熱泵蒸餾的節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用

史文樹, 尤 文, 于 明

(長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,吉林長春 130012)

0 引 言

在石油、化工、醫(yī)藥、食品、海水淡化等諸多領(lǐng)域,蒸餾是一個(gè)主要的耗能領(lǐng)域,其消耗的能量約占全部能耗的60%,因此,研究蒸餾過程中的節(jié)能方法具有十分重要的意義。在常規(guī)的蒸餾裝置中,常采用以產(chǎn)品物流預(yù)熱原料、增加塔板數(shù)、降低回流量、增設(shè)中間再沸器和中間冷凝器、適宜的保溫材料和高效填料等方式進(jìn)行節(jié)能,但是加熱塔底蒸發(fā)器所輸入的能量大約有95%在塔頂被冷卻空氣或冷卻水帶走,一般情況下,這部分能量不能得到進(jìn)一步的回收利用,因此,要降低能耗,只有通過回收塔頂?shù)臒崃縼韺?shí)現(xiàn)。對此人們通過大量的理論分析、實(shí)驗(yàn)研究以及工業(yè)應(yīng)用表明,熱泵蒸餾技術(shù)是目前最為突出的、行之有效的節(jié)能方法。

1 熱泵節(jié)能原理

熱泵是采用逆卡諾循環(huán)原理,利用少量高品位能量(電能、機(jī)械能),將低溫位熱能的溫度提高到更為有用的水平的裝置,以此來獲取較多低品位的能量,通過外部輸入功,熱泵把低溫位的熱量轉(zhuǎn)移到高溫位。對于蒸餾塔,如果能將塔頂氣相的熱量用于加熱塔底物料,就能夠節(jié)省外部供冷與供熱。將制冷循環(huán)與蒸餾塔的塔頂冷凝器和塔底再沸器結(jié)合起來,使制冷工質(zhì)汽化向塔頂供冷,同時(shí),工質(zhì)通過冷凝向塔底供熱,就能使能量從低溫處流向高溫處,從而獲得節(jié)能效果。熱泵蒸餾即是依據(jù)熱力學(xué)第二定律給系統(tǒng)加入一定的機(jī)械功,將溫度較低的塔頂蒸汽加壓升溫,作為高溫塔釜的熱源。因?yàn)榛厥盏臐摕嵊糜谶^程本身,又省去了塔頂冷凝器冷卻水和塔釜加熱蒸汽,可使蒸餾的能耗明顯降低。

熱泵主要由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器4大部件構(gòu)成。閉式熱泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閉式熱泵結(jié)構(gòu)圖

在該結(jié)構(gòu)中,熱量的傳遞是采用工質(zhì)完成的,工質(zhì)在蒸發(fā)器 Tz的溫度下蒸發(fā),由液態(tài)變成氣態(tài),吸收熱量Qz,然后氣相工質(zhì)經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮,工質(zhì)溫度上升到 Tl,壓力由P1上升到P2,遂進(jìn)入到冷凝器,工質(zhì)在冷凝器中放出熱量Ql,由氣態(tài)變成液態(tài),液態(tài)工質(zhì)經(jīng)過節(jié)流閥溫度降低到Tz,再次進(jìn)入到蒸發(fā)器,開始新的熱力循環(huán)。

2 熱泵蒸餾系統(tǒng)的性能系數(shù)

熱泵的性能系數(shù)可用消耗單位功所得到的供熱量來衡量,即在熱泵蒸餾系統(tǒng)中,熱泵的實(shí)際性能系數(shù)為經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后供給塔底再沸器的熱量Ql與輸入機(jī)械功W之比,稱為熱泵的供熱系數(shù)COP,其定義如下:

若壓縮蒸汽為濕蒸汽,且為理想的可逆壓縮過程,即熱泵循環(huán)為逆卡諾循環(huán),則該熱泵性能系數(shù)為理論上的最大值,逆卡諾循環(huán)的溫熵圖如圖2所示。

圖2 逆卡諾循環(huán)的溫熵圖

則可得理想的熱泵性能系數(shù)為:

