热泵精馏与节能

热泵精馏与节能 精馏是化工、石化等行业中的重要组成部分。石油和化学工业的能耗占工业总能耗的 比重很大，其中约60％用于精馏过程。而在常规精馏塔的流程中，塔底再沸器所输入的能 量大约有95％在塔顶被冷却空气或冷却水带走。一般情况下，这部分能量不能得到进一步 的回收利用，热力学效率很低。因此精馏过程的节能十分必要。多年来，人们已采用了多种 和手段对精馏塔的装置和操作进行改进，以减少精馏塔所消耗的能量，如以产品物流预 热进料、增加塔板数、减小回流比、增设中间再沸器和中间冷凝器、适宜的保温材料和高效 填料等方式。但要进一步降低能耗，只有通过回收塔顶的热量来实现。热泵技术便是目前最 为突出的、行之有效的节能方法。 作为自然界的现象热量也总是从高温区流向低温区。但人们可以创造机器，如同把水 从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。热泵实质上是 一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象，其 工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。 热泵精馏利用工作介质吸收精馏塔顶蒸汽的相变热，通过热泵对工作介质进行压缩， 升压升温，使其能质得到提高，然后作为再沸器的加热热源，从而既节省了精馏塔再沸器的 加热热源，又降低了精馏塔塔顶冷凝器的冷凝换热负荷，达到了节能目的。 热泵在工作时，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，通过传热 工质循环系统提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分，因 此，采用热泵技术可以节约大量高品位能源。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的热源,回收塔顶蒸汽的冷凝潜热。根据热泵所消耗的外界能量不同,热泵精馏可分为蒸汽压缩式和蒸汽喷射式两种类型。 蒸汽压缩机方式热泵精馏在下述场合应用，可望取得良好效果： （1）塔顶和塔底温差较小的场合。只要塔顶和塔底温差小于36?，就可以获得较好的经济效果。 （2）被分离物质的沸点接近，分离困难，回流比高，因此需要大量蒸气的场合。 （3）在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冷凝介质，必 须在较高塔压下分离某些易挥发性物质的场合。 考虑到冷凝和再沸器热负荷的平衡以及便于控制，在流程中往往设有附加冷却器和加 热器。按照流程的不同，蒸汽压缩机方式又可分为塔顶气体直接压缩式、单独工质循环式、 分割式和塔釜液体闪蒸再沸式四种流程，也有将间接式算作一种流程的。 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,主要由精馏塔、 压缩机、凝汽器(即精馏塔的再沸器) 和节流阀 等组成。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 节流阀减压后,一部分作为产品出料,另一部分 作为精馏塔顶的回流。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) ,压缩机的压缩比通体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,因此需要消耗大量加热蒸汽(即高负荷的再沸器) ,或塔顶冷凝物需低温冷却的精馏系统。 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,可以采用单独工质循环式热泵精馏,它主要由精馏塔、压缩机、蒸发器、凝汽器及节流阀等组成。这种 流程利用单独封闭循环的工质工作:高压气态工质在凝汽器(即精馏塔的再沸器) 中冷凝放热后经节流阀减压降温,入塔顶蒸发器(即精馏塔的凝汽器) 中吸热蒸发,形成低压气态工质返回压缩机压缩,进行再循环。 单独工质循环式热泵精馏的特点是: (1) 塔中要分离的产品与工质完全隔离; (2) 可使用精馏系统,易于和控制; (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,单独工质循环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。 分割式热泵精馏流程主要组成部分:上 塔、压缩机、驱动器、上塔蒸发器、下塔、下 塔再沸器 。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。 闪蒸再沸是热泵的一种变型，它直接以塔釜出料为冷剂，经节流后送至塔顶换热，吸 收热量蒸发为气体，再经压缩升压升温后，返回塔釜。塔顶蒸气则在换热过程中放出热量凝 成液体。从精馏过程的角度看，可理解为再沸器和塔顶冷凝器为一个设备。从制冷角度看， 则可理解为节省了塔底再沸器，将间接换热改成了直接换热。其流程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。 间接式热泵精馏主要部分组成:精馏塔、压缩机、驱动器、蒸发器、辅助蒸发器、冷凝 器、膨胀阀。