探討甲醇熱泵精餾新工藝

劉立軒（東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024）

探討甲醇熱泵精餾新工藝

劉立軒（東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024）

甲醇的精餾過程是保證其產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，而該過程中的能耗也是影響其生產(chǎn)成本的關鍵因素。傳統(tǒng)精餾設備體積大，能耗高。相比之下，熱泵精餾技術已成為降低能耗與清潔產(chǎn)能的重要技術之一。熱泵技術主要應用于商業(yè)建筑與工業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)領域。熱泵精餾技術包括蒸汽壓縮機式熱泵精餾、蒸汽噴射式熱泵精餾和吸收式熱泵精餾。甲醇熱泵精餾則屬于蒸汽壓縮機式熱泵精餾中的分割式熱泵精餾。甲醇熱泵精餾工藝的節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟效益可觀，操作相對簡單。然而甲醇熱泵精餾技術在實際生產(chǎn)中會受到許多因素的影響，如精餾塔頂與塔底溫差大，參考數(shù)據(jù)不足，初期投資較大等。提高熱泵能效比與輸出溫度是甲醇熱泵精餾工藝的發(fā)展方向。甲醇熱泵精餾工藝具有廣闊的工業(yè)應用前景。

甲醇熱泵精餾；工藝原理；經(jīng)濟效益分析

能源問題已經(jīng)是世界各國共同關注的重點問題。在能源短缺的客觀條件下，熱泵精餾的節(jié)能效果在化工和石油產(chǎn)業(yè)中愈來愈受到認可。與傳統(tǒng)的精餾技術不同，熱泵利用精餾塔內(nèi)氣相和液相不斷轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的能量以達到連續(xù)高效的循環(huán)制熱效果。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，熱泵技術也劃分出不同的類型，以滿足不同條件下分離提純的需求。其中，分割式熱泵精餾工藝有著較大的創(chuàng)新和廣泛的應用。以甲醇熱泵精餾技術為代表，該技術具有節(jié)能降耗效果理想和適用溫差較大等技術優(yōu)點，本研究就甲醇熱泵精餾技術的工藝原理、優(yōu)缺點、發(fā)展趨勢以及經(jīng)濟效益方面進行具體分析。

1 熱泵精餾技術

1.1 熱泵精餾技術類型

熱泵精餾技術實際上是傳遞熱量的技術。熱能從低溫區(qū)域逆向傳遞到高溫區(qū)域。其中，利用熱泵傳遞到高溫區(qū)域的熱量要遠遠高于裝置自身運行所需要消耗的能量。熱泵精餾裝置對其相配備的設備具有很高的要求以滿足這種逆向供熱方式。適用于不同設備類型和不同物料分離的熱泵精餾工藝流程可分為三種技術類型：吸收式熱泵精餾、蒸汽壓縮機式熱泵精餾以及蒸汽噴射式熱泵精餾。吸收式熱泵的精餾工藝是依靠內(nèi)部液相的熱力學狀態(tài)變化，實現(xiàn)熱能由低溫區(qū)域傳向高溫區(qū)域，其節(jié)能效果相對較好。在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，吸收器同時會成為精餾塔的再沸器，而冷凝器也會同時成為熱泵的再沸器。蒸汽壓縮式的熱泵工藝是利用機械驅(qū)動壓縮機使氣相或液相物料在熱泵中不斷往復流動并且發(fā)生物理狀態(tài)的改變，進而實現(xiàn)熱泵連續(xù)且高效的加熱效果。按照工藝流程的不同，該工藝又可以具體分為A型、B型開式熱泵、分割式熱泵以及閉式熱泵四種精餾工藝流程[1]。蒸汽噴射式熱泵利用高壓氣體的高速噴出，裹挾再沸器中的蒸汽形成二次蒸汽，進入混合室供再沸器二次利用。二次蒸汽形成的壓力一般在0.4MPa以下。該流程結(jié)構簡單，沒有使用轉(zhuǎn)動部件，而能耗也比前者要高得多。

1.2 國內(nèi)熱泵精餾技術發(fā)展狀況

精餾是化學提純過程中最為常見的分離技術。傳統(tǒng)精餾設備的體積大，熱轉(zhuǎn)化效率低。在能源枯竭且提倡節(jié)能減排的今天，傳統(tǒng)精餾設備逐步遭到淘汰。目前，研究顯示熱泵的節(jié)能效果非常明顯，熱泵精餾技術已經(jīng)成為節(jié)能低耗、清潔生產(chǎn)的主要技術。上世紀中葉，熱泵精餾技術被應用于實際生產(chǎn)中，并在之后的幾十年中得到迅速發(fā)展。最近幾年，熱泵精餾的結(jié)構設計和性能分析逐漸成為國內(nèi)學者和技術人員關注與研究的重點。有研究人員就乙醇-水的精餾過程提出了一種高效節(jié)能的可行性工藝流程，即分割式熱泵精餾。還有研究人員總結(jié)歸納了熱泵精餾的的基本工作方式，并具體分析了不同精餾方式的特性和適用條件。除此之外，有學者運用ASPEN DY?NAMICS軟件對熱泵精餾的流程進行動態(tài)模擬，研究外部工質(zhì)對于熱泵精餾控制的影響因素。

