-總換熱面積m2118311351021977943927換熱面積/m2124l917041168第5期楊德明等:基于MVR熱泵精餾的乙醇-異丙醇分離工藝1347·表4不同精餾工藝在不同操作壓力下的能耗比較計算結果見(jiàn)表5?？梢?jiàn),兩種MVR熱泵精餾能耗/kW精餾工藝工藝的平均年總費用基本持平,塔頂蒸汽直接壓縮1013 kPa 90kPa8kPaπkPa6kPa熱泵精餾工藝和塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝的常規精餾1069510111958091098844平均年總費用分別是常規精餾工藝的20.999頂蒸汽直接7921473129597875797857564(547.65/2608.29)×100%20.999和20.75%。壓縮熱泵精餾4結論塔底液相閃蒸713.8767134630.4759740563.18壓縮熱泵精餾(1)減壓操作可以提高乙醇-異丙醇的相對揮發(fā)度,有利于降低分離過(guò)程的能耗。由表4看出,隨著(zhù)操作壓力的降低,3種工藝(2)MVR熱泵精餾技術(shù)適用于類(lèi)似乙醇-異丙過(guò)程的能耗明顯下降。與常規精餾工藝相比,MVR醇小溫差體系的分離,可以大幅度降低分離過(guò)程的熱泵精餾工藝節能效果顯著(zhù),即塔頂蒸汽直接壓縮能耗。熱泵精餾和塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝平均節(3)對于乙醇-異丙醇的分離,與常規精餾相能分別為932%和934%,而兩種MVR熱泵精餾工比,塔頂蒸汽直接壓縮熱泵精餾工藝與塔底液相閃藝節能效果基本持平蒸壓縮熱泵精餾工藝的節能效果分別為93.2%和3.2綜合經(jīng)濟效益評價(jià)93.4%。為進(jìn)一步比較以上兩種蒸汽壓縮熱泵精餾工(4)綜合經(jīng)濟效益評價(jià)表明,塔頂蒸汽直接壓藝,本文通過(guò)綜合經(jīng)濟效益,即用年總費用(δ)進(jìn)縮熱泵精餾工藝和塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾工藝行評價(jià)。年總費用主要包括以下四部分:塔釜加熱其平均年總費用分別是常規精餾工藝的20.99%和蒸汽費用(a)、塔頂冷卻水費用(β)、壓縮機耗電20.75%,兩種MVR熱泵精餾工藝均是一條低能耗、費用(y)和設備折舊費(2)。設備費用主要包括塔綜合經(jīng)濟效益明顯的分離工藝。器、壓縮機、換熱器三部分。假定設備使用周期為參考文獻10年,年工作量按7200h計,則可以采用以下費用模型計算各精餾工藝的年總費用112[]張鸞,朱宏吉,白鵬.共沸精餾分離乙醇-異丙醇[J化工進(jìn)展012,31(10):2187-2190f+件2]曹裕清,李志中,王施芹,等.減壓精餾分離乙醇與異丙醇二元a=CB(7200×3600(QB/rB)1000混合物[門(mén)化學(xué)工程師,2011(7):12-14B=Cw(7200×3600(4.18×6)/1000[3]俞曉梅,袁孝競,等.塔器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20107200CMWM[4]楊德明,陶磊.基于多級蒸汽再壓縮熱泵的稀DMF水溶液蒸餾濃C(1.35Hx614)+CMr+Cy10縮工藝.石油化工,2012,41(11):1298-1301式中,CB為蒸汽單價(jià),200元噸;Cw為冷卻(5韓東,彭濤,梁林,等基于機械蒸汽再壓縮的硫酸銨蒸發(fā)結晶水單價(jià),0.35元噸;CM為電價(jià),1.1元/千瓦時(shí)實(shí)驗[門(mén)化工進(jìn)展,2009,28(s1):187-189[6]陸恩錫,吳震.蒸餾過(guò)程熱泵節能-熱泵基本原理[.化學(xué)工程Cc為塔造價(jià),1250元/立方米;Cλ為換熱器造價(jià),850元/平方米;Cy為壓縮機造價(jià),120萬(wàn)元/臺;TB7 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Exergy, An InternationalOB為再沸器負荷,kW;WM為壓縮機電耗,kWJournal,2002,2(4):266-272.H為填料層高度,m;Ar為換熱器總面積,m2;p圖 Al-Juwayhel F, Dessouky H, Ettouney H. Analysis of single-effect為塔徑,m。evaporator desalination systems combined with vapor compressionheat pumps[J]. Desalination, 1997, 114(3): 253-275[9]楊德明,陶磊,葉夢(mèng)飛,等.MVR熱泵精餾處理回收稀DMAC水表5不同工藝的平均年總費用比較溶液[.節能技術(shù),2013,31(181):409-412精餾工藝平均年總費用/萬(wàn)元年1[0]李大偉,賈小平,項曙光,等.熱泵精餾流程構建策略及應用研常規精餾究門(mén)計算機與應用化學(xué),2007,24(11):15051510塔頂蒸汽直接壓縮熱泵精餾47.65[I]楊德明,郭新連.多效精餾回收DMF工藝的研究[J.計算札與應用化學(xué),2008,25(10):1202-1206塔底液相閃蒸壓縮熱泵精餾41.17[2]蘇健民,化工技術(shù)經(jīng)濟[M北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009