热泵蒸馏的节能技术与应用

史文树;尤文;于明

【摘 要】对于热泵蒸馏系统,首先确定了循环工质流量、压缩机出口压力、高压工质节流后压力3个关键工艺参数.将热泵用于丙烯蒸馏塔中,利用Aspen Plus流程模拟软件模拟计算,节能达到67.3%.

【期刊名称】《长春工业大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2010(031)005 【总页数】5页(P523-527)

【关键词】热泵;蒸馏;性能系数;工艺参数 【作 者】史文树;尤文;于明

【作者单位】长春工业大学,电气与电子工程学院,吉林,长春,130012;长春工业大学,电气与电子工程学院,吉林,长春,130012;长春工业大学,电气与电子工程学院,吉林,长春,130012 【正文语种】中 文 【中图分类】TP205 0 引 言

在石油、化工、医药、食品、海水淡化等诸多领域,蒸馏是一个主要的耗能领域,其消耗的能量约占全部能耗的60%,因此,研究蒸馏过程中的节能方法具有十分重要的意义。在常规的蒸馏装置中,常采用以产品物流预热原料、增加塔板数、降低回流

量、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进行节能,但是加热塔底蒸发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,因此,要降低能耗,只有通过回收塔顶的热量来实现。对此人们通过大量的理论分析、实验研究以及工业应用表明,热泵蒸馏技术是目前最为突出的、行之有效的节能方法。 1 热泵节能原理

热泵是采用逆卡诺循环原理,利用少量高品位能量(电能、机械能),将低温位热能的温度提高到更为有用的水平的装置,以此来获取较多低品位的能量,通过外部输入功,热泵把低温位的热量转移到高温位。对于蒸馏塔,如果能将塔顶气相的热量用于加热塔底物料,就能够节省外部供冷与供热。将制冷循环与蒸馏塔的塔顶冷凝器和塔底再沸器结合起来,使制冷工质汽化向塔顶供冷,同时,工质通过冷凝向塔底供热,就能使能量从低温处流向高温处,从而获得节能效果。热泵蒸馏即是依据热力学第二定律给系统加入一定的机械功,将温度较低的塔顶蒸汽加压升温,作为高温塔釜的热源。因为回收的潜热用于过程本身,又省去了塔顶冷凝器冷却水和塔釜加热蒸汽,可使蒸馏的能耗明显降低。

热泵主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器4大部件构成。闭式热泵的结构如图1所示。

图1 闭式热泵结构图

在该结构中,热量的传递是采用工质完成的,工质在蒸发器 Tz的温度下蒸发,由液态变成气态,吸收热量Qz,然后气相工质经过压缩机压缩,工质温度上升到 Tl,压力由P1上升到P2,遂进入到冷凝器,工质在冷凝器中放出热量Ql,由气态变成液态,液态工质经过节流阀温度降低到Tz,再次进入到蒸发器,开始新的热力循环。 2 热泵蒸馏系统的性能系数

热泵的性能系数可用消耗单位功所得到的供热量来衡量,即在热泵蒸馏系统中,热泵

的实际性能系数为经压缩机压缩后供给塔底再沸器的热量Ql与输入机械功W之比,称为热泵的供热系数COP,其定义如下:

若压缩蒸汽为湿蒸汽,且为理想的可逆压缩过程,即热泵循环为逆卡诺循环,则该热泵性能系数为理论上的最大值,逆卡诺循环的温熵图如图2所示。 图2 逆卡诺循环的温熵图 则可得理想的热泵性能系数为:

式中泵输出热量; 缩机输入功率; 胀机输出功率; 质冷凝温度; 质蒸发温度。

热泵系统的性能主要体现在COP指标上。COP指标越高,则消耗相同压缩功可获得的热量越多。从式(2)可以看出,热源和热阱之间的温差ΔT越小,Tl越高,则COP指标越大,即热泵系统工作性能越好。因此,要使热泵蒸馏具有良好的效果,应考虑以下2个因素:

1)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。 2)使用符合蒸发温度与冷凝温度的适当工质,这样才能使得在传递过程中热量损失减小。

如果仅考虑热泵性能系数有多高而不考虑工质工作工况是没有任何意义的,因此,热泵的性能系数是跟工质工作工况密切相关的。如果将实际热泵性能系数与相同条件下理想热泵性能系数(逆卡诺循环并且没有任何能量传递损耗)之比称为热泵的效率

系数,则可定义为:

