吸收式熱泵精餾過程的機(jī)理模型和編程設(shè)計(jì)

王 宏，蔣綠林，黃曉蕾，姜 黎

（江蘇工業(yè)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，常州 213016）

0 引言

精餾塔是現(xiàn)代煉油、化工等工業(yè)過程中使用最為廣泛的分離設(shè)備，同時(shí)也是化工工程中最主要的耗能單元之一。降低精餾塔能耗的措施大體可以分為兩類：第一類是對(duì)精餾塔本身進(jìn)行改造，這里典型的有T.Takamatsu，M.Nakaiwa等的iHIDC[1]，這種方案由于涉及到對(duì)塔的結(jié)構(gòu)的較大改造，實(shí)施難度較大；另一類是在傳統(tǒng)精餾塔的基礎(chǔ)上，通過改造塔的外圍設(shè)備或者外圍結(jié)構(gòu)來達(dá)到提高能源利用效率的目的，這包括熱集成，熱泵等。熱集成的使用會(huì)受到一些技術(shù)上面的限制[2]；而熱泵系統(tǒng)易于實(shí)施，可控性優(yōu)于熱集成系統(tǒng)[3]，因而是較為理性的節(jié)能方案。

1 吸收式熱泵精餾

吸收式熱泵精餾常用溴化鋰水溶液或氯化鈣水溶液為工質(zhì)。由再生器送來的濃溴化鋰溶液在吸收器中遇到從再沸器送來的蒸汽，發(fā)生了強(qiáng)烈的吸收作用，不但升溫而且放出熱量，該熱量即可用于精餾塔蒸發(fā)器，實(shí)際上熱泵的吸收器即為精餾塔的蒸發(fā)器。濃溴化鋰溶液吸收了蒸汽之后，濃度變稀，即送再生器蒸濃。再生器所耗用的熱能是熱泵的原動(dòng)力。從再生器中蒸發(fā)出來的水蒸汽在冷卻器中冷卻、冷凝，而后送入精餾塔冷凝器，在此冷凝器中，塔頂餾出物被冷凝，而水又重新蒸發(fā)進(jìn)入吸收器。由此可見，精餾塔的冷凝器也是熱泵的再沸器。

吸收式熱泵按照機(jī)內(nèi)循環(huán)方向的不同可分為：冷凝器壓力大于蒸發(fā)器壓力的第一類吸收熱泵（AHP）和蒸發(fā)器壓力高于冷凝器壓力的第二類吸收式熱泵（AHP）。AHP需要高溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)，但不需要外界冷卻水，能量得到充分利用，主要應(yīng)用于生產(chǎn)熱水；AHT可利用低品味熱能直接驅(qū)動(dòng)，以低溫?zé)嵩磁c冷卻水之間的溫差為推動(dòng)力，可產(chǎn)生低壓蒸汽。

圖1 吸收式熱泵結(jié)構(gòu)

AHT的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中E為蒸發(fā)器，G為再生器、A為吸收器、C為冷凝器，H為熱交換器。工質(zhì)熱力循環(huán)過程的說明如圖2所示。圖中TEV：蒸發(fā)溫度（℃），TC：冷凝器溫度（℃），TA：吸收器內(nèi)最高溫度（℃），PH：蒸發(fā)器和吸收器內(nèi)水蒸氣壓力（高壓），PL：再生器和冷凝器內(nèi)水蒸氣壓力（低壓），XH：工質(zhì)在循環(huán)操作過程中高濃值（質(zhì)量%），XL：工質(zhì)在循環(huán)操作過程中低濃值（質(zhì)量%）。

圖2 熱力循環(huán)操作狀態(tài)圖

在傳統(tǒng)的精餾塔中，塔頂蒸汽多余的熱量需要冷凝水進(jìn)行冷凝，然后才能回流或者出料。而熱泵精餾塔系統(tǒng)可以提高蒸汽的溫度和壓力，用于加熱塔釜物料，產(chǎn)生蒸汽并推動(dòng)整個(gè)精餾塔的正常運(yùn)行。

