基于有機朗肯循環的混合二甲苯MVR熱泵精餾工藝

楊德明，顧強，朱碧云，王爭光，印一凡，高曉新

（常州大學石油化工學院，江蘇 常州 213164）

基于有機朗肯循環的混合二甲苯MVR熱泵精餾工藝

楊德明，顧強，朱碧云，王爭光，印一凡，高曉新

（常州大學石油化工學院，江蘇 常州 213164）

常規機械蒸氣再壓縮（MVR）熱泵精餾分離混合二甲苯工藝，存在壓縮機電耗較大及塔頂壓縮蒸氣的顯熱未被利用等問題。有機朗肯循環（ORC）發電技術則可以將低溫余熱轉化為電能以供壓縮機使用，由此提出了ORC發電技術耦合MVR熱泵和帶乏汽回熱循環（EGC）的ORC發電技術耦合MVR熱泵兩種精餾工藝應用于本體系的分離研究。以年總費用（TAC）和能耗為分離工藝的評價指標，系統凈輸出功和循環熱效率作為ORC系統的評價指標，對以上兩種耦合精餾工藝進行模擬與優化，并與常規MVR熱泵精餾工藝進行比較與分析。研究結果表明，ORC發電技術耦合MVR熱泵精餾工藝和帶EGC的ORC發電技術耦合MVR熱泵精餾工藝較常規MVR熱泵精餾工藝均具有一定的節能和經濟優勢，可分別減少能耗9.64%和9.89%，節省TAC 3.19%和3.50%。

混合二甲苯；MVR熱泵；有機朗肯循環；精餾；計算機模擬；能耗；年總費用

引 言

對于鄰二甲苯（OX）、間二甲苯（MX）、對二甲苯（PX）和乙苯（EB）混合物的分離，常規MVR熱泵精餾工藝可以大幅度降低其分離能耗[1]。但混合二甲苯的常規MVR熱泵精餾工藝中，由于塔的操作壓力低于壓縮蒸氣的壓力，為防止回流液入塔的閃蒸汽化現象，壓縮蒸氣經換熱后得到的高溫高壓飽和液體不能直接進入塔內回流，需要經過一個減壓放熱過程，通常情況下這部分熱量用冷卻水冷卻，造成了熱量的不可逆損失[2-3]。再者，常規MVR熱泵精餾工藝消耗的電能全部需要依賴于外界，電耗較大。

有機朗肯循環(organic Rankine cycle，ORC)是以低沸點有機物為工質的朗肯循環[4-11]，有機工質在換熱器中從余熱流中吸收熱量，生成具一定壓力和溫度的蒸氣，蒸氣進入透平機械膨脹做功，從而帶動發電機發電。而在有機朗肯循環中，乏汽進入凝汽器，在凝結過程中被循環水帶走。為減少凝汽器中被冷卻水所帶走的熱量，采用乏汽先預熱工質后冷凝冷卻的熱力循環，即乏汽回熱循環（EGC）[12-13]，可以達到大幅度利用熱量的目的。鑒于常規 MVR熱泵精餾工藝存在的以上不足及ORC的優勢，本文把ORC和EGC技術應用于本體系的MVR熱泵精餾工藝，研究其進一步節能的可行性，預期找到一條更為經濟的精餾工藝路線。

1 模擬規定與評價模型

1.1 模擬規定

規定混合二甲苯處理量為25 kmol·h-1，其中EB含量為 0.17（質量分數，下同）、PX為 0.18、MX為0.4、OX為0.25。要求4種組分的純度均不低于0.98。精餾塔頂采用冷卻水冷凝，冷卻水的進出口溫度規定為33℃和39℃；塔底采用0.3 MPa的飽和水蒸氣供熱。ORC中冷凝器采用冷水冷卻，該部分冷水的進出口溫度規定為20℃和25℃。本體系精餾部分選用軟件中的 RK-Soave狀態方程計算汽液相平衡數據[14]，ORC系統選用發電系統常用的Peng-Robinson狀態方程[15]模擬計算。

