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热泵精馏的节能工艺流程分析



众所周知,能源问题已成为全球性的重要问题,各国均致力于开发新能源及节能技术的研究业能耗中,化学工业占很大比例,精馏是化工过程中最重要且应用最广泛的分离操作,其缺点是能耗大,热力学效率很低。许多工厂的精馏工段总效率低于10 .

精馏有很多节能措施〔3, 4,5〕。大量的理论分析和实验研究以及工业应用表明:精馏过程的一个较优方案是热泵精馏,其节能效果与经济效益非常显著热泵精馏以工质的来源可分为两大类:一类是直接式热泵精馏,以塔中的物质为工质另一类是间接式热泵精馏,以额外的循环物质(如制冷剂、水等)为工质。

热泵精馏的流程选择要密切结合具体条件(如当地的燃料价格,所利用余热的品位及数量,高品位能的用途等),以便充分发挥各热泵精馏流程的优势,取得最大的节能效果和经济效益。

1直接式热泵精馏1.1塔顶直接式热泵精馏塔顶直接式热泵精馏流程如图(1)〔10〕,主要部分组成:精馏塔(1)、压缩机(2)、驱动器(3)、蒸发器(4)、辅助蒸发器(5)等。

在压缩机2中,塔顶蒸汽升高到一个较高的压力和温度,接着在蒸发器4中,其热量传给塔底产品而自身冷凝,冷凝液一部分回流,另一部分作为产品出料。

塔顶直接式热泵精馏的特点是,(1)所需的载热介质是现成的(2)因为只需要一个热交换器,压缩机的压缩比通常低于带有间接循环的压缩比(3)系统简单,稳定可靠。

塔顶产品有可能不适宜作为载热介质,主要原因有:(1)排放出大量过多的热量(对低分子量化合物)(2)压缩中可能产生液相或导致聚合或分解(对高分子化合物)(3)不利的热力学特性、传热特性而引起的系统的低效率(4)牵涉到安全和腐蚀问题(5)接近临界压强或极低压强下具有很高的体积流量(此时需要大的、昂贵的压缩机)等。另外,此流程的压缩机要求高,不可泄露,不可污染产品,有时还要耐腐蚀,且不同的系统需要不同的压缩机。

塔顶直接式热泵精馏适合应用在塔顶和塔底的温差小,或被分离物系的组分因沸点相近难以分离,必须采用较大回流比,从而消耗大量的加热蒸汽(即高负荷的再沸器),或塔顶冷凝物(即馏分)需低温冷却的精馏系统等塔顶直接式热泵精馏是研究、应用最广泛的,丙烯丙烷分离系统采用热泵,其热力学效率可从3.61 提高到8.1 ,节能和经济效益非常显著,某一实例采用热泵精馏的结果〔13〕,从表中可以看出,当选用热泵精馏时,能源费用急剧下降,此时,冷却水温度已不再是决定因素,塔可在更低的压力下操作,这既简化了分离过程,又降低了设备成本。

经济效果比较常规精馏塔顶直接式热泵精馏能源消耗冷却水(m能源费用冷却水($/ h)总操作费用($/ h)节省操作费用($/ h)1.2分割式热泵精馏分割式热泵精馏流程如图(2)〔15〕,主要组成部分:上塔(1)、压缩机(2)、驱动器(3)、上塔蒸发器(4)、下塔(5)、下塔再沸器(6)。

分割式热泵精馏是流程分为上、下两塔,上塔类似于直接式热泵精馏,只不过多了一个进料口对于下塔,则类似于常规精馏的提馏段即蒸出塔,进料来自上塔的釜液,蒸汽出料则进入上塔塔底,分割式热泵精馏的节能效果明显,投资费用适中,控制简单。

分割式热泵精馏的特点是可通过控制分割点浓度(即下塔进料浓度)来调节上塔的温差,从而选择合适的压缩机,在实际设计时,分割点浓度的优化是很必要的分割式热泵精馏适用于分离体系物的相图存在恒浓区和恒稀区的大温差精馏,如乙醇水溶液、异丙醇水溶液等。表2是某工厂采用常规精馏、塔顶直接式热泵精馏和分割式热泵精馏工艺处理异丙醇水溶液的结果〔16〕,从表中可以看出,分割式可选择单级压缩机,其耗电大大降低而塔顶直接式就必须选择昂贵的多级压缩机,其耗电几乎是分割式的二倍。

经济效果比较常规精馏塔顶直接式热泵精馏分割式热泵精馏能源消耗冷却水(m能源费用冷却水($/ h)总操作费用($/ h)节省操作费用($/ h)此外,直接式热泵精馏还有塔釜式、中间式、srv式热泵精馏〔18, 19〕,它们的节能及经济效果也都非常明显。

2间接式热泵精馏间接式热泵精馏如图(3)〔20〕,主要部分组成:精馏塔(1)、压缩机(2)、驱动器(3)、蒸发器(4)、辅助蒸发器(5)、冷凝器(6)、膨胀阀(7)。

在闭循环中,循环工质在冷凝器6中吸收塔顶产品的冷凝热而自身汽化,经过压缩机2压缩后,把它升高到一个较高的压力和温位,之后在塔底蒸发器4中该工质再次冷凝,把它的热量传递给蒸发的塔底产品。由此,工质经过膨胀阀7进入冷凝器6进行再循环,从中可以看到,这充分利用了精馏系统本身凝结所放出的热量。

间接式热泵精馏的特点是, (1)塔中的待分离产品与工质完全隔离(2)可使用标准精馏系统,易设计和控制(3)与塔顶直接式蒸汽压缩相比较,多一个热交换器,这就意味着压缩机需要克服较高的温差和压力差,因此,其效率较低。

间接式热泵精馏的适用范围是热敏产品、腐蚀性介质或塔顶产品不宜压缩的精馏系统。

考虑到工质的化学稳定性,间接式热泵精馏应用的温度范围限制在大约130℃左右,而许多有机产品的塔却是在较高的温度下操作。与普通制冷剂相比,水作为高温工质却有许多便利。水有高度的化学和热稳定性(排出温度可达246℃),工程设计时物性数据丰富,泄露时对人、环境和臭氧层无负效应,而且极便宜,几乎无任何代价,最重要的一点是水有极好的传热特性,在热交换中所需的换热面积较小,它特适合塔底温度较高的精馏系统〔21〕。以水为工质,用间接式热泵精馏工艺处理某乙苯对二甲苯溶液的节能和经济效果见表3.