2 熱泵精餾塔的數(shù)學(xué)模型

熱泵塔的建模按照子系統(tǒng)劃分的方法可以自然的分為兩個(gè)部分，其一是精餾塔端的建模，其二是熱泵端的建模。

2.1 精餾塔模型

Skogestad.S[4]對(duì)典型的精餾塔的模型進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，建立了精餾塔的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)模型。本文所考慮的苯、甲苯二元分離熱泵精餾塔系統(tǒng)的精餾塔部分即是以Skogestad的“塔A”[4]模型為基礎(chǔ)建立的，該模型考慮了流體水力學(xué)的性質(zhì)，使得仿真結(jié)果更接近實(shí)際的情況。

2.2 熱泵端模型

1）流體沿管壁降膜流動(dòng)傳熱。在蒸發(fā)器內(nèi)，液體水沿傳熱管外壁降膜流下，吸收廢熱蒸出水蒸氣。在吸收器內(nèi)，LiBr溶液沿傳熱管外壁降膜流下，吸收來自蒸發(fā)器的水蒸氣并釋放吸收熱被流經(jīng)管外的載熱體帶走。在再生器內(nèi)，LiBr溶液同樣沿管外壁降膜流下，吸收來自管內(nèi)的廢熱并析出水蒸氣而提濃。這三種情況下，水的降膜蒸發(fā)屬于流體降膜流動(dòng)傳熱問題。后兩種情況，在忽略傳質(zhì)阻力，按傳熱問題考慮的情況下，也屬于流體降膜傳熱問題。

2）水蒸氣沿管壁的膜狀冷凝傳熱。冷凝器內(nèi)水蒸氣的冷凝屬于這類傳熱過程。冷凝傳熱有兩種形式：膜狀冷凝和滴狀冷凝，而滴狀冷凝的傳熱效果好于膜狀冷凝，但滴狀冷凝不易實(shí)現(xiàn)，本文將冷凝器內(nèi)的水蒸氣冷凝按膜狀冷凝處理。

在吸收器、冷凝器和熱交換器的管內(nèi)，流體進(jìn)行的傳熱過程屬于管內(nèi)無相變強(qiáng)制對(duì)流傳熱。為提高傳熱效果，流體應(yīng)處于湍流狀態(tài)。

上述各種傳熱過程的分析計(jì)算可參考文獻(xiàn)[5～8]。

換熱單元的設(shè)計(jì)：

針對(duì)各換熱單元傳熱面積的具體設(shè)計(jì)計(jì)算，需采用數(shù)值積分的算法一般步驟為[5,6]

1）初步選定設(shè)備尺寸和傳熱面積Fo。

2）在入口與出口之間分若干段。

3）查取各段的節(jié)點(diǎn)管內(nèi)流體和管外流體的物性數(shù)據(jù)，求算其流動(dòng)參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算管外流體和管內(nèi)流體的傳熱系數(shù)a0、ag以及傳質(zhì)系數(shù)KG。

4）計(jì)算各節(jié)點(diǎn)處的熱流密度q。

5）根據(jù)熱量衡算關(guān)系，計(jì)算換熱區(qū)各段的換熱量ΔQi。

6）采用數(shù)值積分法，計(jì)算總傳熱面積F

式中，qmi為各段上下節(jié)點(diǎn)處熱流密度的平均值。

7）比較F與F0，若相差較大，則重新估計(jì)傳熱面積F0，重復(fù)步驟1）到步驟6），直到F與F0之差的絕對(duì)值在允許的誤差范圍內(nèi)。

3 吸收熱泵的編程設(shè)計(jì)及優(yōu)化

生產(chǎn)條件及工藝要求：

本文研究的熱泵精餾塔屬于塔頂吸收式熱泵精餾塔，用于分離苯/甲苯的二元混合物。該精餾過程是由一個(gè)精餾塔和一個(gè)熱泵系統(tǒng)構(gòu)成。熱泵系統(tǒng)吸收塔頂多余的熱焓，升溫后用于加熱塔底的物料。