1.2 評價模型

評價一個工藝過程的優劣，不僅要考慮其操作費用，同時還要考慮其投資成本。因此本文以綜合經濟效益，即年總費用TAC(total annual cost)為評價指標，TAC由操作費用和設備投資費用構成。操作費用包括加熱蒸氣費用(α)、冷卻水費用(β)和壓縮機用電費用(γ)。由于設備分為靜設備（如塔器、換熱器等）和動設備（如壓縮機、透平以及發電機等），靜設備的運行維護費用很小，在計算TAC時，只考慮其設備本身的投資費用；而對于動設備，還考慮了其運行維護等費用（按動設備總投資額的 10%計），具體計算見式（5）。規定所有設備的使用年限為 5a，年工作時為 7200 h。則各項計算公式[16-18]如下

ORC系統以輸出凈功Wexp和系統循環熱效率ηORC作為評價指標，凈輸出功為膨脹機對外做功WT與循環泵消耗功WP的差，計算公式[19-24]如下

則ORC系統的發電量GMORC為

對于MVR熱泵系統，以熱泵的循環性能系數COP作為評價指標，COP定義為輸出的制熱量(Qout)與蒸氣壓縮機輸入功率(Win)的比率，計算公式[25-26]如下

2 工藝模擬

2.1 常規MVR熱泵精餾工藝

根據前期的研究結果[1]，采用如圖1所示的常規MVR熱泵精餾工藝（帶虛線的為輔助再沸器，下同），該工藝依次分出OX、EB、PX和MX，優化后的模擬結果見表1。

由表1數據可知，常規MVR熱泵精餾工藝分離混合二甲苯，壓縮機電耗較大，且三塔壓縮蒸氣冷后移熱（顯熱）總量高達1746.17 kW，這部分熱量由冷卻水冷卻，造成了能量的大量浪費和不可逆性。為此，引入 ORC低溫發電技術，以供壓縮機本身使用，由此可以達到大幅度減少壓縮機電耗的目的。

圖1 MVR熱泵精餾工藝Fig.1 MVR heat pump distillation process

表1 MVR熱泵精餾工藝模擬結果Table 1 Simulation results of MVR heat pump distillation process

2.2 ORC耦合MVR熱泵精餾工藝

影響ORC系統效能的主要因素為工質的選擇、蒸發器出口工質的過熱度、蒸發壓力、冷凝器出口工質的過冷度和冷凝壓力等。為了便于計算分析，膨脹機的等熵效率設為 0.85，增壓泵的效率設為0.9，發電機效率為0.95[27]。

以T1塔為例，其ORC耦合MVR熱泵精餾工藝見圖2。T1塔塔頂蒸氣經壓縮機（COMP）壓縮后與塔釜液相在再沸器中換熱后冷凝成高壓飽和液相，進入蒸發器（EVA）被有機冷工質冷卻后部分回流，部分采出。而有機工質則在其中蒸發成氣相進入膨脹機（TURB）發電，以供系統內的壓縮機（COMP）使用，由此可以減少壓縮機的電耗。而膨脹機出口乏汽則進入冷凝器（CON）冷凝冷卻后經增壓泵（PUMP）返回EVA內循環使用。

圖2 ORC耦合MVR熱泵精餾工藝流程(T1塔)Fig.2 MVR heat pump distillation coupled by ORC process for T1 tower

2.2.1 循環工質 ORC系統的能效與工質關系很大，本文選取5種ORC系統常用的有機工質[28-31]進行研究，最終根據系統凈輸出功和循環熱效率，篩選最優的有機工質作為本體系的循環工質。5種有機工質分別為 R113、R123、R245fa、R600a和R601a，具體性質見表2。

