李沐榮，許良華，辛春偉，袁希鋼

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熱泵精餾隔壁塔分離寬沸程物系的模擬

李沐榮1，許良華1，辛春偉1，袁希鋼2

(1天津理工大學化學化工學院，天津300384；2天津大學化工學院化學工程聯合國家重點實驗室，天津300072)

將中間換熱和熱泵精餾兩種精餾節(jié)能技術應用到隔壁塔中，提出了帶中間換熱器的熱泵精餾隔壁塔流程，以解決隔壁塔在分離寬沸程物系時出現的塔頂與塔底溫差過高而不宜應用熱泵精餾的問題。利用精餾塔總復合曲線圖，可確定中間產品塔板采出流股的相態(tài)，從而得到不同類型的熱泵精餾隔壁塔流程。寬沸程物系分離實例的模擬計算結果表明，該類流程在主塔氣液相流量較大的情況下具有較高的節(jié)能效率。

隔壁塔；熱泵精餾；分離；模擬；優(yōu)化

引 言

熱量耦合是降低精餾過程能耗的有效手段，隔壁塔作為一種完全熱耦合精餾塔型，近年來受到普遍關注[1-4]。其一般形式是預分塔與主塔位于同一塔殼內，并通過中間隔板上下兩端的氣液相流股相連，只需一個冷凝器和一個再沸器即可實現多組分精餾過程。因此其熱量利用較為集中，若將冷凝器和再沸器的熱量加以回收，可進一步提高隔壁塔的節(jié)能效率[5]。

熱泵精餾技術（vapor recompression，VRC）是實現精餾余熱回收的有效手段，相關研究表明，在塔頂塔底溫差較小且熱負荷較大時，熱泵精餾具有顯著的節(jié)能效果[6-7]。由于隔壁塔在塔頂得到最輕組分產品，側線位置得到中間組分，塔底得到最重組分產品，其塔頂與塔底的溫差一般高于傳統(tǒng)精餾塔，尤其分離寬沸程物系（各組分的沸點差較大）時，塔頂蒸汽需壓縮到較高壓力才可作為熱源汽化釜液，從而增加了壓縮機的能量消耗，降低了熱泵精餾的節(jié)能效率[8-10]。

隔壁塔中間產品采出塔板可作為熱泵精餾循環(huán)中的氣相或液相采出位置。一方面，相對于其他側線位置，該塔板處的氣液相純度高，泡露點溫差小，有利于保持相變換熱所需溫差；另一方面，側線位置與塔頂或塔底的溫差一般會顯著低于塔頂塔底間溫差，在分離寬沸程物系時更是如此[11]。但與精餾段采出液相或提餾段采出液相以組成熱泵循環(huán)流程不同，中間產品塔板的采出相態(tài)難以確定。Navarro-Amoros等[12]發(fā)現在與隔壁塔等效的三塔模型中，中間產品采出塔板上存在著剩余氣相或液相，據此可組建不同類型的熱泵精餾流程。然而該方法較為煩瑣，且剩余氣相或液相的數量有限，限制了熱泵精餾節(jié)能效果。

本研究提出一種確定側線產品塔板的采出相態(tài)的簡便方法，即根據精餾塔總復合曲線（column grand composite curve，CGCC）圖確定側線流股采出相態(tài)，以組成溫差較小的熱泵精餾隔壁塔，并從節(jié)能率、操作費用、投資費用和年度總費用等方面對該類型塔在分離寬沸程物系時的節(jié)能性能作出評價。