精餾塔共有30塊塔板，在15塊上進(jìn)料（從塔釜開始向上數(shù)，塔釜作為第一塊塔板），進(jìn)料溫度為93℃，熱狀況系數(shù)為1.考慮實(shí)際的需要，塔底產(chǎn)品組分有如下硬性約束：

塔頂產(chǎn)品組分有如下的軟約束：

廢熱源為由凝聚釜頂流出的水蒸氣和苯氣體的混合氣體。混合氣體壓力為1.3kPa，溫度為98.9℃，被空冷器冷卻后降為73℃（共沸點(diǎn)），總流量為512kmol/h。因此，廢熱量為2.2×105kJ/h左右（約5800kW）。

冷卻水溫度為27℃（進(jìn)口）～ 31℃（出口）。流進(jìn)吸收器的循環(huán)熱水溫度96℃。流量150t/h。循環(huán)熱水為需要吸收廢熱從而成為有用能量的載熱體，工藝要求流出吸收器的循環(huán)熱水溫度達(dá)到112℃。

對(duì)吸收熱泵系統(tǒng)，在總廢熱量給定的前提下，當(dāng)TC（冷凝溫度）、TEV（蒸發(fā)溫度）、XH（溶液的最高濃度）、XL（溶液的最低濃度）及φ（換熱器的換熱效率）確定后，系統(tǒng)的狀態(tài)將被確定。在滿足生產(chǎn)工藝要求前提下，如何確定這些參數(shù)是一個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化問題。在吸收熱泵的設(shè)計(jì)中，一般追求設(shè)備投資的回收期最短，所以在系統(tǒng)優(yōu)化的計(jì)算中亦以此作為目標(biāo)函數(shù)。

根據(jù)上述要求，確定下列參數(shù)優(yōu)化的范圍：TEV為75～80℃，TC為33～38℃，XH為54%～58%（質(zhì)量），XL為48%～52%。

目標(biāo)函數(shù)：

本著投資回收期最短的目的，目標(biāo)函數(shù)TI應(yīng)為：

式中：PR(FS)為設(shè)備投資，與總傳熱面積FS有關(guān)；S為年運(yùn)行效率。輸入的總廢熱量一定，則回收所得得有用能量與COP（能量利用率，即輸出有用能量/廢熱能量）成正比，因此年運(yùn)行效率就與COP成正比。

本文所制作的吸收器熱泵裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算及優(yōu)化的程序軟件的目的，是在TEV、TC、XH和XL的優(yōu)化范圍內(nèi)找出一組最佳數(shù)值使目標(biāo)函數(shù)TI達(dá)到最小，這一組操作參數(shù)值便是所設(shè)計(jì)的吸收熱泵使用的操作參數(shù)值。另外，程序還要計(jì)算出該組最佳操作參數(shù)下熱泵各操作單元的換熱面積，熱泵的總COP、溫度提升幅度及各操縱狀態(tài)點(diǎn)的數(shù)據(jù)等，這樣就確定了整個(gè)吸收熱泵的設(shè)計(jì)及操作方面的主要數(shù)據(jù)。

該軟件的主程序負(fù)責(zé)整體熱力循環(huán)計(jì)算及系統(tǒng)優(yōu)化工作，單元子程序負(fù)責(zé)各操作單元內(nèi)部的計(jì)算，核心工作是求算傳熱面積。本為對(duì)所需使用的各工作流體的物性（粘度、焓值、導(dǎo)熱系數(shù)等）隨影響因素（如溫度、濃度等）的變化進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合，求得了函數(shù)關(guān)系，以此作為數(shù)據(jù)庫子程序供主程序和單元子程序調(diào)用。