表2 5種有機工質基本性質Table 2 Basic properties of five organic working fluids

由表2可知，5種工質標準沸點與熱源溫度（82℃）相比均較低，臨界溫度也高于循環中的最高溫度。5種工質的 GWP（全球變暖系數值）和 ODP（破壞臭氧潛能值）均較小，汽化潛熱較大，符合ORC循環工質的基本要求。

2.2.2 過熱度對系統性能的影響 為研究蒸發器出口工質的過熱度對系統性能的影響，規定冷凝器出口工質過冷度為0℃，蒸發壓力為0.2 MPa，膨脹機的膨脹比為0.4。以工質R123和T1塔的熱泵熱源為例，通過模擬，考察過熱度與系統凈輸出功和熱效率的變化趨勢，結果見圖3。

圖3 過熱度對系統凈輸出功和熱效率的影響Fig.3 Effect of superheat on net output power and thermal efficiency

由圖3可以看出，蒸發器出口工質過熱度越高，系統凈輸出功與熱效率均越低。其原因是蒸發器的吸熱量一定，過熱度的提高導致蒸發器入口工質流量減少，減少的幅度大于膨脹機出入口焓降的變化，輸出功減少。蒸發器的吸熱量不變而系統對外輸出功減少，所以系統循環熱效率隨之降低。因此，設計系統時應使過熱度降低，最好在飽和狀態下使工質進入膨脹機，即過熱度為0℃。

2.2.3 過冷度對系統性能的影響 規定蒸發器出口工質過熱度為0℃，其余條件保持不變，通過模擬，考察過冷度對整體系統性能的影響，結果見圖4。

圖4 過冷度對系統凈輸出功和熱效率的影響Fig.4 Effect of supercooling on net output power and thermal efficiency

由圖4可以看出，隨著過冷度的增加，系統凈輸出功和熱效率也同時呈現出下降的趨勢。其原因是過冷度增加，即蒸發器入口工質溫度降低，為保持蒸發器吸熱量則工質流量變小，膨脹機前后焓降不變，所以輸出功減少，而蒸發器吸熱量不變，循環熱效率也減小。因此，過冷度也應盡量減小，最好在飽和狀態下進入工質增壓泵，即過冷度為0℃。

2.2.4 蒸發壓力對系統性能的影響 規定工質過熱度和過冷度都為 0℃，其余條件保持不變，通過模擬考察系統的蒸發壓力與系統凈輸出功和熱效率的變化規律，結果見圖5。

圖5 蒸發壓力對系統凈輸出功和熱效率的影響Fig.5 Effect of evaporation pressure on net output power and thermal efficiency

由圖5可以看出，蒸發壓力增大，系統凈輸出功和熱效率都呈現上升的趨勢。因為蒸發壓力升高，蒸發器內工質和熱源的傳熱溫差降低，為滿足換熱要求，則工質流量增大，膨脹機做功增大，系統熱效率也隨之增大。但蒸發壓力也不能無限增大，蒸發壓力下的飽和氣相溫度仍需滿足與熱源換熱之間的傳熱溫差。因此蒸發壓力選擇0.4 MPa比較合適。

2.2.5 冷凝壓力對系統性能的影響 規定工質的過熱度和過冷度都為0℃，蒸發壓力為0.4 MPa，保持以上條件不變，通過模擬考察膨脹機出口的冷凝壓力與系統凈輸出功和熱效率的變化規律，結果見圖6。

圖6 冷凝壓力對系統凈輸出功和熱效率的影響Fig.6 Effect of condensation pressure on net output power and thermal efficiency

由圖6可以看出，冷凝壓力下降，系統凈輸出功和熱效率隨之變大。因為冷凝壓力下降，冷凝器出口工質溫度降低，蒸發器入口工質溫度隨之降低，膨脹機出入口焓降變大幅度大于工質流量變小幅度，導致凈輸出功和熱效率的上升。但是冷凝壓力也不能無限小，同時也要保證該壓力下工質在冷凝器中可以由冷卻水進行冷卻，否則將增加過多的操作費用。因此，系統的冷凝壓力定為0.092 MPa。

