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精馏干货12 || 深入讲讲热泵精馏

化工行业是能耗大户,如何降低精馏塔的能耗,充分利用低温热源,已成为人们普遍关注的问题。热泵精馏(Heat Pump Distillation)是把精馏塔塔顶蒸汽加压升温,使其用作塔底再沸器的热源,回收塔顶蒸汽的冷凝潜热,因而热泵精馏是一种良好的节能技术。


热泵精馏技术的核心是逆向卡诺循环,即把工质通过加压升温,回收塔顶蒸汽的冷凝潜热,作为塔底再沸器的热源,以达到减少冷热公用工程用量的目的。热泵精馏除开工阶段外,基本上不需向再沸器提供额外的热量。自20世纪80年代末以来,热泵精馏在丙烯、丙烷、乙醇、醋酸甲酯等实际工业分离过程中取得了较好的节能效果


  热泵系统的工作原理  


热泵主要由压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器构成,热量通过这四个部件之间的循环来实现传递。



如上图所示,来自蒸发器的低温低压蒸气经压缩机升温升压,达到所需温度和压力的蒸气流经冷凝器,蒸气放出热量,降温冷凝成液相,经节流膨胀后压力继续下降。低压液相工作介质流入蒸发器后,由于沸点很低,很容易吸收热量再蒸发,又形成低温低压蒸气。


如果把蒸发器放入低品位热源中吸收热量,则吸收了热量的蒸气再进入压缩机,如此循环,就能使低温热量不断流到温度较高的地方,实现热量的有效回收利用,其代价是不断给压缩机提供机械能或电能。


热泵精馏系统用“泵”(压缩机)把热量从低温处送到高温处,在该系统中压缩机消耗的能量是唯一由外界提供的能量,它比再沸器直接加热消耗的能量少得多,一般只相当于后者的20~40%,由此可见热泵节约能耗的作用。


  热泵精馏的适用场合  


热泵精馏具有一定的应用范围,需要根据精馏塔工艺要求,通过准确的经济评比决定是否使用热泵精馏:


塔顶和塔底温差较小。因为压缩机的功耗主要取决于温差,温差越大,压缩机的功耗越大。据国外文献报导,只要塔顶和塔底温差小于36℃,就可以获得较好的经济效果;


塔顶温度低于环境温度又高于工质的蒸发温度,塔底温度低于工质冷凝温度的精馏塔;


工质蒸汽冷凝潜热较大的系统;


被分离物质沸点接近,相对挥发度较小,分离困难,按常规方法,蒸馏塔需要较多的塔盘及较大的回流比,才能得到合格的产品,而且加热用的蒸汽或冷却用的循环水都比较多。若采用热泵技术一般可取得较明显的经济效益;


冷却水不足或冷却水温偏高、价格偏贵,低压运行时必须采用冷冻剂进行冷凝,为了使用冷却水或空气作为冷凝介质必须在较高压力下分离易挥发物质的场合;


工厂蒸汽供应不足或价格偏高,有必要减少蒸汽用量或取消再沸器时;


一般蒸馏塔塔顶温度在38~138℃之间,如果用热泵流程对缩短投资回收期有利就可以采用,但是如果有较便宜的低压蒸汽和冷却介质来源,用热泵流程就不一定有利;


蒸馏塔底再沸器温度在300℃以上,采用热泵流程往往是不合适的。


  热泵精馏的分类  


根据热泵所消耗的外界能量不同,热泵精馏可分为蒸汽加压方式和吸收式两种类型。


Ⅰ蒸汽加压方式


蒸汽加压方式热泵精馏有两种:蒸汽压缩机方式和蒸汽喷射式。


①蒸汽压缩机方式


蒸汽压缩机方式又可分为间接式、塔顶气体直接压缩式、分割式和塔釜液体闪蒸再沸式流程。


a. 间接式


当塔顶气体具有腐蚀性或塔顶气体为热敏性产品或塔顶产品不宜压缩时,可以采用间接式热泵精馏,见图1。


▲图1 间接式热泵精馏流程图


它主要由精馏塔、压缩机、蒸发器、冷凝器及节流阀等组成。这种流程利用单独封闭循环的工质(冷剂)工作:冷剂与塔顶物料换热后吸收热量蒸发为气体,气体经压缩提高压力和温度后,送至塔釜加热釜液,而本身凝结成液体。液体经节流减压后再去塔顶换热,完成一个循环。


