精餾節(jié)能技術(shù)

1、熱泵精餾工藝分析化工行業(yè)是能耗大戶， 其中精餾又是能耗極高的單元操作， 而傳統(tǒng)的精餾方式熱力學(xué)效率很低，能量浪費(fèi)很大。 如何降低精餾塔的能耗， 充分利用低溫?zé)嵩矗?已成為人們普遍關(guān)注的問題。對此人們提出了許多節(jié)能措施， 通過大量的理論分析、 實(shí)驗(yàn)研究以及工業(yè)應(yīng)用表明其中節(jié)能效果比較顯著的是熱泵精餾技術(shù)。 熱泵精餾是把精餾塔塔頂蒸汽加壓升溫， 使其用作塔底再沸器的熱源，回收塔頂蒸汽的冷凝潛熱。熱泵精餾在下述場合應(yīng)用，有望取得良好效果：(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)

2、沸點(diǎn)相近組分的分離，按常規(guī)方法，蒸餾塔需要較多的塔盤及較大的回流比，才能得到合格的產(chǎn)品， 而且加熱用的蒸汽或冷卻用的循環(huán)水都比較多。 若采用熱泵技術(shù)一般可取得較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。(3)工廠蒸汽供應(yīng)不足或價(jià)格偏高,有必要減少蒸汽用量或取消再沸器時(shí)。(4)冷卻水不足或者冷卻水溫偏高、價(jià)格偏貴，需要采用制冷技術(shù)或其他方法解決冷卻問題時(shí)。(5)一般蒸餾塔塔頂溫度在 38 138 之間 ,如果用熱泵流程對縮短投資回收期有利就可以采用，但是如果有較便宜的低壓蒸汽和冷卻介質(zhì)來源，用熱泵流程就不一定有利。(6)蒸餾塔底再沸器溫度在300 以上，采用熱泵流程往往是不合適的。以上只是對一般情況而言 ,對于某個(gè)具體工

3、藝過程，還要進(jìn)行全面的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評定之后才能確定。根據(jù)熱泵所消耗的外界能量不同，熱泵精餾可分為蒸汽加壓方式和吸收式兩種類型1.蒸汽加壓方式蒸汽加壓方式熱泵精餾有兩種：蒸汽壓縮機(jī)方式和蒸汽噴射式。1.1 蒸汽壓縮機(jī)方式蒸汽壓縮機(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流程。間接式當(dāng)塔頂氣體具有腐蝕性或塔頂氣體為熱敏性產(chǎn)品或塔頂產(chǎn)品不宜壓縮時(shí)，泵精餾，見圖1。可以采用間接式熱圖 1 間接式熱泵精餾流程圖它主要由精餾塔、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、 冷凝器及節(jié)流閥等組成。 這種流程利用單獨(dú)封閉循環(huán)的工質(zhì)（冷劑）工作：冷劑與塔頂物料換熱后吸收熱量蒸發(fā)為氣體，氣體經(jīng)壓縮提高壓力和溫度后，

4、送至塔釜加熱釜液，而本身凝結(jié)成液體。液體經(jīng)節(jié)流減壓后再去塔頂換熱， 完成一個(gè)循環(huán)。于是塔頂?shù)蜏靥幍臒崃浚?通過冷劑的媒介傳遞到塔釜高溫處。 在此流程中， 制冷循環(huán)中的冷劑冷凝器與塔釜再沸器合為一個(gè)設(shè)備。在此設(shè)備中冷劑冷凝放熱而釜液吸熱蒸發(fā)。間接式熱泵精餾的特點(diǎn)是：(1)塔中要分離的產(chǎn)品與冷劑完全隔離；(2)可使用標(biāo)準(zhǔn)精餾系統(tǒng)，易于設(shè)計(jì)和控制；(3)與塔頂氣體直接壓縮式相比較，多一個(gè)熱交換器(即蒸發(fā)器 )，壓縮機(jī)需要克服較高的溫差和壓力差，因此其效率較低?？紤]到工質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性， 間接式熱泵精餾應(yīng)用的溫度范圍限制在 130 左右 ,而許多有機(jī)產(chǎn)品的精餾塔卻在較高的溫度下操作。與普通制冷劑相比，