熱泵系統(tǒng)的性能主要體現(xiàn)在COP指標(biāo)上。COP指標(biāo)越高,則消耗相同壓縮功可獲得的熱量越多。從式(2)可以看出,熱源和熱阱之間的溫差ΔT越小,Tl越高,則COP指標(biāo)越大,即熱泵系統(tǒng)工作性能越好。因此,要使熱泵蒸餾具有良好的效果,應(yīng)考慮以下2個(gè)因素:

1)塔頂和塔底溫差較小,因?yàn)閴嚎s機(jī)的功耗主要取決于溫差,溫差越大,壓縮機(jī)的功耗越大。據(jù)國外文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo),只要塔頂和塔底溫差小于36℃,就可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效果。

2)使用符合蒸發(fā)溫度與冷凝溫度的適當(dāng)工質(zhì),這樣才能使得在傳遞過程中熱量損失減小。

如果僅考慮熱泵性能系數(shù)有多高而不考慮工質(zhì)工作工況是沒有任何意義的,因此,熱泵的性能系數(shù)是跟工質(zhì)工作工況密切相關(guān)的。如果將實(shí)際熱泵性能系數(shù)與相同條件下理想熱泵性能系數(shù)(逆卡諾循環(huán)并且沒有任何能量傳遞損耗)之比稱為熱泵的效率系數(shù),則可定義為:

熱泵的效率系數(shù)ζ主要取決于兩個(gè)因素:1)熱泵循環(huán)內(nèi)部損失的大小,即壓縮機(jī)機(jī)械損失、工質(zhì)流動(dòng)損失和散熱損失等;2)在高溫端和低溫端換熱器(蒸發(fā)器和冷凝器)中的不可逆?zhèn)鳠釗p失。傳熱損失不僅跟蒸發(fā)器和冷凝器的選材、設(shè)計(jì)、型式有關(guān),還主要跟載熱介質(zhì)有關(guān),如以水為載熱介質(zhì)的冷凝器和蒸發(fā)器的出口傳熱溫差一般僅為5℃,而以空氣為載熱介質(zhì)的冷凝器和蒸發(fā)器的出口傳熱溫差要高達(dá)10～15℃。因此,在相同溫度范圍條件下,以水為載熱介質(zhì)的熱泵效率系數(shù)一般要大于以空氣為載熱介質(zhì)的熱泵效率系數(shù),則對于大型熱泵系統(tǒng),由于壓縮機(jī)效率較高和流程損失相對較少,其熱泵效率系數(shù)一般可達(dá)到50%～70%,而小型熱泵一般在30%～50%之間。在蒸發(fā)溫度為0℃的條件下,分別作出理想熱泵效率系數(shù)為100%及熱泵效率系數(shù)為30%,40%,50%,60%和70%時(shí)熱泵性能系數(shù)與高低位熱源溫度差的關(guān)系,如圖3所示。

圖3 熱泵性能系數(shù)與高低位熱源溫度差的關(guān)系

從圖中可見,隨著高低位熱源的溫度差加大,熱泵性能系數(shù)COP值隨之降低。因此,在對比不同熱泵機(jī)組的性能系數(shù)時(shí),應(yīng)考慮熱泵高低位熱源溫差的大小,同時(shí),在高低位熱源的溫差一定時(shí),提高熱泵的效率系數(shù),熱泵的性能系數(shù)將隨之提高。

3 熱泵蒸餾系統(tǒng)關(guān)鍵工藝參數(shù)的確定

工業(yè)上常用的熱泵類型主要有閉式熱泵、塔頂氣相壓縮式熱泵、釜液節(jié)流式熱泵和塔釜液體閃蒸再沸式熱泵。各種類型熱泵的使用都應(yīng)考慮其關(guān)鍵的工藝參數(shù),以此獲得更好的節(jié)能效果。對于閉式熱泵蒸餾系統(tǒng),關(guān)鍵工藝參數(shù)主要有下述3個(gè),這也是設(shè)計(jì)者必須確定并需經(jīng)多次調(diào)整后才能最終確定的參數(shù):循環(huán)工質(zhì)流量、壓縮機(jī)出口壓力、高壓工質(zhì)節(jié)流后壓力。