从表中可以得到,两类热泵精馏都节能,追加投资回收期小于1年。热泵精馏系统的核心是压缩机,间接式热泵精馏的压缩机很小(叶轮直径大约是350mm ,相对于塔顶直接式的叶轮直径是0mm),而且,与乙苯相比,工程师更加熟悉水的物性,设计时更加方便、可靠。

液的节能及经济效果常规精馏塔顶直接式热泵精馏间接式热泵精馏冷却水(m能源费用冷却水($/h)总操作费用($/h)节省操作费用($/ h)压缩机总投资费用($)总投资费用差别($)投资回收期(v)质与冷源及热源的匹配程度。因此,当传热过程中冷源和热源的温度变化较大时,宜采用三元混合工质(组元太多则混合工质配制、使用均较复杂)。

3.2非共沸混合工质的优选步骤(1)混合工质相变温差的确定使相变温差及温度变化规律与冷、热源的温度变化幅度和温度变化特性相近(2)组元数的确定当冷、热源的温度变化小于20℃时,采用二元混合工质即可大于20℃时,宜采用三元混合工质(3)混合工质组元的初步确定搜索工质数据库,寻找适宜的高、低沸点组元(适宜是指高、低沸点组元的正常沸点之差比所要求的混合工质相变温差略大,且尽量也满足低环害、不可燃、易购等要求)对三元混合工质,还要初选正常沸点在高、低沸点组元正常沸点之间的第三组元,以调整混合工质的可燃性或相变温度变化特性(4)混合工质的配比确定对初选的二元或三元混合工质,利用csd方程计算不同压力下的汽液平衡特性〔4〕,并依相变温度及温度变化特性与冷、热源相近的原则确定混合工质的配比(5)混合工质的优选根据第4步的计算结果,从满足温度匹配要求的非共沸混合工质中,综合考虑其工作压力、可燃性、易购性、相变潜热、环境可接受性,从中选出最适宜的热环循环工质。

4典型工业场合热环非共沸混合工质的优选示例热环可应用于食品、造纸工业中,回收排风余热来预热进风。一个典型工况示于图1.

按3.2中非共沸混合工质的优选步骤,取混合工质的相变温差为30℃,组元数为3.经在制冷空调热泵数据库检索后〔5〕,取高沸点组元为r141b(正常沸点t 32℃),低沸点组元可为r22(t =24℃),中间组元可为:=18℃)。经汽液平衡计算并综合可燃性、易购性等因素,取:或数)为该典型工况下热环的优选循环工质。其中前者在目前价格、易购性方面优于后者,但对环境的危害大于后者后者为低环害工质,且各组元国内均可购,但价格稍贵。

5小结本文着重就一种新型热管―――热环的非共沸循环工质优选进行了研究,为不同冷、热源条件下非共沸循环工质的设计提供了具体步骤。设计结果的优劣主要取决于两方面:(1)工质组元数据库所包括的工质种类和物性数据的丰富程度(2)混合工质汽液平衡计算的可靠程度。

〔1〕陈东,徐尧润,刘振义,王越。非相邻冷热源间强化传热新技术―――热环的研究〔j〕。工程热物理学报,2000, 21(已录用)〔2〕刘华国等。目前我国几种主要乳品设备存在的问题〔j〕。中国乳〔3〕谭连城,段永红,阴建民。混合工质制冷系统节能的热力学分析〔5〕陈东。压缩式中高温热泵低环害循环工质的理论和实验研究〔学位论文〕。天津:天津大学博士学位论文。1997:88~91 3总结与展望(1)在适宜条件下,采用热泵精馏可得到显著的经济效益,如能采用多降液管精馏塔、带有高效部件的再沸器与热泵配套,效果更明显。

(2)在实际设计中,可把前面介绍的几种典型的热泵精馏流程改进,以便拓展热泵精馏的应用范围。而且,如对热泵精馏进行优化设计,节能效果和经济效益更佳。

(3)在过程综合技术中,要根据工厂实际情况合理选择热泵精馏的工艺流程,确保热泵精馏跨过挟点〔1〕钱易。持续发展是唯一出路〔j〕。现代化工, 1996,3:7〔3〕刘瑞兴。精馏节能〔j〕。现代化工, 1986,6(5):4953〔4〕郭冶,刘瑞兴。精馏塔降低回流比的节能措施〔j〕。节能, 1987, 7:〔5〕陈砺,张宁安。操作压力与精馏节能〔j〕。节能, 1996, 2:25〔6〕庞合鼎,王守谦,阎可智。高效节能的热泵技术〔m〕。北京:原子能出版社, 1985〔14〕平田光穗〔日〕。梁源修,宋宗义,吴国和等译。实用化工节能技术〔m〕。北京:化学工业出版社,1988〔15〕朱平,冯霄,李珊。分割式热泵精馏的研究及其分割点的确定


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