塔顶低温处的热量,通过冷剂的媒介传递到塔釜高温处。在此流程中,制冷循环中的冷剂冷凝器与塔釜再沸器合为一个设备。在此设备中冷剂冷凝放热而釜液吸热蒸发。


间接式热泵精馏的特点是


(1)塔中要分离的产品与冷剂完全隔离;

(2)可使用标准精馏系统,易于设计和控制;

(3)与塔顶气体直接压缩式相比较,多一个热交换器(即蒸发器),压缩机需要克服较高的温差和压力差,因此其效率较低。


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130℃左右,而许多有机产品的精馏塔却在较高的温度下操作。


与普通制冷剂相比,水的化学和热稳定性好,泄漏时对人和臭氧层无负效应,价格便宜,而且具有极好的传热特性,在热交换中所需的换热面积较小,特别适合精馏塔底温度较高的精馏系统。


表1是以水为工质,用间接式热泵精馏分离乙苯-对二甲苯的节能结果。虽然单独工质循环式热泵精馏比常规精馏的总投资费用大,但回收期短,一般在一年之内。



▲表1 不同热泵精馏流程处理乙苯-对二甲苯溶液的

节能及经济效果


b. 塔顶气体直接压缩式


塔顶气体直接压缩式热泵精馏是以塔顶气体作为工质的热泵,其流程见图2,精馏塔顶气体经压缩机压缩升温后进入塔底再沸器,冷凝放热使釜液再沸,冷凝液经节流阀减压降温后,一部分作为产品出料,另一部分作为精馏塔顶的回流。



▲图2 塔顶气体直接压缩式热泵精馏流程图


塔顶气体直接压缩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(即再沸器),压缩机的压缩比通常低于单独工质循环式的压缩比;

(3)系统简单,稳定可靠。


塔顶气体直接压缩式热泵精馏适合应用在塔顶和塔底温度接近,或被分离物质因沸点接近难以分离,必须采用较大回流比的情况下,因此需要消耗大量加热蒸汽(即高负荷的再沸器),或在低压运行必须采用冷冻剂进行冷凝。为了使用冷却水或空气作冷凝介质,必须在较高塔压下分离某些易挥发物质的场合。


塔顶气体直接压缩式热泵精馏应用十分广泛,如丙烯-丙烷的分离采用该流程,其热力学效率可以从3.6%提高到8.1%,节能和经济效益非常显著。


某厂采用热泵精馏的结果见表2,由此可见,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,精馏塔可在更低的压力下操作,既简化了分离过程,又降低了设备成本。



▲表2 不同精馏形式下丙烯-丙烷分离的节能和经济效果比较


c. 分割式热泵


分割式热泵精馏组成及其流程如图3所示。


▲图3 分割式热泵精馏流程图


分割式热泵精馏流程分为上、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;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3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。



▲表3 不同精馏形式下异丙醇溶液分离的节能和经济效果比较


从表3可以看出,分割式可选择单级压缩机,其耗电量大大降低;而塔顶直接式就必须选择昂贵的多级压缩机。其耗电量几乎是分割式的2倍。


d. 闪蒸再沸


闪蒸再沸是热泵的一种变型,它以釜液为工质,其流程如图4所示。与塔顶气体直接压缩式相似,它也比间接式少一个换热器,适用场合也基本相同。不过,闪蒸再沸在塔压高时有利,而塔顶气体直接压缩式在塔压低时更有利。



▲图4 闪蒸再沸式热泵精馏流程图


②蒸汽喷射式


图5是采用蒸汽喷射泵方式的蒸汽汽提减压精馏工艺流程。在该流程中,塔顶蒸汽是稍含低沸点组成的水蒸气,其一部分用蒸汽喷射泵加压升温,随驱动蒸汽一起进入塔底作为加热蒸汽。



▲图5 蒸汽喷射式热泵精馏流程图


在传统方式中,如果进料预热需蒸汽量10,再沸器需蒸汽量30,则共需蒸汽量40。而在采用蒸汽喷射式热泵的精馏中,用于进料预热的蒸汽量不变,但由于向蒸汽喷射泵供给驱动蒸汽15就可得到用于再沸器加热的蒸汽30,故蒸汽消耗量是25,可节省37.5%的蒸汽量,所以节能效果十分显著。


采用蒸汽喷射泵方式的热泵精馏具有如下优点


(1)新增设备只有蒸汽喷射泵,设备费用低;

(2)蒸汽喷射泵没有转动部件,容易维修,而且维修费用低。


蒸汽喷射式热泵精馏如果在大压缩比或高真空度条件下操作,蒸汽喷射泵的驱动蒸汽量增大,再循环效果显著下降。因此,这种方式的热泵精馏适合应用在:


