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。
2 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 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。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。
4 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。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 %