在輸入初始數(shù)據(jù)（操作參數(shù)、工廠工藝條件及若干選定的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等）后，主程序按熱力循環(huán)計(jì)算部分的計(jì)算過程求得各操作狀態(tài)的數(shù)據(jù)后，代入各單元子程序，各單元子程序?qū)Ω鞑僮鲉卧M(jìn)行計(jì)算，將有用值（主要是傳熱面積）返回主程序，從而完成一組設(shè)計(jì)計(jì)算。當(dāng)優(yōu)化范圍內(nèi)的各組操作參數(shù)分別輸入程序計(jì)算完畢后（有用的值要存入數(shù)組），主程序?qū)⒏鹘M操作參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行比較，找出最優(yōu)的一組操作參數(shù)。

主程序最后要輸出最佳的一組TEV、TC、XH、XL的數(shù)值和該組參數(shù)下的各操作單元的換熱面積、各狀態(tài)點(diǎn)數(shù)據(jù)及吸收熱泵的COP等性能參數(shù)。

程序優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果：

最佳操作參數(shù)為：蒸發(fā)溫度77℃，冷凝溫度34℃，工質(zhì)高濃值55%，工質(zhì)低濃值50%。

所求吸收熱泵性能指標(biāo)：再生器頂端溶液溫度：81.1℃，再生器底部溶液溫度：68.04℃，吸收器頂部溶液溫度：113.4℃，吸收器底部溶液溫度：107.3℃，進(jìn)入吸收器之前的溶液溫度：75.5℃，進(jìn)入再生器之前的溶液溫度：83.4℃，流出蒸發(fā)器的廢熱溫度：79.8℃，流出再生器的廢熱溫度：72℃（被利用之后的廢熱溫度），循環(huán)水被提溫之后的溫度：110.9℃（有用能量）。能量利用率47%。按優(yōu)化的操作參數(shù)所得的各狀態(tài)點(diǎn)的數(shù)據(jù)如表1所示。

設(shè)備總換熱面積：1975.81m2。

投資回收期：三年

經(jīng)濟(jì)評(píng)估：

在優(yōu)化的基礎(chǔ)上COP按0.47計(jì)算，每年節(jié)省的蒸汽Ga：

表1 各操作狀態(tài)點(diǎn)數(shù)值

式中，Q為吸收熱泵的總放熱量kJ/h，Nh為每年的小時(shí)數(shù)，YW為水的蒸發(fā)熱kJ/kg。

每t蒸汽按70元計(jì)，則每年能節(jié)省費(fèi)用245.6萬元。若污水處理費(fèi)為1.65元/t，則每年可節(jié)省的污水處理費(fèi)為5.75萬元。

4 結(jié)論

本文根據(jù)精餾塔的工藝條件和技術(shù)要求設(shè)計(jì)了一套吸收式熱泵，按資金回收期最短的目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，求得最佳操作參數(shù)為：蒸發(fā)溫度77℃，冷凝溫度34℃，工質(zhì)高濃值55%，工質(zhì)低濃值50%。通過計(jì)算，該吸收熱泵裝置的能量利用率達(dá)47%，可以回收較高比例的廢熱。該熱泵的提升溫度的幅度近30℃，具有使用價(jià)值。通過理論計(jì)算，該熱泵可使返回凝釜的循環(huán)水的溫度提升到111℃左右。

吸收熱泵技術(shù)在國外應(yīng)用技術(shù)上是完全成熟的，在國內(nèi)的應(yīng)用才剛剛開始，但是國內(nèi)的吸收制冷技術(shù)已有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)。AHT裝置使用的材料，各組成部分的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、技術(shù)措施以及運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)等與吸收制冷十分相似，因此在開發(fā)國內(nèi)的AHT裝置，無論在技術(shù)上還是在經(jīng)濟(jì)上都是完全可行的。

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