2 甲醇熱泵精餾技術

2.1 甲醇熱泵精餾的原理及工藝流程

甲醇熱泵精餾的原理相對簡單。精餾塔頂?shù)臍鈶B(tài)甲醇被壓縮機壓縮，提高了氣態(tài)甲醇的壓力值并降低了沸點。壓縮甲醇蒸汽和氣態(tài)甲醇變?yōu)橐簯B(tài)甲醇釋放出的熱量將作為中間或精餾塔塔釜再沸器的供熱能源，降低了精餾塔塔頂冷工程和精餾塔塔釜熱工程的能耗。分割式熱泵精餾設備主要包括：預塔、主精餾塔、預塔冷凝器、預塔再沸器、氣體壓縮機、上塔再沸器、下塔再沸器、預熱器以及冷凝器[2]。主精餾塔可以分為上、下兩個精餾塔。其中，上精餾塔與常規(guī)的熱泵精餾塔相似，僅多出一個進料口。下精餾塔的功能則更接近于常規(guī)熱泵精餾的提純階段，上精餾塔的塔釜液作為下精餾塔的進料，而下精餾塔的蒸汽會進入上精餾塔的塔釜。通過控制下塔的進料濃度，即分割點濃度，降低上精餾塔的溫差范圍，進而減小壓縮機的壓縮比，減少設備運轉(zhuǎn)的投入費用。

2.2 甲醇熱泵精餾的優(yōu)點與缺陷

甲醇熱泵精餾主要有降低能耗和適用于大溫差分離提純工藝兩方面優(yōu)點。在正常情況下，一般的熱泵適合在精餾塔塔頂與塔釜間溫差較小的情況下使用。而分割式熱泵精餾，如甲醇熱泵精餾則可以應用于溫差較大的分離提純過程。常溫常壓下，甲醇的沸點是64℃，水的沸點是100℃。36℃的溫差在工業(yè)分離過程中已屬大溫差。應用甲醇熱泵精餾技術可以到達理想的分離提純和節(jié)能降耗的效果。盡管甲醇熱泵精餾相對于傳統(tǒng)精餾技術在分離和節(jié)能效果上有了巨大的提升，但是該技術仍然存在一些問題和可提升空間。甲醇精餾技術的熱效率、初期設備投資較高、回收提純過程中的剩余熱量回收以及進一步降低技術初期投資都是該技術在實際生產(chǎn)中存在的不足。除此之外，雖然甲醇精餾技術可以用于大溫差的分離提純過程，但是精餾塔塔頂與塔釜之間過大的溫差仍然會導致熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生過多的能量消耗與損失。甲醇精餾技術存在一定缺點，但是其優(yōu)點卻是其他精餾技術不可替代的。經(jīng)過技術上的發(fā)展和改進，以甲醇精餾技術為代表的分割式熱泵精餾工藝將會具有更廣闊的應用空間。

2.3 甲醇熱泵精餾的發(fā)展方向

甲醇熱泵精餾技術研究的大方向是在過程控制、分析與優(yōu)化等方面。通過對熱泵精餾過程中各項技術參數(shù)逐一控制分析，確定技術參數(shù)的控制效果和影響因素，進而制定有效科學的控制策略。對蒸汽壓縮機式熱泵精餾、蒸汽噴射式熱泵精餾以及吸收式熱泵精餾過程進行對比分析，研究顯示蒸汽壓縮式熱泵精餾的COP更高，但是其耗能較大，分析結(jié)果為吸收式熱泵精餾更具有經(jīng)濟上的優(yōu)勢。屬于分割式熱泵精餾的甲醇精餾技術結(jié)合吸收式熱泵精餾方式的技術特點也是未來的發(fā)展方向。

2.4 甲醇熱泵精餾經(jīng)濟效益分析

工業(yè)能源消耗中，熱能的消耗占有很大的比例。能量相互轉(zhuǎn)化的過程中，58.8%的熱能以排氣或排水等形式損失。在化工和石油產(chǎn)業(yè)中，精餾過程是相對主要的能耗過程。甲醇熱泵精餾技術比傳統(tǒng)的精餾技術減少了52.05%的綜合能耗[3]。盡管甲醇熱泵精餾會多耗費0.3MPa的水蒸氣，但是其1.0MPa水蒸氣卻節(jié)省了69.45t/h。甲醇熱泵精餾技術的循環(huán)用水消耗也更小。相較于傳統(tǒng)的三塔式精餾技術，新甲醇蒸餾技術可以節(jié)省2715t/h的循環(huán)用水。據(jù)估算，在標準情況下，循環(huán)水0.2元每噸、1.0MPa蒸汽100元每噸、電費0.55元每千瓦時以及操作時間8000小時每年，平均一年可節(jié)約操作費3688萬元。

3 結(jié)語

甲醇熱泵精餾技術作為一種新型的分離提純技術，具有簡單高效與節(jié)能低耗等技術優(yōu)勢。然而，在實際生產(chǎn)中，甲醇精餾技術也會面臨許多實際因素的制約和影響，導致其分離提純的效果有所下降。如何提高其熱效率轉(zhuǎn)化、克服熱泵實際能耗偏高以及改進技術設備使初期投資降低等問題是甲醇精餾技術改進的方向。即便如此，甲醇熱泵精餾技術依然是目前石油化工產(chǎn)業(yè)中實用性較高、效果較理想的新興技術，具有廣闊的應用空間和研究改進價值。

[1]王立娟,張瑩瑩,仇汝臣.熱泵精餾技術進展介紹[J].山東化工.2012,41(5):89-90.

[2]葉鑫,呂建寧,丁干紅,等.甲醇熱泵精餾新工藝[J].化工進展.2010,29:74-77.

[3]甘景洪,方利國,陳衛(wèi)汕,等.分離碳酸二甲酯和甲醇的熱泵精餾工藝[J].廣東化工.2013，40(4):153-155.