酒精精餾中的熱泵應(yīng)用探討

摘 要：文章結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，分析分割式熱泵精餾可行性及其實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)。希望通過(guò)文章的介紹，可以為相關(guān)的工作人員提供幫助和借鑒。

關(guān)鍵詞：酒精精餾；分割式熱泵精餾；應(yīng)用

精餾化工行業(yè)作為能耗大戶，其有效的節(jié)能方式方法得到各方關(guān)注，其中熱泵精餾是目前節(jié)能效果最小、最具應(yīng)用前景的酒精精餾系統(tǒng)。酒精工業(yè)化工行業(yè)中消耗熱能較多的行業(yè)，而生產(chǎn)酒精整個(gè)階段中精餾工序則是主要耗用熱能的部位。幾乎有生產(chǎn)所需50%的水與67%的煤都消耗在精餾工序中，所以精餾工序中的能量回收工作對(duì)本工業(yè)的污染控制、能量節(jié)約等方面都有著十分關(guān)鍵的意義。

當(dāng)前全球的酒精精餾行業(yè)均沒(méi)有研發(fā)出可以完全有效解決酒精精餾耗能問(wèn)題的技術(shù)，而此方面技術(shù)也是我們國(guó)家科研攻關(guān)的重點(diǎn)。德國(guó)著名化工企業(yè)赫斯特公司成功研發(fā)出酒精精餾生產(chǎn)技術(shù)，有效降低了精餾工序所消耗的能量，然而酒精精餾技術(shù)的關(guān)鍵在于繁雜的精餾操作控制技術(shù)，且還需要重新排序精餾塔。The University of TokyoI SSP成功攻克了特殊膜分離酒精技術(shù)難題，然而此項(xiàng)技術(shù)需要花費(fèi)數(shù)額巨大的錢財(cái)進(jìn)行裝置的添置且當(dāng)前還沒(méi)有應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用，還僅處在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。Standiford FC，Badger WL在Chem Eng Prog所發(fā)表的論文Energy conservation in alcohol production中介紹了以酒精精餾熱集成方式為主的技術(shù)，然而此技術(shù)在控制操作便利性、造價(jià)控制等方面都并不是十分讓人滿意。文章結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，分析分割式熱泵精餾技術(shù)在節(jié)能方面的可行性及其實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)。

1 分割式熱泵精餾的提出及其節(jié)能可行性分析

在精餾工序都會(huì)有個(gè)恒沸點(diǎn)，假設(shè)在恒沸點(diǎn)奮進(jìn)進(jìn)行精餾工作的操作，往往需要消耗較大的能量也會(huì)有較大的回流。一般21.7攝氏度上下為究竟精餾塔的溫差，可以歸類為大溫差精餾方面的技術(shù)，假設(shè)應(yīng)用間接式或直接式熱泵精餾技術(shù)，因?yàn)橛兄^大的溫差，需要選用多級(jí)壓縮機(jī)，如此一來(lái)就需要較高的操作與設(shè)備費(fèi)用，需要較長(zhǎng)的投資回收期，缺乏較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能成效。此外假設(shè)應(yīng)用的是直接式熱泵精餾技術(shù)，由于塔底溫度比較高，這就需要壓縮機(jī)承受十分高的出口溫度，且很容易造成酒精碳化的情況出現(xiàn)，很顯然是不符合熱泵精餾應(yīng)用的相關(guān)原則。針對(duì)大溫差酒精精餾系統(tǒng)，也可將冷凝器與再沸器設(shè)置在酒精精餾塔的任何溫度范圍中，進(jìn)而降低熱泵工作中的溫度差，然而由于冷凝器與再沸器存在較為復(fù)雜的操作設(shè)計(jì)，需要投入較高的費(fèi)用，因此在經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能成效方面也差強(qiáng)人意。

