熱泵精餾技術應用于雜醇油分離

（中國天辰工程有限公司，天津300400）

本文主要針對在雜醇油分離中熱泵精餾技術的實際應用分析，以闡明熱泵精餾技術的節能效果和經濟效益。

1 熱泵精餾技術簡介

熱泵精餾是通過外動力的作用把精餾塔塔頂低溫處的熱量傳遞給塔底高溫處，作為塔底再沸器熱源的精餾過程。根據此過程所消耗的外動力能量的不同熱泵精餾可分為以下三種類型：蒸汽壓縮式、蒸汽噴射式和吸收式。

1.1 蒸汽壓縮式

蒸汽壓縮式熱泵精餾主要借助于壓縮機使工質在熱泵中循環流動并發生狀態變化，同時達到將塔頂低溫位蒸汽轉變為高溫位蒸汽，實現熱泵的連續高效制熱。蒸汽壓縮機熱泵精餾又可分為間接式和直接式流程。若塔內氣體可直接壓縮，則可選擇直接式熱泵精餾。直接式熱泵精餾又可分為塔頂氣體直接壓縮式和塔釜液體閃蒸再沸式。若塔頂氣體含有腐蝕性、熱敏性等不宜壓縮時，則可以采用間接式熱泵精餾。此外，對于一些大溫差的精餾過程，還可采用分割式熱泵精餾[1]，即上塔采用類似塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾，下塔類似于常規精餾的提餾段。

1.2 蒸汽噴射式

蒸汽噴射式熱泵精餾為利用塔頂的一部分蒸汽經蒸汽噴射泵加壓升溫，隨驅動蒸汽一起進入塔底作為加熱蒸汽，從而達到節能的目的。但蒸汽噴射式熱泵精餾如果在大壓縮比或高真空度下操作，噴射泵的驅動蒸汽量增加，節能效果顯著下降，因此該方式的熱泵精餾適用于精餾塔塔底和塔頂壓差不大或減壓精餾的真空度比較低的情況。

1.3 吸收式

吸收式熱泵精餾由吸收器、再生器、冷卻器和再沸器等設備組成。其不同于前兩種熱泵精餾，通常需要借助于其它的溶液作為載熱介質，如溴化鋰水溶液或氯化鈣水溶液。吸收式熱泵主要利用載熱溶液經吸收、蒸發、冷卻過程發生的熱力學狀態變化，實現熱源從低溫向高溫轉移。但由于吸收式熱泵熱效率低，需要較高的投資，且使用壽命不長制約了其適用范圍，只有在產熱量很大且溫度提升要求不高的場合下應用才顯優勢。

2 熱泵精餾用于雜醇油精制的分析

2.1 雜醇油脫水處理

雜醇油中含有大量的水分，含水量約10%～30%，其與C2～C5醇易形成共沸物，這使得雜醇油的精餾提純變得非常復雜和困難。因此在雜醇油精制中均應先進行最大限度地脫水處理。脫水采用恒沸脫水法將C5以下的低碳醇與水以共沸物的形式餾出，得到含量在98%以上的混合戊醇。其工藝條件為：釜溫135～150℃;塔頂溫度85～90℃;塔溫128.5～132℃;回流比2.5。得到的混合戊醇可供進一步從中分離出異戊醇與光學戊醇，使其純度分別達到95%以上。

2.2 熱泵精餾混合戊醇

雜醇油經過預處理后得到的混合戊醇（總的質量濃度在98%以上，其中含光學戊醇約在15%～25%之間），若直接以此濃度的混合戊醇進行精餾，則光學戊醇的收率特別低（10%以下）[4]，因此需對該混合戊醇進行提濃，使其中含光學戊醇濃度在60%左右，光學戊醇的收率能達到較優值[2]。