1 熱泵精餾隔壁塔流程

隔壁塔如圖1(a)所示，隔板位于中間塔段。常規(guī)熱泵精餾隔壁塔（VRC-DWC）如圖1(b)所示。以中間產品采出塔板作為熱泵與隔壁塔的連接點，當從該位置采出氣相流股時，可與塔底再沸器組成熱泵循環(huán)，如圖1(c)所示，即為帶中間冷凝器的熱泵精餾隔壁塔（side condenser vapor recompression DWC，SCVRC-DWC）。將該流程中的液相采出位置從塔底上移至公共提餾段，可進一步降低壓縮比，如圖1(d)所示，即為帶中間再沸器和冷凝器的熱泵精餾隔壁塔（side condenser vapor recompression DWC with intermediate reboile，IR-SCVRC-DWC）。當中間產品塔板的采出流股為液相時，可與塔頂蒸汽組成熱泵循環(huán)，如圖1(e)所示，即為帶中間再沸器的熱泵精餾隔壁塔（side reboiler vapor recompression DWC，SRVRC-DWC）。將該流程的蒸汽采出位置從塔頂下移至公共精餾段塔板，可使壓縮比進一步降低，即為帶中間冷凝器和再沸器的熱泵精餾隔壁塔（side reboiler vapor recompression DWC with intermediate condenser，IC-SRVRC- DWC），如圖1(f)所示。

由分析可見，中間產品塔板采出流股的相態(tài)不同，可得到不同類型的熱泵精餾隔壁塔流程。精餾塔的CGCC圖是指塔板溫度-焓值（-）圖和塔板-焓值（-）圖，描述了在熱力學可逆的理想精餾塔中，添加到每塊塔板上的中間再沸器或中間冷凝器的熱負荷。常規(guī)精餾塔的-圖如圖2所示，其理想焓值表示在操作線與平衡線重合時每塊塔板所需熱量。該曲線在某塊塔板位置產生一個夾點，夾點之上為中間再沸器加入區(qū)域，夾點之下為中間冷凝器加入位置區(qū)域。利用這一特性，可確定中間冷凝器和中間再沸器的最佳加入位置[13-14]。利用隔壁塔主塔的-圖，確定熱泵循環(huán)所需流股從中間產品塔板采出時的相態(tài)。在該圖中，若中間產品塔板位于中間再沸器加入區(qū)域，則可采出液相；若中間產品塔板位于中間冷凝器加入區(qū)域，則可采出氣相。采出相態(tài)確定后，即可確定相應的熱泵精餾隔壁塔流程。

2 熱泵精餾隔壁塔的模擬與費用估算

以正戊烷（C5）、正己烷（C6）和正庚烷（C7）混合物為分離物系對熱泵精餾隔壁塔的節(jié)能特性進行考察。三組分的相對揮發(fā)度依次為7.37、2.67和1，屬于溫差較大的寬沸程物系。

根據表1所列的進料條件和產品要求，首先采用簡捷算法[15]確定隔壁塔各塔段板數、回流比、3種產品的組成和流量（、、）以及連接流股的組成和流量（1、1、2、2）等參數。以此為初值，利用Aspen PlusTM對隔壁塔進行嚴格模擬和優(yōu)化，模擬流程如圖3所示。在優(yōu)化過程中，調節(jié)1和2的流量得到最優(yōu)回流比，再以年度總費用為目標，對各塔段板數進行優(yōu)化，得到最終的模擬結果[16-18]。將熱泵循環(huán)加入，即可得到VRC-DWC流程。其中壓縮機（comp）的絕熱效率設置為75%，機械效率設置為90%。在熱泵系統(tǒng)中，塔頂蒸汽經加熱器（heater）預熱后進入壓縮機，來自節(jié)流閥(throttle valve，TV)的冷凝液經冷卻器（cooler）完全液化后返回塔頂。其他熱泵精餾隔壁塔系統(tǒng)均采用上述設置。

表1 進料條件和產品要求

利用Aspen Plus的塔熱力學分析功能（column targeting thermal analysis）即可獲得主塔的-圖，根據該圖確定中間產品塔板采出流股的相態(tài)，從而得到SCVRC-DWC流程或SRVRC-DWC流程。最后得到IR-SCVRC-DWC流程或IC-SRVRC-DWC流程，兩流程中的中間再沸器（IR）位置和中間冷凝器（IC）位置通過靈敏度分析確定。

模擬完成后，采用式(1)計算各流程的總能耗Total，其中R為再沸器熱負荷，Comp為壓縮機能耗，為消除能量等級差異，按3倍壓縮機能耗計入總能耗中[19]。

Total=R+ 3Comp(1)