(1)精馏塔塔底和塔顶的压差不大;

(2)减压精馏的真空度比较低的情况下。


Ⅱ 吸收式


吸收式热泵由吸收器、再生器、冷却器和再沸器等设备组成,常用溴化锂水溶液或氯化钙水溶液为工质。由再生器送来的浓溴化锂溶液在吸收器中遇到从再沸器送来的蒸汽,发生了强烈的吸收作用,不但升温而且放出热量<Q吸>,该热量即可用于精馏塔蒸发器,实际上热泵的吸收器即为精馏塔的蒸发器。


浓溴化锂溶液吸收了蒸汽之后,浓度变稀,即送再生器蒸浓。再生器所耗用的热能<Q生>是热泵的原动力。从再生器中蒸发出来的水蒸气,在冷却器中冷却、冷凝,而后送入精馏塔冷凝器,在此冷凝器中,塔顶馏出物被冷凝,而水又重新蒸发进入吸收器。由此可见,精馏塔的冷凝器也是热泵的再沸器,详见图6。



▲图6 吸收式热泵精馏流程图


吸收式热泵按照机内循环方向的不同可分为:


冷凝器压力大于蒸发器压力的第一类吸收式热泵(Ⅰ型)和蒸发器压力高于冷凝器压力的第二类吸收式热泵(Ⅱ型)。第一类吸收式热泵需要高温热源驱动,但不需要外界冷却水,热量能得到充分利用,主要应用于产生热水;第二类吸收式热泵可利用低品位热能直接驱动,以低温热源与冷却水之间的温差为推动力,可产生低压蒸汽。



▲表4 吸收式热泵的特点


由表4可看出:I型吸收式热泵与Ⅱ型吸收式热泵虽是吸收式热泵的两大分支,二者原理相似,但由于驱动能量及供热量温度的差异,使二者应用条件有所不同。


一般在余热源温度较低(30~60℃),用热温度也较低(60~100℃)时,可用I型热泵,其COP值可达1.7左右,即消耗1kW驱动能,可以获得1.7kW的可用热。而在余热源温度较高(60~100℃)需要的供热温度也较高(100~150℃)时,可用Ⅱ型热泵,其COP值约为0.5,即每供给热泵1kW的低温余热,可以获得1.5kW温度较高的可用热,相当于不需要其它代价,就可以将低温余热的一半左右回收利用。


吸收式热泵与压缩式热泵相比,虽然供热系数COP较小,但避免了使用动力,在动力紧张的情况下,有压缩式热泵所不可替代的优点。吸收式热泵的优点是:可以利用温度不高的热源作为动力,如工厂废汽、废热。除功率不大的溶液泵外没有转动部件,设备维修方便,耗电量小,无噪音。缺点是热效率低,需要较高的投资,使用寿命不长。因此只有在产热量很大、而温度提升要求不高,并且可用废热直接驱动的情况下,吸收式热泵的工业应用才具有较大的吸引力。以下是吸收式热泵的应用举例。


日本某化工厂用Ⅱ型热泵回收精馏塔有机蒸汽的余热8.5t/h。80℃的有机余热蒸汽进入热泵的 发生器和蒸发器,由吸收器将100℃的热水加热到125℃,经闪蒸获得1kg/cm2(表压)120℃的蒸汽4.25t/h,热泵一年运行以8000h计算,则可节约蒸汽34000t。


上海通用机械研究所为上海酒精厂研制Ⅱ型热泵回收蒸馏塔顶76℃酒精蒸汽23222kW功能量,产生0.5kg/cm2 (表压)的蒸汽1.8t/h。据估算热泵每年收利15万元,装置费用的回收期约为1.5年。


上海交通大学为上海溶剂厂研制LiBr/H2O高温吸收式热泵,回收溶剂生产过程的7547kW103℃余热,产生1kg/cm2(表压)的蒸汽0.5t/h。据估算的热泵每年收益约8万元,装置费用回收期约三年。可见目前我国在能源价格偏低的情况下,采用Ⅱ型热泵节能,仍有一定的经济效益。


综上所述,热泵精馏确实是一种高效的节能技术,但需要注意的是,在选择精馏方案时除应考虑能源费用外,还应考虑其设备投资费用等因素对其经济合理性进行综合评价。在实际设计中,可把前面介绍的几种典型流程加以改进,以拓展热泵精馏的应用范围,而且要进行优化设计,以便获得节能效果和经济效益最佳的热泵精馏方案。


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