精馏节能关键技术.doc

热泵精馏工艺分析
化工行业是能耗大户，其中精馏又是能耗极高单元操作，而老式精馏方式热力学效率很低，能量挥霍很大。如何减少精馏塔能耗，充分运用低温热源，已成为人们普遍关注问题。对此人们提出了许多节能办法，通过大量理论分析、实验研究以及工业应用表白其中节能效果比较明显是热泵精馏技术。热泵精馏是把精馏塔塔顶蒸汽加压升温，使其用作塔底再沸器热源，回收塔顶蒸汽冷凝潜热。

热泵精馏在下述场合应用，有望获得良好效果：
(1)塔顶和塔底温差较小，由于压缩机功耗重要取决于温差，温差越大，压缩机功耗越大。据国外文献报导，只要塔顶和塔底温差不大于36℃，就可以获得较好经济效果。

(2)沸点相近组分分离，按常规办法，蒸馏塔需要较多塔盘及较大回流比，才干得到合格产品，并且加热用蒸汽或冷却用循环水都比较多。若采用热泵技术普通可获得较明显经济效益。

(3)工厂蒸汽供应局限性或价格偏高,有必要减少蒸汽用量或取消再沸器时。

(4)冷却水局限性或者冷却水温偏高、价格偏贵，需要采用制冷技术或其她办法解决冷却问题时。
(5)普通蒸馏塔塔顶温度在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，但是如果有较便宜低压蒸汽和冷却介质来源，用热泵流程就不一定有利。

(6)蒸馏塔底再沸器温度在300℃以上，采用热泵流程往往是不适当。

以上只是对普通状况而言,对于某个详细工艺过程，还要进行全面经济技术评估之后才干拟定。

依照热泵所消耗外界能量不同，热泵精馏可分为蒸汽加压方式和吸取式两种类型

1.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。

1.1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。

1.1.1间接式
当塔顶气体具备腐蚀性或塔顶气体为热敏性产品或塔顶产品不适当压缩时，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

它重要由精馏塔、压缩机、蒸发器、冷凝器及节流阀等构成。这种流程运用单独封闭循环工质（冷剂）工作：冷剂与塔顶物料换热后吸取热量蒸发为气体，气体经压缩提高压力和温度后，送至塔釜加热釜液，而自身凝结成液体。液体经节流减压后再去塔顶换热，完毕一种循环。

于是塔顶低温处热量，通过冷剂媒介传递到塔釜高温处。在此流程中，制冷循环中冷剂冷凝器与塔釜再沸器合为一种设备。在此设备中冷剂冷凝放热而釜液吸热蒸发。

间接式热泵精馏特点是：
(1)塔中要分离产品与冷剂完全隔离；
(2)可使用原则精馏系统，易于设计和控制；
(3)与塔顶气体直接压缩式相比较，多一种热互换器(即蒸发器)，压缩机需要克服较高温差和压力差，因而其效率较低。

考虑到工质化学稳定性，间接式热泵精馏应用温度范畴限制在130℃左右,而许多有机产品精馏塔却在较高温度下操作。

与普通制冷剂相比，水化学和热稳定性好，泄漏时对人和臭氧层无负效应，价格便宜，并且具备极好传热特性，在热互换中所需换热面积较小，特别适合精馏塔底温度较高精馏系统。

表1是以水为工质，用间接式热泵精馏分离乙苯-对二甲苯节能成果。虽然单独工质循环式热泵精馏比常规精馏总投资费用大，但回收期短，普通在一年之内。

表1 不同热泵精馏流程解决乙苯-对二甲苯溶液节能及经济效果

1.1.2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，一某些作为产品出料，另一某些作为精馏塔顶回流。

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特点是：
(1)所需载热介质是现成；
(2)由于只需要一种热互换器(即再沸器)，压缩机压缩比普通低于单独工质循环式压缩比；
(3)系统简朴，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，必要采用较大回流比状况下，因而需要消耗大量加热蒸汽(即高负荷再沸器)，或在低压运营必要采用冷冻剂进行冷凝。为了使用冷却水或空气作冷凝介质，必要在较高塔压下分离某些易挥发物质场合。
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明显。
某厂采用热泵精馏成果见表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，精馏塔可在更低压力下操作，既简化了分离过程，又减少了设备成本。

表2 不同精馏形式下丙烯-丙烷分离节能和经济效果比较

1.1.3分割式热泵
分割式热泵精馏构成及其流程如图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，只但是多了一种进料口；下塔则类似于常规精馏提馏段即蒸出塔，进料来自上塔釜液，蒸汽则进入上塔塔底。分割式热泵精馏节能效果明显，投资费用适中，控制简朴。
分割式热泵精馏特点是可通过控制分割点浓度(即下塔进料浓度)来调节上塔温差，从而选取适当压缩机。在实际设计时，分割点浓度优化是很必要。
分割式热泵精馏合用于分离体系物相图存在恒浓区和恒稀区大温差精馏，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解决异丙醇水溶液成果。