精餾節(jié)能一般是以投資費用的增加為代價的，為此計算了可綜合反映流程經濟性的年度總費用（total annual cost，TAC），該費用包括操作費用（operating cost）和年度投資費用（annualized capital cost）。操作費用包括消耗的冷卻水、中壓蒸汽以及電力費用，采用CAPCOST計算[20]。投資費用包括塔殼、塔盤、換熱器以及壓縮機的安裝費用，采用Douglas關聯式計算[21-22]，M&S指數更新到2012年的1468.6[23]?？紤]到隔壁塔安裝的復雜性，以1.2倍的塔殼和塔盤費用計入總投資費用中[23-24]。年度投資用采用式（2）計算。

式中，為年利率，取值8%；為設備的使用壽命，取值為10年[12]。

3 模擬結果與討論

3.1 熱泵精餾隔壁塔的節(jié)能與費用情況分析

DWC的模擬結果如圖4(a)所示，可見中間產品采自第19塊塔板，塔頂與塔底產品溫差為64.8℃。VRC-DWC流程的模擬結果如圖4(b)所示，壓縮比（CR）為5.9，數值較大。DWC主塔的-曲線如圖5(a)所示，可見其夾點位置位于第29塊塔板，中間產品采出塔板位于中間冷凝器加入區(qū)域，因此在中間產品塔板采出蒸汽流股，并與塔底再沸器組成熱泵循環(huán)，得到SCVRC-DWC流程，模擬結果如圖6(a)所示，其中155 kmol·h?1的側線蒸汽采出量由靈敏度分析得到。與VRC-DWC流程相比，該流程的壓縮比從5.90降低至2.60，壓縮機能耗降低了629 kW。受側線蒸汽采出量的限制，冷凝器和再沸器的熱負荷高于VRC-DWC中的相應值。

將流程中的液相流股采出位置由塔底上移至公共提餾段，可得到IR-SCVRC-DWC流程。其中間再沸器的位置由靈敏度分析確定，結果如圖5(b)所示，當中間再沸器位于第32塊塔板時，該流程的年度總費用最低。IR-SCVRC-DWC的模擬結果如圖6(b)所示，在該流程下，壓縮比降至1.85，與SCVRC-DWC相比，壓縮機能耗進一步降低，熱泵系統(tǒng)中的預熱器和冷卻器的熱負荷也隨之降低。

以上流程詳細的能耗和費用情況列于表2。因壓縮比較高，VRC-DWC流程的能耗節(jié)省率為負值（?2.37%），而SCVRC-DWC和IR-SCVRC-DWC流程的壓縮比較小，能耗節(jié)省率分別達到10.41%和17.61%，IR-SCVRC-DWC為能耗最低流程。因壓縮機的加入，3種熱泵精餾隔壁塔的投資費用較DWC有明顯上升，其中VRC-DWC流程的投資費用上升最為明顯。因此，VRC-DWC流程的年度總費用節(jié)省率僅為1.08%，而SCVRC-DWC和IR-SCVRC-DWC的節(jié)省率分別達到了6.12%和13.41%?？梢?，隔壁塔分離本研究采用的寬沸程物系時，不適合將熱泵精餾流程應用到塔頂與塔底之間，而采用IR-SCVRC-DWC流程，可獲得較高的節(jié)能率和較大的TAC節(jié)省率。

表2 能耗和費用計算結果

3.2 進料組成的對熱泵精餾隔壁塔的節(jié)能特性的影響

為考察本研究提出的熱泵精餾隔壁塔流程的可靠性，對該類型流程在兩種不同進料組成下進行了重新模擬。兩種進料中C5、C6和C7的摩爾分數分別為2（0.33, 0.34, 0.33）和3(0.40, 0.20, 0.40)，之前考察的0.25, 0.50, 0.25的進料組成命名為1。模擬結果見表3，在2的進料組成下，與DWC流程相比，IR-SCVRC-DWC流程的能耗下降了11.86%，操作費用降低了14.45%，TAC節(jié)省了8.32%，與1進料組成下的流程相比，此3項數據均有所降低。在3的進料組成下，IR-SCVRC-DWC流程能耗降低了6.75%，操作費用降低了8.55%，TAC節(jié)省了3.89%，與1進料組成下的流程相比，該3項數據進一步降低。