2.2.1 基礎數據

本研究以國內某企業在進行雜醇油回收過程中，從提濃后的混合戊醇再分離為例，提濃混合戊醇進料狀態：溫度 130.4℃，常壓（100kPa），進料量300kg/h，其中2-甲基丁醇59.9%，3-甲基丁醇40.1%，塔頂2-甲基丁醇、塔底3-甲基丁醇質量分數要求≥98%。

2.2.2 熱泵精餾工藝流程

本處理工藝選用塔頂氣相直接壓縮式熱泵精餾。具體工藝流程如圖1。原料進入高效填料塔，填料塔直徑為1200mm，填料高度80m，其中精餾段填料高50m，提餾段填料高30m，塔中部設有兩個不同高度的進料口，以滿足不同組成進料的分離要求。填料塔塔頂壓力100kPa，塔頂氣相介質2-甲基丁醇直接進入壓縮機，壓力提高到150kPa，溫度由130℃升溫至143.5℃，壓縮后的氣體作為熱源進入降膜冷凝再沸器中，在再沸器中與塔釜物料3-甲基丁醇換熱，塔釜物料3-甲基丁醇被加熱成為氣液混合物進入塔內，塔頂氣相冷凝成液相，而后經水冷卻器冷卻至130℃。冷卻后的液相介質部分回流，部分作為塔頂產品2-甲基丁醇采出。產品3-甲基丁醇則可從塔釜采出得到。在填料塔另設置有輔助再沸器用于塔的調節和開停車使用。經填料塔分離得到的異戊醇與光學戊醇純度分別為98.5%、98.7%。

圖1 熱泵精餾過程工藝流程圖

2.3 常規精餾混合戊醇

在常規精餾中，由于異戊醇與光學戊醇為同分異構體，相對揮發度1.078，沸點僅相差2.8℃，因此從混合戊醇中將異戊醇與光學戊醇完全分離要求很高，通過提高回流比和需要很高的理論板數才能實現。如對以上的混合戊醇進料進行常規精餾，經ASPEN模擬，模擬結果表明，在與熱泵精餾填料塔同樣的操作溫度、壓力下，分離得到純度均大于98%的異戊醇與光學戊醇，需要的精餾塔理論板數為170，回流比將近100，0.8MPaG蒸汽消耗量為3.5t/h，冷卻水（△t=8℃）用量2.6t/h。

2.4 熱泵精餾與常規精餾對比

2.4.1 能耗對比

將雜醇油采用熱泵精餾和常規精餾兩種不同工藝的能耗對比列于表1。其中能源價格取費按照冷卻水 0.4元/t、0.8MPaG蒸汽180元/t、電費0.8 元/(kw·h)進行估算。

由表1中數據可得：采用熱泵精餾消耗了少量的壓縮機功耗，流程無需塔頂冷凝器，因而使得冷卻水消耗節省及再沸器的蒸汽消耗減少。若按照石油化工能耗計算標準將消耗量轉化為能耗值：常規精餾11.15GJ/h，熱泵精餾3.18GJ/h。熱泵精餾比常規精餾能耗節省了71.5%，操作費用減少了64.7%。

表1 能耗對比表

2.4.2 設備投資對比

與常規精餾相比，在設備配置上，熱泵精餾增加了一套熱泵系統，取消了塔頂的冷凝器。兩種方式設備投資對比：熱泵精餾比常規精餾設備投資增加193萬元。結合能耗對比結果，熱泵精餾增加的設備投資相對于其每年節省的能耗費用約327萬元短期內就能收回成本。

3 結論

本文通過對熱泵精餾技術應用于雜醇油精制進行了分析，分析結果表明采用熱泵精餾可以實現從雜醇油分離中獲得高附加值的異戊醇、光學戊醇產品。此外在相同操作條件下，雜醇油熱泵精餾與常規精餾對比，熱泵精餾能耗更低，操作費用更少。設備投資上，熱泵精餾僅增加少量的設備投資，短期內即可收回成本，經濟效益可觀。因此熱泵精餾技術應用于從雜醇油中分離異戊醇-光學戊醇近沸點體系值得推廣。