表3 不同精馏形式下异丙醇溶液分离节能和经济效果比较

从表3可以看出，分割式可选取单级压缩机，其耗电量大大减少；而塔顶直接式就必要选取昂贵多级压缩机。其耗电量几乎是分割式2倍。

1.1.4闪蒸再沸
闪蒸再沸是热泵一种变型，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，它也比间接式少一种换热器，合用场合也基本相似。但是，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

1.2蒸汽喷射式
图5是采用蒸汽喷射泵方式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构成水蒸气，其一某些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

在老式方式中，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精馏中，用于进料预热蒸汽量不变，但由于向蒸汽喷射泵供应驱动蒸汽15就可得到用于再沸器加热蒸汽30，故蒸汽消耗量是25，可节约37.5%蒸汽量，因此节能效果十分明显。

采用蒸汽喷射泵方式热泵精馏具备如下长处：
(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，并且维修费用低。
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，蒸汽喷射泵驱动蒸汽量增大，再循环效果明显下降。
因而，这种方式热泵精馏适合应用在：
(1)精馏塔塔底和塔顶压差不大；
(2)减压精馏真空度比较低状况下。

2吸取式
吸取式热泵由吸取器、再生器、冷却器和再沸器等设备构成，惯用溴化锂水溶液或氯化钙水溶液为工质。由再生器送来浓溴化锂溶液在吸取器中遇到从再沸器送来蒸汽，发生了强烈吸取作用，不但升温并且放出热量<Q吸>，该热量即可用于精馏塔蒸发器，事实上热泵吸取器即为精馏塔蒸发器。

浓溴化锂溶液吸取了蒸汽之后，浓度变稀，即送再生器蒸浓。再生器所耗用热能<Q生>是热泵原动力。从再生器中蒸发出来水蒸气，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取器。由此可见，精馏塔冷凝器也是热泵再沸器，详见图6。

图6 吸取式热泵精馏流程图

吸取式热泵按照机内循环方向不同可分为：
冷凝器压力不不大于蒸发器压力第一类吸取式热泵(Ⅰ型)和蒸发器压力高于冷凝器压力第二类吸取式热泵(Ⅱ型)。第一类吸取式热泵需要高温热源驱动，但不需要外界冷却水，热量能得到充分运用，重要应用于产生热水；第二类吸取式热泵可运用低品位热能直接驱动，以低温热源与冷却水之间温差为推动力，可产生低压蒸汽。

表4 吸取式热泵特点

由表4可看出：I型吸取式热泵与Ⅱ型吸取式热泵虽是吸取式热泵两大分支，两者原理相似，但由于驱动能量及供热量温度差别，使两者应用条件有所不同。

普通在余热源温度较低(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可用热。而在余热源温度较高(60～100℃)需要供热温度也较高(100～150℃)时，可用Ⅱ型热泵，其COP值约为0.5，即每供应热泵1kW低温余热，可以获得1.5kW温度较高可用热，相称于不需要其他代价，就可以将低温余热一半左右回收运用。

吸取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，在动力紧张状况下，有压缩式热泵所不可代替长处。吸取式热泵长处是：可以运用温度不高热源作为动力，如工厂废汽、废热。除功率不大溶液泵外没有转动部件，设备维修以便，耗电量小，无噪音。缺陷是热效率低，需要较高投资，使用寿命不长。因而只有在产热量很大、而温度提高规定不高，并且可用废热直接驱动状况下，吸取式热泵工业应用才具备较大吸引力。如下是吸取式热泵应用举例。

日本某化工厂用Ⅱ型热泵回收精馏塔有机蒸汽余热8.5t/h。80℃有机余热蒸汽进入热泵 发生器和蒸发器,由吸取器将100℃热水加热到125℃,经闪蒸获得1kg/cm2(表压)120℃蒸汽4.25t/h,热泵一年运营以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)蒸汽1.8t/h。据估算热泵每年收利15万元,装置费用回收期约为1.5年。

上海交通大学为上海溶剂厂研制LiBr/H2O高温吸取式热泵，回收溶剂生产过程7547kW103℃余热，产生1kg/cm2(表压)蒸汽0.5t/h。据估算热泵每年收益约8万元，装置费用回收期约三年。可见当前国内在能源价格偏低状况下,采用Ⅱ型热泵节能,仍有一定经济效益。

综上所述，热泵精馏的确是一种高效节能技术，但需要注意是，在选取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，可把前面简介几种典型流程加以改进，以拓展热泵精馏应用范畴，并且要进行优化设计，以便获得节能效果和经济效益最佳热泵精馏方案。