热泵的效率系数ζ主要取决于两个因素:1)热泵循环内部损失的大小,即压缩机机械损失、工质流动损失和散热损失等;2)在高温端和低温端换热器(蒸发器和冷凝器)中的不可逆传热损失。传热损失不仅跟蒸发器和冷凝器的选材、设计、型式有关,还主要跟载热介质有关,如以水为载热介质的冷凝器和蒸发器的出口传热温差一般仅为5℃,而以空气为载热介质的冷凝器和蒸发器的出口传热温差要高达10～15℃。因此,在相同温度范围条件下,以水为载热介质的热泵效率系数一般要大于以空气为载热介质的热泵效率系数,则对于大型热泵系统,由于压缩机效率较高和流程损失相对较少,其热泵效率系数一般可达到50%～70%,而小型热泵一般在30%～50%之间。在蒸发温度为0℃的条件下,分别作出理想热泵效率系数为100%及热泵效率系数为30%,40%,50%,60%和70%时热泵性能系数与高低位热源温度差的关系,如图3所示。

图3 热泵性能系数与高低位热源温度差的关系

从图中可见,随着高低位热源的温度差加大,热泵性能系数COP值随之降低。因此,在对比不同热泵机组的性能系数时,应考虑热泵高低位热源温差的大小,同时,在高低位热源的温差一定时,提高热泵的效率系数,热泵的性能系数将随之提高。 3 热泵蒸馏系统关键工艺参数的确定

工业上常用的热泵类型主要有闭式热泵、塔顶气相压缩式热泵、釜液节流式热泵和塔釜液体闪蒸再沸式热泵。各种类型热泵的使用都应考虑其关键的工艺参数,以此获得更好的节能效果。对于闭式热泵蒸馏系统,关键工艺参数主要有下述3个,这也是设计者必须确定并需经多次调整后才能最终确定的参数:循环工质流量、压缩机出口压力、高压工质节流后压力。 3.1 循环工质流量的确定

循环工质流量的确定原则主要是必须满足塔顶冷凝器和塔底蒸发器的热负荷要求,从而使在高温端和低温端换热器中的不可逆传热损失达到最小。当然工质所能提供的热负荷与压缩后压力以及节流后压力均有关系,但其流量大小是最重要的因素。同一个工质流量需要同时满足塔的冷凝器和蒸发器2个热负荷要求,而这2个热负荷又必然是大小不同的。故而必须在工质流量、压缩后压力及工质节流后压力等多个因素之间进行平衡,务必使之达到最适宜的工艺参数匹配。 3.2 压缩机出口压力的确定

采用热泵蒸馏的基本原理是利用塔顶蒸汽的潜热,即将塔顶蒸汽经过绝热压缩提高其温位,再作为塔釜再沸器的热源。为此,要求蒸汽经压缩机后的压力P2应满足在该压力下,具有与塔顶蒸汽组成相同的液体泡点温度 TB2,须满足下式约束: 式中:温;

Δ许最小传热温差。

不能过高,过高则 P2就过高,从而使热泵的机械功耗即有效能消耗增加。此外,还要考虑热泵提供的机械能否完全转换为有效能,因此,热泵的功率越大,系统的有效能损失也就愈大。为了满足上述两方面的要求,取

作为具有与塔顶蒸汽组成相同的液体泡点温度TB2,由TB2与塔顶蒸汽组成可求出泡点压力P2。此值为压缩机出口的最低压力,并作为固定最优设计变量,则热泵的压缩比(P2/P1)即可确定。 3.3 工质经节流阀后压力的确定

工质在塔顶冷凝器中蒸发,其蒸发温度应满足:

式中顶蒸汽的泡点温度;

小允许传热温差; 质的蒸发温度。 为简化起见,取

由TD2和工质的组成可以求出工质的蒸发压力P2,则P2也就是工质经节流阀后的出口压力。因节流过程可视为等焓闪蒸过程,可根据等焓闪蒸求出节流后的汽化率。 4 热泵蒸馏流程的模拟计算

在气体分馏装置的丙烯蒸馏塔中,由于丙烯和丙烷的沸点非常接近,当采用常规的蒸馏塔进行分离时,通常要求蒸馏塔控制较大的回流量,以保证产品的纯度,这却使得丙烯蒸馏单元在整个气体分离装置中的能耗比例偏高,因此,如何降低丙烯蒸馏塔中的能耗就成为气体分离装置中的关键。通过大量的理论分析、实验研究以及工业应用表明,热泵蒸馏技术节能效果十分显著。