圖1為泡露點(diǎn)溫度-組分相圖，圖2為酒精水溶液的平衡相圖。由于酒精水溶液相平衡存在拐點(diǎn)，為正偏差溶液，因此其并不是理想溶液。在總壓強(qiáng)為0.1兆帕斯卡之下，78.15攝氏度是酒精溶液的恒沸點(diǎn)，x=0.894則是其物質(zhì)的量之比，在78.15攝氏度左右，相比較之下此時(shí)酒精有著較小的揮發(fā)度，通常項(xiàng)目會(huì)選擇3.5至4.0的回流比，因此需要較大的熱量。而當(dāng)物質(zhì)的量之比x設(shè)置在0至0.40范圍內(nèi)時(shí)，相比之下酒精具有較大的揮發(fā)度，在此時(shí)可以應(yīng)用很小的回流比，因此需要較小的熱量。從下面兩個(gè)圖我們還可以知道，大約在0至0.26的物質(zhì)量之比范圍中，酒精泡點(diǎn)溫度與相對(duì)揮發(fā)度會(huì)有較大的變大，此區(qū)域可以歸類為恒稀區(qū)，也就是此范圍周邊各個(gè)塔板有著較大變化的區(qū)域，而大約在0.26至0.894的物質(zhì)量之比范圍中，酒精的泡點(diǎn)溫度與相對(duì)揮發(fā)度變化較小，在此范圍周邊各個(gè)塔板有著較小變化的區(qū)域，為恒濃區(qū)。因此在0.26至0.894的物質(zhì)量之比范圍中，是可以應(yīng)用熱泵精餾技術(shù)的。綜上，我們可以將酒精精餾塔設(shè)計(jì)為上下兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的精餾塔，在上塔設(shè)置熱泵裝置，進(jìn)而組成分割式熱泵精餾流程，具體如圖3所示。

分割式熱泵精餾流程分成上下兩個(gè)熱泵精餾塔，上面的熱泵精餾塔就如傳統(tǒng)熱泵精餾塔一般，只是比傳統(tǒng)精餾塔多設(shè)置了進(jìn)料口；而下面的熱泵精餾塔也是類似傳統(tǒng)的氣提塔（又或者是蒸出塔），從上面精餾塔的釜液進(jìn)料，上面精餾塔的塔底則作為蒸氣出料口。上塔溫差的控制，可以利用控制下面精餾塔進(jìn)料濃度（也就是上下兩個(gè)精餾塔分割點(diǎn)濃度）進(jìn)而有效監(jiān)控上塔溫差。如此就不需要太大的壓縮機(jī)壓比，也有利于控制投資額。分割式熱泵精餾裝置由于在上面精餾塔中設(shè)置了熱泵，進(jìn)而可以極大減小下面蒸餾塔的回流比，這也是一個(gè)效果較好的節(jié)能措施。分割式熱泵精餾流程具有較好的節(jié)能成效也有利于控制投資費(fèi)用，操作簡(jiǎn)便有效開(kāi)拓了熱泵精餾的應(yīng)用范圍。

2 分割式熱泵精餾的應(yīng)用特點(diǎn)

分割式熱泵精餾技術(shù)不是說(shuō)僅僅將傳統(tǒng)熱泵精餾塔簡(jiǎn)單地分成兩個(gè)精餾塔，分割式熱泵精餾技術(shù)與傳統(tǒng)熱泵精餾技術(shù)相比較，具有特點(diǎn)。

第一，分割點(diǎn)的選擇問(wèn)題。分割式熱泵精餾的主要參數(shù)就是分割點(diǎn)，從上面三個(gè)圖我們可以知道，當(dāng)物質(zhì)分離條件相同的前提之下，下塔進(jìn)料濃度愈大，上面精餾塔塔中的溫差也就愈小，也就可以獲得更明顯的精餾效果，換句話說(shuō)就是需要愈小的壓縮供，而為了提高下面精餾塔的提餾效果，必然會(huì)提高下面精餾塔熱能的消耗；下面精餾塔進(jìn)料濃度愈小，則結(jié)論與上述相反，因此，分割式熱泵精餾技術(shù)必然會(huì)存在一個(gè)分割點(diǎn)的最優(yōu)化，利用年運(yùn)行費(fèi)用最優(yōu)化作為目標(biāo)函數(shù)，可以獲得最佳分割點(diǎn)。第二，輔助再沸器的選擇問(wèn)題。在傳統(tǒng)的熱泵精餾中，由于輔助再沸器具有控制、補(bǔ)償、啟動(dòng)作用，因此肯定不能缺少輔助再沸器，然而在分割式熱泵精餾中，下塔的常規(guī)再沸器就可以替代輔助再沸器，這樣就沒(méi)必要設(shè)置輔助再沸器。

3 結(jié)束語(yǔ)

第一，分割式熱泵精餾根據(jù)熱泵精餾相關(guān)節(jié)能原則進(jìn)行設(shè)計(jì)操作，大體解決了精餾工序中熱泵應(yīng)用的技術(shù)難題。第二，相較于傳統(tǒng)熱泵精餾方式，分割式熱泵精餾有著獨(dú)特的應(yīng)用特色與較好的技能成效，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。第三，對(duì)于異丙醇水溶液等液體（也就是相圖存在恒稀區(qū)與恒濃區(qū)的液體），同樣可以應(yīng)用分割式熱泵精餾的技術(shù)。

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