5、水的化學(xué)和熱穩(wěn)定性好， 泄漏時(shí)對人和臭氧層無負(fù)效應(yīng)，價(jià)格便宜，而且具有極好的傳熱特性， 在熱交換中所需的換熱面積較小， 特別適合精餾塔底溫度較高的精餾系統(tǒng)。表 1 是以水為工質(zhì)，用間接式熱泵精餾分離乙苯-對二甲苯的節(jié)能結(jié)果。雖然單獨(dú)工質(zhì)循環(huán)式熱泵精餾比常規(guī)精餾的總投資費(fèi)用大，但回收期短，一般在一年之內(nèi)。表 1 不同熱泵精餾流程處理乙苯-對二甲苯溶液的節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效果塔頂氣體直接壓縮式塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾是以塔頂氣體作為工質(zhì)的熱泵，其流程見圖2，精餾塔頂氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮升溫后進(jìn)入塔底再沸器，冷凝放熱使釜液再沸，冷凝液經(jīng)節(jié)流閥減壓降溫后，一部分作為產(chǎn)品出料，另一部分作為精餾塔頂?shù)幕亓?。圖 2

6、塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾流程圖塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾的特點(diǎn)是：(1)所需的載熱介質(zhì)是現(xiàn)成的；(2) 因?yàn)橹恍枰粋€(gè)熱交換器 (即再沸器 )，壓縮機(jī)的壓縮比通常低于單獨(dú)工質(zhì)循環(huán)式的壓縮比；(3)系統(tǒng)簡單，穩(wěn)定可靠。塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾適合應(yīng)用在塔頂和塔底溫度接近，以分離，必須采用較大回流比的情況下，因此需要消耗大量加熱蒸汽或被分離物質(zhì)因沸點(diǎn)接近難(即高負(fù)荷的再沸器)，或在低壓運(yùn)行必須采用冷凍劑進(jìn)行冷凝。為了使用冷卻水或空氣作冷凝介質(zhì)，必須在較高塔壓下分離某些易揮發(fā)物質(zhì)的場合。塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾應(yīng)用十分廣泛，如丙烯-丙烷的分離采用該流程，其熱力學(xué)效率可以從 3.6%提高到 8.

7、1%,節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。某廠采用熱泵精餾的結(jié)果見表2，由此可見， 當(dāng)選用熱泵精餾時(shí)，能源費(fèi)用急劇下降。此時(shí)，冷卻水溫度已不再是決定因素，精餾塔可在更低的壓力下操作，既簡化了分離過程，又降低了設(shè)備成本。表 2 不同精餾形式下丙烯-丙烷分離的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效果比較分割式熱泵分割式熱泵精餾組成及其流程如圖3 所示。圖 3 分割式熱泵精餾流程圖分割式熱泵精餾流程分為上、下兩塔，上塔類似于直接式熱泵精餾，只不過多了一個(gè)進(jìn)料口；下塔則類似于常規(guī)精餾的提餾段即蒸出塔， 進(jìn)料來自上塔的釜液， 蒸汽則進(jìn)入上塔塔底。 分割式熱泵精餾的節(jié)能效果明顯，投資費(fèi)用適中，控制簡單。分割式熱泵精餾的特點(diǎn)是可通過控制分割點(diǎn)濃

8、度 (即下塔進(jìn)料濃度 )來調(diào)節(jié)上塔的溫差，從而選擇合適的壓縮機(jī)。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，分割點(diǎn)濃度的優(yōu)化是很必要的。分割式熱泵精餾適用于分離體系物的相圖存在恒濃區(qū)和恒稀區(qū)的大溫差精餾，如乙醇水溶液、異丙醇水溶液等。表 3 是某工廠采用常規(guī)精餾、 塔頂直接式熱泵精餾和分割式熱泵精餾工藝處理異丙醇水溶液的結(jié)果。表 3 不同精餾形式下異丙醇溶液分離的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效果比較從表 3 可以看出， 分割式可選擇單級壓縮機(jī)，昂貴的多級壓縮機(jī)。其耗電量幾乎是分割式的其耗電量大大降低；而塔頂直接式就必須選擇2 倍。閃蒸再沸閃蒸再沸是熱泵的一種變型， 它以釜液為工質(zhì)， 其流程如圖 4 所示。與塔頂氣體直接壓縮式相似，它也比間接

