苯—甲苯热泵变压精馏新工艺与数据分析

摘 要 本文分析了苯-甲苯双塔精馏工艺的弊端，开发了一种节能效果显著的苯-甲苯热泵变压精馏新工艺，并对流程的综合能耗进行了对比分析。新工艺采用塔顶汽相直接压缩式热泵精馏的方法，不需要消耗外部物质蒸气，通过体系本身低压塔塔顶蒸汽压缩升温，加热高压塔塔底液体汽化达到精馏目的。以综合效益为优化目标，确定了热泵精馏流程的工艺操作条件。计算结果表明，高压塔压力为3.43bar，回流比为3.2，低压塔压力为1.08bar，回流比为0.9 的双效精馏，比双塔精馏可节约供热量45%以上，节约蒸汽用量28%， 是一种非常有效的节能措施。

关键词 热泵；精馏；节能

引言

现代石油芳烃的生产能量消耗比原油加工的能耗高得多，将近一半的能耗用于精馏阶段，据此，精馏的节能在整个分离中占有十分重要的地位。降低精馏塔能耗的措施大体可以分为两类：第一类是对精馏塔本身进行改造，这里典型的有T.Takamatsu，M.Nakai—wa等的iHIDC，這种方案实施难度较大；另外一类是在传统精馏塔的基础上，通过改造塔的外围设备或者外围结构来达到提高能源利用效率的目的，这包括热集成，热泵等。而热泵系统易于实施，可控性优于热集成系统，因而是较为理想的节能方案。

本文提出的苯-甲苯热泵变压精馏新工艺，确定了双塔热泵变压精馏流程的优化后的操作条件；分离效果好，降低了能耗。热泵精馏是对多塔进行节能改进，通过压缩升高能量的等级进行热交换，代替低压塔塔顶冷凝器和高压塔塔釜再沸器的工作，一次性压缩使冷凝器和再沸器效果均得以实现，因而节约了精馏的能耗。由于热泵精馏可以较好地实现节能效果，其应用已日趋广泛。

1 苯-甲苯单塔精馏模拟

早期芳烃联合装置中的苯-甲苯分离往往采用传统精馏工艺。原料经过单塔精馏分离，依次得到产品苯和甲苯。分离过程没有考虑能量利用，塔顶气相物料采用空冷器或水冷器进行冷却，能量浪费严重，能耗较高，目前新设计的分离装置基本不采用。苯-甲苯精馏单塔工艺流程见图。

进料量35t/h，进料温度91℃，进料位置在第17块板（由上往下数）；进料组成：含苯30%（摩尔分数，下同）， 甲苯70%；操作压力1.08bar；回流比3.2；全塔实际板数40块，规定板效率为0.65。采用上述数据模拟计算了单塔的工况数据， 结果见表1。

2 苯-甲苯双塔精馏模拟

理论上，塔数目越多越能充分利用塔内能量，节能效果也越好，但设备投资也相应增加。同时，为了达到分离效果较好的目的，采用高低压塔串联的方式进行。确定高压塔压力为3.43bar，低压塔压力为1.08bar。苯-甲苯双塔工艺流程见图。

某工厂装置中苯-甲苯双塔精馏的基础数据如下：高压塔塔压3.43bar，进料量35t/h ， 进料温度91℃，进料位置在第13 块板（由上往下数）；进料组成：含苯30%（摩尔分数， 下同）， 甲苯70%， 回流比1.815，全塔实际板数50块， 规定板效率为0.65；低压塔塔压1.08bar，回流比0.9，全塔实际板数40块。可见模拟结果可观，但是再沸器和冷凝器能耗较大，因而苯-甲苯双塔精馏节能改进创新势在必行。

3 苯-甲苯热泵变压精馏模拟

根据双塔精馏可以看出，两塔塔顶塔底能耗较大，现进行将低压塔顶压缩升温，加热高压塔底液体汽化进行精馏分离的设想，即压缩低压塔塔顶蒸汽使温度升高，与高压塔塔底液体进行换热使其汽化，使整个体系正常运行精馏操作，并对该流程进行优化。

压缩机和换热器热耗结果如图：

可以清晰看出，苯-甲苯传统双塔精馏低压塔塔顶和高压塔底能耗为6.316605Gcal/hr，而热泵变压精馏能耗为4.711889 Gcal/hr，即节约能耗25.4%，如若压缩后的气体与高压塔底换热后，再用来加热进料原料，则将节约能耗53.5%。

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