3.1 循環(huán)工質(zhì)流量的確定

循環(huán)工質(zhì)流量的確定原則主要是必須滿足塔頂冷凝器和塔底蒸發(fā)器的熱負(fù)荷要求,從而使在高溫端和低溫端換熱器中的不可逆?zhèn)鳠釗p失達(dá)到最小。當(dāng)然工質(zhì)所能提供的熱負(fù)荷與壓縮后壓力以及節(jié)流后壓力均有關(guān)系,但其流量大小是最重要的因素。同一個(gè)工質(zhì)流量需要同時(shí)滿足塔的冷凝器和蒸發(fā)器2個(gè)熱負(fù)荷要求,而這2個(gè)熱負(fù)荷又必然是大小不同的。故而必須在工質(zhì)流量、壓縮后壓力及工質(zhì)節(jié)流后壓力等多個(gè)因素之間進(jìn)行平衡,務(wù)必使之達(dá)到最適宜的工藝參數(shù)匹配。

3.2 壓縮機(jī)出口壓力的確定

采用熱泵蒸餾的基本原理是利用塔頂蒸汽的潛熱,即將塔頂蒸汽經(jīng)過絕熱壓縮提高其溫位,再作為塔釜再沸器的熱源。為此,要求蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)后的壓力P2應(yīng)滿足在該壓力下,具有與塔頂蒸汽組成相同的液體泡點(diǎn)溫度 TB2,須滿足下式約束:

作為具有與塔頂蒸汽組成相同的液體泡點(diǎn)溫度TB2,由TB2與塔頂蒸汽組成可求出泡點(diǎn)壓力P2。此值為壓縮機(jī)出口的最低壓力,并作為固定最優(yōu)設(shè)計(jì)變量,則熱泵的壓縮比(P2/P1)即可確定。

3.3 工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥后壓力的確定

工質(zhì)在塔頂冷凝器中蒸發(fā),其蒸發(fā)溫度應(yīng)滿足:

為簡化起見,取

由TD2和工質(zhì)的組成可以求出工質(zhì)的蒸發(fā)壓力P2,則P2也就是工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥后的出口壓力。因節(jié)流過程可視為等焓閃蒸過程,可根據(jù)等焓閃蒸求出節(jié)流后的汽化率。

4 熱泵蒸餾流程的模擬計(jì)算

在氣體分餾裝置的丙烯蒸餾塔中,由于丙烯和丙烷的沸點(diǎn)非常接近,當(dāng)采用常規(guī)的蒸餾塔進(jìn)行分離時(shí),通常要求蒸餾塔控制較大的回流量,以保證產(chǎn)品的純度,這卻使得丙烯蒸餾單元在整個(gè)氣體分離裝置中的能耗比例偏高,因此,如何降低丙烯蒸餾塔中的能耗就成為氣體分離裝置中的關(guān)鍵。通過大量的理論分析、實(shí)驗(yàn)研究以及工業(yè)應(yīng)用表明,熱泵蒸餾技術(shù)節(jié)能效果十分顯著。

根據(jù)熱泵所消耗的外界能量不同,熱泵蒸餾可分為蒸汽壓縮式和吸收式2種類型。其中蒸汽壓縮式應(yīng)用較多,蒸汽壓縮機(jī)方式又可分為間接式、塔頂氣體直接壓縮式、分割式和塔釜液體閃蒸再沸式和蒸汽噴射式流程。塔頂氣體直接壓縮式熱泵的應(yīng)用較廣泛,它是以塔頂氣體作為工質(zhì),將塔頂蒸汽的熱量用于加熱塔底的物料,但這種形式的熱泵由于壓縮機(jī)操作范圍較窄,控制性能不佳,容易引起塔的操作不穩(wěn)定,也不適合用于蒸餾塔壓力高的場合。塔釜液體閃蒸再沸式與塔頂氣體直接壓縮式相似,它以塔底釜液為工質(zhì),但塔釜液體閃蒸再沸式有利于塔壓高的操作,并且塔底產(chǎn)品丙烷可以作為良好的冷卻劑,所以,選用再沸器液體閃蒸式熱泵節(jié)能效果更好。丙烯塔的閃蒸再沸式熱泵流程如圖4所示。

