精馏节能技术

热泵精馏过程分析化学工业是能耗高的家庭，其中蒸馏是能源消耗很高的单位操作，传统的蒸馏方式热力学效率很低，能源浪费很大。减少精馏塔的能耗，充分利用低温热源的方法成为人们关注的热点。对此，提出了很多节能对策，通过很多理论分析、实验研究、工业应用表明，节能效果较大的是热泵精馏技术。热泵蒸馏塔是通过加压加热塔顶蒸汽，用作塔底再沸器的热源，回收塔顶蒸汽的冷凝潜热。热泵精馏用于以下情况，预计取得良好效果：(1)塔顶和塔底的温差主要取决于压缩机功耗，温差越大，压缩机功耗越大，因此较小。据外国文献报道，塔顶和塔底的温差小于36 ，可以达到良好的经济效果。(2)与沸点相似的成分的分离，按照一般方法，精馏塔需要更多的塔和更大的回流比，用于加热的蒸汽或冷却的循环水更多。使用热泵技术通常可以获得更明显的经济效益。(3)工厂蒸汽供应不足或价格高，需要减少蒸汽使用量或取消重启机。(4)冷却水不足、冷水温度高或价格昂贵，需要通过冷却技术或其他方法解决冷却问题的情况。(5)一般精馏塔塔顶温度在38 138 之间，使用热泵工艺有利于缩短投资回收期，但低压蒸汽和冷却介质源便宜不一定有利于使用热泵工艺。(6)精馏塔底再沸器温度在300以上时，采用热泵工艺往往不合适。只有在一般情况下，对特定公平过程进行综合经济技术评价后，才能确定这一点。根据热泵消耗的外部能源，热泵蒸馏可以分为蒸汽加压法和吸收式两种类型1.蒸汽加压法蒸汽加压热泵精馏有蒸汽压缩机方式和蒸汽喷射式两种。1.1蒸汽压缩机方法蒸汽压缩机方式可分为间接、塔煤气直接压缩、分割和塔液体闪蒸再比工艺。1.1.1间接如果塔气体具有腐蚀性，塔气体是热敏感产品，或塔产品不压缩，则可以使用间接热泵蒸馏(见图1)。图1间接热泵精馏流程图它主要由精馏塔、压缩机、蒸发器、冷凝器、节流器组成。该工艺是利用单独封闭回路的制冷剂(制冷剂)运转的。制冷剂与塔顶材料交换热量后，吸收热量，蒸发成气体，气体压缩，提高压力和温度，然后送到塔水壶加热液，本身凝结成液体。液体通过节流减压，然后到塔顶传递热量完成循环。因此塔顶低温下的热量通过冷却剂的介质传递到塔高温。在此过程中，制冷剂循环的制冷剂冷凝器与塔釜里锅炉一起作为一个设备运行。在这个装置里，制冷剂凝结释放热量，水壶液体吸收热量蒸发。间接热泵精馏的特点如下：(1)要从塔中分离的产品与制冷剂完全隔离。(2)可以使用易于设计和控制的标准蒸馏系统。(3)与塔式气体的直接压缩式相比，多个换热器(蒸发器)需要压缩机克服高温差和压差，因此效率低。考虑到工作流体的化学稳定性，间接热泵精馏的温度范围限制在约130 ，而许多有机产品的精馏塔在高温下工作。水与一般制冷剂相比，化学和热稳定性好，泄漏对人和臭氧层没有负面影响，价格低廉，传热特性好，热交换所需的传热面积小，特别适合蒸馏塔底部温度高的蒸馏系统。表1是以水为工作流体，间接热泵精馏分离乙苯-p-二甲苯的节能结果。个别制冷剂循环热泵蒸馏大于一般蒸馏的总投资成本，但回收时间短，一般在一年内完成。表1乙苯-对二甲苯溶液处理不同热泵精馏工艺的节能经济效果1.1.2塔顶气体直接压缩塔气体直接压缩式热泵精馏是以塔气体作为工作流体的热泵，如图2所示。精馏塔顶煤气经压缩加热后进入塔底再沸器，冷凝液释放热使水壶重新沸腾，冷凝液通过节流减压冷却后，一部分作为产品排出，另一部分用作精馏塔顶的回流。图2塔气体直接压缩热泵精馏流程图塔煤气直接压缩热泵精馏的特点如下：(1)所需的热媒立即可用。(2)由于只需要一个热交换器(再沸器)，压缩机通常低于各个工作流体循环压缩率。(3)系统简单、稳定、可靠。塔煤气直接压缩式热泵蒸馏适用于塔顶和塔底温度接近或分离物质接近沸点，不易分离的情况，需要使用大回流比，因此需要消耗大量加热蒸汽(即高负荷重启机)，或在低压运行时冷凝到冷床。要将冷却剂或空气用作冷凝介质，必须在高塔压力下分离某些挥发性物质。塔煤气直接压缩热泵精馏使用此工艺广泛，如丙烯-丙烷的分离，热力学效率从3.6%提高到8.1%，节能和经济效果非常明显。工厂使用热泵精馏的结果见表2，表明选择热泵精馏时能源成本急剧降低。此时冷却水温度不再是决定因素，精馏塔可以在更低的压力下运行，从而简化分离过程，降低设备成本。表2不同蒸馏形式丙烯-丙烷分离的节能和经济效果比较1.1.3分体式热泵拆分热泵精馏的组成和过程如图3所示。图3分段热泵精馏流程图分流热泵精馏过程分为上、下两塔，类似直接热泵精馏，但只有一个供给端口；下部塔的作用与通常蒸馏的馏出物，即来自塔的供应液，进入塔底的蒸汽相同。分体热泵精馏的节能效果明显，投资成本合理，控制简单。