在闭循环中,循环工质在冷凝器 中吸收塔顶产品的冷凝热而自身汽化,经过压缩机压缩后,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,工质经过膨胀阀进入冷凝器进行再循环,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： (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。 蒸汽喷射式热泵是提高低压蒸汽压力的专门设备，其原理是借助高压蒸汽(驱动蒸汽) 喷射产生的高速汽流，将低压蒸汽的压力和温度提高，而高压蒸汽的压力和温度降低。低压 蒸汽的压力和 温度提高到能使用的指标，从而达到节能的目的。在该流程中，塔顶蒸 汽是稍含低沸点组成的水蒸汽，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。蒸汽喷射式热泵在利用蒸汽的企业有着广泛的利用。 (1)低压蒸汽升压再利用。有 些工厂企业同时使用几种不 同压力的蒸汽，而热源又不 能全部满足，这时可用蒸汽 喷射式热泵将部分低压蒸汽 升压，以满足生产的需要。 (2)设备排汽循环再利用。某 些使用蒸汽的设备，由于其 排汽压力低，回收困难，用 蒸汽喷射式热泵排汽升压后 并人供汽管网，可实现排汽 循环再利用。 (3)闪蒸汽的回收利用。凝结水在降压过程中产生大量闪蒸汽， 用蒸汽喷射式热泵回收这部分闪蒸汽并将其升压，供给生产或生活使用。 采用蒸汽喷射泵方式的热泵精馏具有如下优点： ?新增设备只有蒸汽喷射泵，设备费低； ?蒸汽喷射泵没有转动部件，容易维修，而且维修费低； ?吸入蒸气量偏离设计点时发生喘振和阻流现象。 这点与蒸汽压缩机相同，但由于没有转动部件，就没有设备损坏的危险。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。 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。 采用蒸汽喷射式泵把塔顶蒸汽加压升温后，也可作为其它系统的热源。这种方式的前 提是前塔的低沸点组分和后塔的高沸点组分都是水，后塔是气提。如果后塔采用再沸器加热， 则蒸汽喷射式泵的压缩必要增大，使驱动蒸汽量增加，达不到好的经济效果，采用这种方法， 后塔所需蒸汽量可节省一半。 吸收式热泵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，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是热泵的原动力。从再生器 中蒸发出采的水蒸汽，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。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（?型）和蒸发器压力高于冷凝器压力的第二类吸收式热泵（?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。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,并且需要较高的投资，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。 热泵技术以其高效节能的特性，得到了普遍应用，但并非任何条件下都适宜采用热泵 技术，应从以下几个方面进行可行性判定： (1)是否存在优质的热源，通常热源应温度较高，稳定量大，与热泵设置点距离较近， 且不具有腐蚀性，不易结垢，对设备磨损较小； (2)是否有合适的用热需求。由于热泵的供热系数直接受供热温度影响，供热温度过 高，会使供热系数大幅度下降，使利用热泵技术的经济性下降，所以，应用热泵技术时， 应根据所采用的热泵类型，确定合适的供热温度，使热泵系统经济性较好。此外，热用户 应当能全部利用热泵可能供出的热量。 (3)运行成本是否低。供热方式的不同，会使供热成本产生很大差异，例如电料与燃 料供热的成本就相差很大。采用热泵技术时，因回收了低温热能，系统必然是节能的，但 由于供热方式的改变，应探讨是否具有经济效益。 (4)还应当注意采用热泵技术后，是否对原系统产生其它影响，如意外故障的应变性、 负荷变化时的适应性，以及系统整体的热量平衡等。 热泵精馏确实是一种高效的节能技术,但需要注意的是,在选择精馏时,除应考虑能源费用外,还应考虑其设备投资费等因素,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。 热泵技术在精馏过程中起到节能的作 用，供热系数越大，节能效果越显著。我国是能耗大国，能源利用率较低，有大量低品位 能量有待回收利用，因而开展热泵精馏研究开发，有着广阔的工业应用前景。不同的热泵 类型，各有优缺点，具体采用哪种形式，应依据具体的物系、热源特点、用户要求和经济 核算而定。 应注意热泵蒸馏系统各个装置的优化，特别是选用高效的传热设备至关重要。 此外，要注意系统各装置之间的理想配合，才能取得最佳的经济效益。 按照我国不同品质能源比价的情况，石油化工厂采用汽轮机带动热泵压缩机，不仅有节能效果，而且有良好 的经济效益。