圖4 丙烯塔的熱泵流程示意圖

塔釜液丙烷一部分作為產(chǎn)品取出,剩余部分經(jīng)節(jié)流閥、閃蒸器進(jìn)入到冷凝器,在冷凝器中吸收塔頂氣相丙烯冷凝潛熱,液相丙烷轉(zhuǎn)化為氣相,氣相丙烷經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后用作塔釜的熱源。為達(dá)到能量平衡,其中部分丙烷氣體經(jīng)丙烷輔助冷卻器,用于取走塔頂冷凝器的負(fù)荷與塔底重沸器負(fù)荷的能量差及壓縮機(jī)產(chǎn)生多余的功。

根據(jù)熱泵蒸餾系統(tǒng)關(guān)鍵工藝參數(shù)、分離指標(biāo)及產(chǎn)品質(zhì)量的要求,利用Aspen Plus流程模擬軟件對丙烯塔熱泵流程建立模擬流程,并進(jìn)行模擬調(diào)試與靈敏度分析,確定了主要操作參數(shù):熱泵的性能系數(shù)COP為4.8,效率系數(shù)ζ為45%,循環(huán)工質(zhì)的流量為1698 kmol/h,閃蒸罐壓力為0.86 MPa,節(jié)流閥出口壓力為0.86 MPa,壓縮機(jī)等熵壓縮,出口壓力為1.51 MPa,輔助冷卻器出口溫度為30℃。熱泵蒸餾所消耗的能源主要為電,而常規(guī)蒸餾所需主要能源為塔頂冷卻水和塔釜加熱蒸汽。按工業(yè)能源價(jià)格進(jìn)行估算,其中水為0.5元/t,1 MPa蒸汽為 240元/t,電為0.6元/(kW·h)。在以上條件下計(jì)算得到丙烯塔的熱泵蒸餾與常規(guī)蒸餾模擬結(jié)果并進(jìn)行比較,結(jié)果見表1。

表1 丙烯塔采用熱泵蒸餾與常規(guī)蒸餾模擬結(jié)果的比較

通過以上模擬計(jì)算比較結(jié)果可知,在滿足熱泵系統(tǒng)主要操作參數(shù)的前提下,熱泵蒸餾與常規(guī)蒸餾相比,冷凝器節(jié)能效率為83.12%,再沸器節(jié)能效率為82.89%。丙烯塔進(jìn)料8.6 t/h,采用熱泵蒸餾比常規(guī)蒸餾節(jié)省能耗費(fèi)用約1812.3元,即能耗下降約67.3%。通過模擬計(jì)算表明,采用熱泵蒸餾節(jié)能效果顯著。

通過模擬計(jì)算得到了熱泵系統(tǒng)丙烯蒸餾塔的溫度分布及汽液相流量分布,并與常規(guī)蒸餾進(jìn)行了比對,模擬結(jié)果比較接近,由此可知熱泵系統(tǒng)能很好地應(yīng)用于單塔常規(guī)分離。塔的溫度分布如圖5所示。

圖5 丙烯蒸餾塔的溫度分布

5 結(jié) 語

熱泵蒸餾利用工質(zhì)吸收蒸餾塔頂蒸汽的相變熱,通過壓縮機(jī)對工質(zhì)進(jìn)行壓縮,升壓、升溫,使其能質(zhì)得到提高,然后作為再沸器的加熱熱源,從而既節(jié)省了蒸餾塔再沸器的加熱熱源,又降低了蒸餾塔塔頂冷凝器的冷凝換熱負(fù)荷,達(dá)到節(jié)能的目的。若使熱泵蒸餾節(jié)能效果顯著,應(yīng)充分考慮熱泵性能系數(shù)COP與效率系數(shù)ζ,并應(yīng)當(dāng)確定循環(huán)工質(zhì)流量、壓縮機(jī)出口壓力、高壓工質(zhì)節(jié)流后壓力3個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)。將熱泵應(yīng)用于丙烯蒸餾塔中,利用Aspen Plus流程模擬軟件,將再沸器液體閃蒸式熱泵系統(tǒng)與常規(guī)蒸餾的模擬結(jié)果相比,冷凝器節(jié)能效率為83.12%,再沸器節(jié)能效率為82.89%,能耗下降約67.3%。

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