綜上所述，以R123為循環工質的ORC最優工藝參數為：過熱度和過冷度都為0℃、蒸發壓力0.4 MPa、冷凝壓力0.092 MPa。同樣的方法得到另外4種工質的最優參數，結果匯總見表3。

表3 不同工質模擬結果匯總Table 3 Simulation results of different working fluids

表4 ORC耦合MVR精餾工藝結果匯總Table 4 Simulation results of MVR heat pump distillation coupled by ORC process

2.3 帶EGC的ORC耦合MVR熱泵精餾工藝

圖7為乏汽回熱循環（EGC）流程[32]，EGC系統是膨脹機出口蒸氣在進入冷凝器之前先經過回熱器（RE-GEN），用于預熱從工質泵（PUMP）出口進入蒸發器的工質，該工藝充分利用了乏汽的潛熱，有利于提高工質的蒸發效率，增加發電量。

回熱度（即回熱器中工質吸熱量與膨脹機出口乏汽降至泵出口溫度時放出的熱量之比，thermal ratio）是影響乏汽回熱的重要參數。在上述得到的R123循環工質優化參數條件下，以T1塔為例，通過模擬，考察了回熱度對系統性能的影響，圖8為回熱度對系統凈輸出功和熱效率的影響。

圖7 乏汽回熱工質循環流程Fig.7 Exhaust steam regenerative cycle process

圖8 回熱度對系統凈輸出功和熱效率的影響Fig.8 Effect of thermal ratio on net output power and thermal efficiency

由圖8可以看出，隨著回熱器中回熱度的增加，系統凈輸出功與熱效率均呈上升趨勢。其原因是回熱度升高，蒸發器入口工質溫度升高，在保持膨脹機出入口焓降不變的條件下，可以增加工質流量，從而增加膨脹機輸出功，因此系統凈輸出功與熱效率隨之增加。但回熱度過高時，蒸發器入口工質溫度隨之過高，考慮到蒸發器的換熱溫差（一般取10℃左右），回熱度不應該超過0.027。同樣的方法，對T2和T3塔進行優化，得到相應的最佳回熱度數據以及各工藝參數，結果見表5。可見，帶EGC的ORC耦合MVR精餾工藝較常規MVR精餾工藝節

表5 帶EGC的ORC耦合MVR精餾工藝結果匯總Table 5 Simulation results of MVR heat pump distillation process coupled by ORC combined with EGC process

3 結果比較與分析

上述各精餾工藝模擬結果匯總見表 6。從能耗和TAC來評價，帶EGC的ORC耦合MVR精餾工藝是最優的。因為該工藝在常規ORC耦合MVR精餾工藝基礎上，充分利用了膨脹機出口乏汽的潛熱，增加了系統的凈輸出功。與常規MVR熱泵精餾工藝相比，ORC耦合MVR精餾工藝和帶EGC的ORC耦合MVR精餾工藝能耗分別減少9.64%和9.89%；而 TAC分別減少 3.19%和 3.50%。這是因為引入ORC發電技術后，雖然節省了部分壓縮機的操作費用，但由于增加了膨脹機和換熱器，導致設備費用的加大，因此TAC減少的幅度并不大。

表6 各精餾工藝模擬結果匯總Table 6 Summary of simulation results of each distillation process

4 結 論

將有機朗肯循環（ORC）和乏汽回熱循環（EGC）技術應用于混合二甲苯體系的MVR熱泵精餾工藝，通過模擬計算與優化，得到如下結論。

（1）由于 ORC低溫余熱發電技術充分利用了壓縮蒸氣冷后的飽和液體余熱（顯熱），因而可以降低整個體系的分離能耗。本體系最合適的 ORC循環工質為R123。

（2）ORC耦合MVR精餾工藝較常規的MVR熱泵精餾工藝節約能耗9.64 %，節省TAC 3.19%；而帶 EGC的 ORC耦合 MVR精餾工藝較常規的MVR熱泵精餾工藝節約能耗 9.89 %，節省TAC3.50%。