根据热泵所消耗的外界能量不同,热泵蒸馏可分为蒸汽压缩式和吸收式2种类型。其中蒸汽压缩式应用较多,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和蒸汽喷射式流程。塔顶气体直接压缩式热泵的应用较广泛,它是以塔顶气体作为工质,将塔顶蒸汽的热量用于加热塔底的物料,但这种形式的热泵由于压缩机操作范围较窄,控制性能不佳,容易引起塔的操作不稳定,也不适合用于蒸馏塔压力高的场合。塔釜液体闪蒸再沸式与塔顶气体直接压缩式相似,它以塔底釜液为工质,但塔釜液体闪蒸再沸式有利于塔压高的操作,并且塔底产品丙烷可以作为良好的冷却剂,所以,选用再沸器液体闪蒸式热泵节能效果更好。丙烯塔的闪蒸再沸式热泵流程如图4所示。 图4 丙烯塔的热泵流程示意图

塔釜液丙烷一部分作为产品取出,剩余部分经节流阀、闪蒸器进入到冷凝器,在冷凝器中吸收塔顶气相丙烯冷凝潜热,液相丙烷转化为气相,气相丙烷经压缩机压缩后用

作塔釜的热源。为达到能量平衡,其中部分丙烷气体经丙烷辅助冷却器,用于取走塔顶冷凝器的负荷与塔底重沸器负荷的能量差及压缩机产生多余的功。

根据热泵蒸馏系统关键工艺参数、分离指标及产品质量的要求,利用Aspen Plus流程模拟软件对丙烯塔热泵流程建立模拟流程,并进行模拟调试与灵敏度分析,确定了主要操作参数:热泵的性能系数COP为4.8,效率系数ζ为45%,循环工质的流量为1698 kmol/h,闪蒸罐压力为0.86 MPa,节流阀出口压力为0.86 MPa,压缩机等熵压缩,出口压力为1.51 MPa,辅助冷却器出口温度为30℃。热泵蒸馏所消耗的能源主要为电,而常规蒸馏所需主要能源为塔顶冷却水和塔釜加热蒸汽。按工业能源价格进行估算,其中水为0.5元/t,1 MPa蒸汽为 240元/t,电为0.6元/(kW·h)。在以上条件下计算得到丙烯塔的热泵蒸馏与常规蒸馏模拟结果并进行比较,结果见表1。 表1 丙烯塔采用热泵蒸馏与常规蒸馏模拟结果的比较项目 常规蒸馏 热泵蒸馏塔顶/塔底温度/℃ 31.9/40.731.9/38.9塔顶/塔底压力/MPa 1.36/1.471.36/1.47塔顶丙烯物质的量分数/% 99.9199.79塔底丙烷物质的量分数/% 99.8399.51塔顶丙烯体积分数/% 99.899.8塔顶冷凝器热负荷/kW 10470.9 -塔底再沸器热负荷/kW 10428.5 -辅助冷却器负荷/kW - 1771.9压缩机功耗/kW - 1778.5丙烯塔进料/(t·h-1) 8.68.6冷却水/(t·h-1) 1379.8158.9蒸汽/(t·h-1) 16.7 -电/kW - 1336.8冷却水/(元·h-1) 689.979.5蒸汽/(元·h-1) 2004 -电/(元·h-1) - 802.1总费用/(元·h-1) 2693.9881.6节能效益/(元·h-1) - 1812.3

通过以上模拟计算比较结果可知,在满足热泵系统主要操作参数的前提下,热泵蒸馏与常规蒸馏相比,冷凝器节能效率为83.12%,再沸器节能效率为82.89%。丙烯塔进料8.6 t/h,采用热泵蒸馏比常规蒸馏节省能耗费用约1812.3元,即能耗下降约67.3%。通过模拟计算表明,采用热泵蒸馏节能效果显著。

通过模拟计算得到了热泵系统丙烯蒸馏塔的温度分布及汽液相流量分布,并与常规蒸馏进行了比对,模拟结果比较接近,由此可知热泵系统能很好地应用于单塔常规分

离。塔的温度分布如图5所示。 图5 丙烯蒸馏塔的温度分布 5 结 语

热泵蒸馏利用工质吸收蒸馏塔顶蒸汽的相变热,通过压缩机对工质进行压缩,升压、升温,使其能质得到提高,然后作为再沸器的加热热源,从而既节省了蒸馏塔再沸器的加热热源,又降低了蒸馏塔塔顶冷凝器的冷凝换热负荷,达到节能的目的。若使热泵蒸馏节能效果显著,应充分考虑热泵性能系数COP与效率系数ζ,并应当确定循环工质流量、压缩机出口压力、高压工质节流后压力3个关键工艺参数。将热泵应用于丙烯蒸馏塔中,利用Aspen Plus流程模拟软件,将再沸器液体闪蒸式热泵系统与常规蒸馏的模拟结果相比,冷凝器节能效率为83.12%,再沸器节能效率为82.89%,能耗下降约67.3%。 参考文献:

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