表3 兩種進料組成下的能耗和費用計算結果

可見，以主塔中間產品采出塔板為連接位置的熱泵精餾隔壁塔，進料組成對其節(jié)能效率有重要影響。當進料中的中間組分含量較高時，主塔將承擔更多分離任務，隔壁側的氣液相流量較大，可提供較多的換熱量。隨著進料中的中間組分含量的下降，主塔隔壁側的氣液相流量降低，造成熱泵余熱回收量的降低，流程的節(jié)能效果隨之下降?？梢?，本研究提出的熱泵精餾隔壁塔流程在中間組分進料組成較高且主塔氣液量流量較大的情況下具有更為顯著的節(jié)能效率。

4 結 論

對帶中間換熱器的熱泵精餾隔壁塔的模擬過程和節(jié)能特性進行了考察，提出利用CGCC圖確定側線流股采出相態(tài)的方法，對該流程的可靠性進行了分析，得出以下結論。

（1）對于分離寬沸程物系的隔壁塔，在塔頂與塔底之間的熱泵系統(tǒng)所需壓縮比較大，節(jié)能效率不明顯，而以中間產品采出塔板為連接點的熱泵精餾隔壁塔所需壓縮比明顯降低，具有較高的節(jié)能效率。

（2）利用CGCC圖可較為方便地判斷側線采出流股的相態(tài)，當中間產品塔板位于中間冷凝器加入區(qū)域時，可采出氣相流股與塔底再沸器組成熱泵系統(tǒng)；若中間產品塔板位于中間再沸器加入區(qū)域，則可采出液相流股與塔頂蒸汽組成熱泵系統(tǒng)。

（3）通過對該流程在不同進料組成下的節(jié)能效率和年度總費用方面的考察，發(fā)現提出的流程更適用于中間組分進料組成較高的分離，該條件下主塔氣液相流量較大，可提供更多的余熱回收量。

若中間組分進料組成較小，則預分塔承擔著更大的分離任務，熱泵精餾應考慮安裝在預分塔的合適位置，該條件下的節(jié)能效率需要進一步的模擬分析。

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Simulation of vapor recompression assisted dividing wall column for wide boiling mixture separation

LI Murong1, XU Lianghua1, XIN Chunwei1, YUAN Xigang2

(1School of Chemistry and Chemical Engineering,Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China;2State Key Laboratory of Chemical Engineering,School of Chemical Engineering and Technology, TianjinUniversity,Tianjin300072, China)

Bigtemperature difference between the overhead and bottom of the dividing wall column (DWC) limited the application of vapor recompression technology into DWC for separating wide boiling mixture, so the DWC with vapor recompression at side product stage scheme is investigated in this paper. With the aid of CGCC profiles, the phase of stream withdrawn from side product stage can be determined, and the corresponding VRC assisted DWC schemes can be achieved. Simulation results for wide boiling mixture separation show that the proposed schemes have high energy efficiency under large vapor and liquid flow rate in the main column.

dividing wall column; vapor recompression; separation; simulation; optimization

10.11949/j.issn.0438-1157.20161638

TQ 028

A

0438—1157（2017）05—1906—07

許良華。

李沐榮（1990—），男，碩士研究生。

國家自然科學基金項目（21406170）；化學工程聯合國家重點實驗室開放課題項目（SKL-ChE-15B04）；天津市教委基金項目（20140509）。

2016-11-18收到初稿，2017-01-10收到修改稿。

2016-11-18.

XU Lianghua, xulianghua2003@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (21406170), the State Key Laboratory of Chemical Engineering (SKL-ChE-15B04), and the Tianjin Municipal Education Commission (20140509).