大數據分析計算平臺是基于Hadoop集群構建的分布式計算平臺，利用HDFS實現海量數據的存儲。為滿足綠通治理的業務需求，該平臺提供離線海量數據的分析計算和實時在線分析計算2種分析計算模式。

（3）對于常規的MVR熱泵精餾工藝，若塔的操作壓力低于壓縮蒸氣的飽和壓力，原則上以上兩種ORC耦合MVR熱泵精餾工藝均是可行的，而帶EGC的ORC耦合MVR精餾工藝更具經濟優勢。

（4）綜合考慮MVR熱泵的應用場合、ORC余熱發電技術的效能及設備投資等因素，本文提出的基于有機朗肯循環的MVR熱泵精餾工藝尤其適合于塔頂塔底溫差不大且塔頂溫度大于 40℃的低腐蝕高能耗分離體系，且具有較好的工業應用前景。

符 號 說 明

AT——換熱器總換熱面積，m2

CA——換熱器造價系數，850 CNY·m-2

CB——蒸氣單價，220 CNY·t-1

CC——壓縮機造價系數，820 CNY·kW-1

CE——美元對人民幣匯率，取6.5

CM——電價，1.1 CNY·(kW·h)-1

CW——冷卻水單價，0.35 CNY·t-1

COP——熱泵的循環性能系數

D——塔徑，m

GMORC——ORC系統發電量，kW

H——填料層高度，m

h1,h2,h3——分別為工質在膨脹機進口、出口、蒸發器入口的比焓值，kJ·kg-1

mwf——工質質量流量，kg·s-1

Δp——工質在泵進出口的壓強差，Pa

QB——塔底熱負荷，kW

QC——塔頂熱負荷，kW

Qout——熱泵系統輸出制熱量，kW

rB——水蒸氣冷凝潛熱，2177 kJ·kg-1

WC——壓縮機電耗，kW

Wexp——ORC系統凈輸出功，kW

Win——壓縮機輸入功率，kW

WP——泵的消耗功，kW

WT——膨脹機對外輸出功，kW

ηORC,ηP,ηS——分別為ORC系統熱效率、泵的效率和發電機效率，%

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date：2017-06-16.

GAO Xiaoxin,gxx@cczu.edu.cn

MVR heat pump distillation process of mixed xylene based on organic Rankine cycle

YANG Deming,GU Qiang,ZHU Biyun,WANG Zhengguang,YIN Yifan,GAO Xiaoxin
(College of Petrochemical Engineering,Changzhou University,Changzhou213164,Jiangsu,China)

Conventional mechanical steam compression(MVR) heat pump distillation for separating mixed xylene exists shortcomings of high compressor power consumption and overhead sensible heat unused.Organic Rankine cycle(ORC) power generation technology can transform the low-temperature waste heat into electricity for compressor,in view of the above,the MVR heat pump distillation processes coupled by the ORC power generation technology and combined with exhaust steam regenerative cycle(EGC) were applied to separate the system.Taking total annual cost(TAC) and energy consumption as the evaluation indexes of separation process,net output power and cycle thermal efficiency are used as evaluation indexes of ORC system.Simulations for the above two kinds of distillation process were performed and the results were compared with the conventional MVR heat pump distillation process.The results show that compared with the conventional MVR heat pump distillation process，the MVR heat pump distillation processes coupled by ORC power generation technology and combined with EGC power generation technology both have certain energy saving and economic advantages,can reduce energy consumption by 9.64% and 9.89%,and save TAC by 3.19% and 3.50% respectively.

mixed xylene system; MVR heat pump; organic Rankine cycle; distillation; computer simulation;energy consumption; total annul cost

TQ 028

A

0438—1157（2017）12—4641—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170781

2017-06-16收到初稿，2017-09-08收到修改稿。

聯系人：高曉新。

楊德明（1966—），男，教授。