拆分热泵精馏的特点是控制拆分点浓度(即下塔供给浓度)，调节上层塔的温差，选择合适的压缩机。在实际设计中，需要优化分割点浓度。拆分式热泵精馏适用于乙醇水溶液、异丙醇水溶液等一定富集区和一定稀释区的大温差蒸馏。表3是在特定工厂使用普通蒸馏、塔直接热泵蒸馏和拆分热泵蒸馏工艺处理异丙醇水溶液的结果。表3不同蒸馏形式异丙醇溶液分离的节能经济效果比较如表3所示，分体式单层压缩机功耗大大降低。塔顶应选择昂贵的多级压缩机。其功率几乎是分割的两倍。1.1.4快闪记忆体闪光再沸器是使用水壶作为工作流体的热泵的变形，如图4所示。与塔机的直接压缩式一样，比间接型少一个换热器，适用的情况也几乎相同。但是闪光再沸腾在塔压力高的时候是有利的，但塔顶气体的直接压缩式在塔压下更有利。图4闪存再沸器热泵精馏流程图1.2蒸汽喷射图5是采用蒸汽喷射泵方法的蒸汽脱模减压蒸馏过程。在这个过程中，塔顶蒸汽是含有轻微低沸点的水蒸气，部分通过蒸汽喷射泵加压加热，和驱动蒸汽一起进入塔底加热蒸汽。图5蒸汽喷射式热泵精馏流程图传统上，进料预热需要10的蒸汽量，再沸器需要30的蒸汽量，总需要40的蒸汽量。在使用蒸汽喷射式热泵的蒸馏中，用于供给预热的蒸汽量保持不变，但向蒸汽喷射泵供给驱动蒸汽，可以获得用于再锅炉加热的蒸汽30，因此蒸汽消耗量为25，节省了37.5%的蒸汽量，节能效果非常显着。采用蒸汽喷射泵进行热泵精馏具有以下优点：(1)新设备只有蒸汽喷射泵，设备成本低。(2)蒸汽喷射泵不转动部件，维修容易，维修费少。蒸汽喷射泵蒸馏大压缩比或高真空度条件下工作时，蒸汽喷射泵的驱动汽量增加，再循环效果显着降低。因此，这种热泵蒸馏适用于：(1)精馏塔底部和塔顶的压差不大。(2)真空蒸馏真空度低的情况。2吸收式吸收式热泵由吸收器、蓄热器、冷却器和再沸器等设备组成，通常使用溴化锂水溶液或氯化钙水溶液作为工作流体。再生器产生的浓缩溴化锂溶液在吸收器中遇到再锅炉产生的蒸汽，产生强吸收作用，加热和释放热量，这种热可用于精馏塔蒸发器，实际上热泵吸收器是精馏塔的蒸发器。浓缩溴化锂溶液吸收蒸汽后，浓度变稀了。也就是说再生器蒸发变浓了。再生器消耗的热量是热泵的原动力。再生器蒸发的水蒸气在冷却器中冷却凝结，然后塔顶馏分凝结，水再蒸发，供应进入吸收器的精馏塔冷凝器。因此，精馏塔的冷凝器热泵的再沸器的出现如图6所示。图6吸收式热泵精馏流程图吸收式热泵可根据机器的循环方向分为：第一类吸收式热泵(类型I)，其中冷凝器压力大于蒸发器压力；第二类吸收式热泵(类型ii)，其中蒸发器压力高于冷凝器压力。第一类吸收式热泵需要高温热源驱动，但不需要外部冷却剂，热量充分利用，主要用于热水生成。第二类吸收式热泵可以利用低品位热直接驱动，可以利用低温热源和冷却水之间的温差作为驱动力，产生低压蒸汽。表4吸收式热泵特性如表4所示，I型吸收式热泵和型吸收式热泵是吸收式热泵的两大分支，但原理相似，但由于驱动能量和供给热温度的差异，两个应用条件不同。一般而言，I型热泵可以在残余热源温度较低(30 60c)、热温度较低时使用，COP值约为1.7。也就是说，消耗1千瓦驱动的能量，就能得到1.7千瓦的可用热量。如果剩馀热源的温度高(60 100)，并且所需的加热温度也高，则可以使用型热泵，COP值约为0.5。也就是说，使用每供给1kW的热泵低温余热，可以获得1.5kW温度高的可用热量，相当于可以回收低温余热的一半左右，无需其他费用。吸收式热泵与压缩式热泵相比，加热系数COP小，但不使用动力，动力快的情况下，压缩式热泵具有无法替代的优点。吸收式热泵的优点是可以利用工厂废蒸汽、废热等温度不高的热源作为动力。除了功率不大的溶液泵，零件不转动，设备维修容易，功耗小，没有噪音。缺点是热效率低，需要高投资，寿命不长。因此，吸收式热泵的工业应用只有在热量大、温升要求不高、直接由余热驱动的情况下才有吸引力。以下是吸收式热泵的应用示例。日本一家化工厂用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生成器和蒸发器，将100 的热水加热到125 ，闪蒸后得到1kg/cm2(表压力)120 的蒸汽4.25t/h，如果热泵一年工作8000h，则可以节省蒸汽34000t。上海通用机械研究所为上海酒精厂开发了型热泵回收精馏塔76酒精蒸汽23222kW功能量，生产0.5kg/cm2(表压力)的蒸汽1.8t/h。据估计，热泵每年收取15万元，设备费用的回收期限约为1.5年。上海交通大学为上海溶剂厂开发了LiBr/H2O高温吸收式热泵，回收了溶剂生产过程的7547kW103余热，产生了1kg/cm2(表压力)