9、式少一個(gè)換熱器， 適用場合也基本相同。 不過，閃蒸再沸在塔壓高時(shí)有利，而塔頂氣體直接壓縮式在塔壓低時(shí)更有利。圖 4 閃蒸再沸式熱泵精餾流程圖1.2 蒸汽噴射式圖 5 是采用蒸汽噴射泵方式的蒸汽汽提減壓精餾工藝流程。 在該流程中， 塔頂蒸汽是稍含低沸點(diǎn)組成的水蒸氣， 其一部分用蒸汽噴射泵加壓升溫， 隨驅(qū)動(dòng)蒸汽一起進(jìn)入塔底作為加熱蒸汽。圖5蒸汽噴射式熱泵精餾流程圖在傳統(tǒng)方式中，如果進(jìn)料預(yù)熱需蒸汽量10，再沸器需蒸汽量30，則共需蒸汽量40。而在采用蒸汽噴射式熱泵的精餾中， 用于進(jìn)料預(yù)熱的蒸汽量不變，汽 15 就可得到用于再沸器加熱的蒸汽 30，故蒸汽消耗量是但由于向蒸汽噴射泵供給驅(qū)動(dòng)蒸25，可節(jié)省

10、 37.5%的蒸汽量，所以節(jié)能效果十分顯著。采用蒸汽噴射泵方式的熱泵精餾具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)新增設(shè)備只有蒸汽噴射泵，設(shè)備費(fèi)用低；(2)蒸汽噴射泵沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，容易維修，而且維修費(fèi)用低。蒸汽噴射式熱泵精餾如果在大壓縮比或高真空度條件下操作，蒸汽噴射泵的驅(qū)動(dòng)蒸汽量增大，再循環(huán)效果顯著下降。因此，這種方式的熱泵精餾適合應(yīng)用在：(1)精餾塔塔底和塔頂?shù)膲翰畈淮螅?2)減壓精餾的真空度比較低的情況下。2 吸收式吸收式熱泵由吸收器、再生器、 冷卻器和再沸器等設(shè)備組成，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

11、出熱量 <Q 吸 >，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 <Q 生 > 是熱泵的原動(dòng)力。從再生器中蒸發(fā)出來的水蒸氣， 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，詳見圖 6。圖 6 吸收式熱泵精餾流程圖吸收式熱泵按照機(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式熱泵 ( 型 )和蒸發(fā)器壓力高于冷凝器壓力的第二類吸收式熱泵 (型 )。第一類吸收式熱泵

12、需要高溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)，但不需要外界冷卻水，熱量能得到充分利用，主要應(yīng)用于產(chǎn)生熱水；第二類吸收式熱泵可利用低品位熱能直接驅(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。表 4 吸收式熱泵的特點(diǎn)由表 4 可看出： I 型吸收式熱泵與 型吸收式熱泵雖是吸收式熱泵的兩大分支，二者原理相似，但由于驅(qū)動(dòng)能量及供熱量溫度的差異，使二者應(yīng)用條件有所不同。一般在余熱源溫度較低 (30 60 ),用熱溫度也較低(60 100)時(shí)，可用 I 型熱泵，其COP值可達(dá) 1.7 左右，即消耗 1kW 驅(qū)動(dòng)能，可以獲得 1.7kW 的可用熱。 而在余熱源溫度較高(60100)需要的供熱溫度也較高 (100 150

13、)時(shí)，可用 型熱泵，其 COP 值約為 0.5，即每供給熱泵 1kW 的低溫余熱，可以獲得1.5kW 溫度較高的可用熱，相當(dāng)于不需要其它代價(jià)，就可以將低溫余熱的一半左右回收利用。吸收式熱泵與壓縮式熱泵相比，雖然供熱系數(shù)COP 較小，但避免了使用動(dòng)力，在動(dòng)力緊張的情況下， 有壓縮式熱泵所不可替代的優(yōu)點(diǎn)。吸收式熱泵的優(yōu)點(diǎn)是： 可以利用溫度不高的熱源作為動(dòng)力，如工廠廢汽、廢熱。除功率不大的溶液泵外沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，設(shè)備維修方便，耗電量小，無噪音。缺點(diǎn)是熱效率低，需要較高的投資，使用壽命不長。因此只有在產(chǎn)熱量很大、而溫度提升要求不高， 并且可用廢熱直接驅(qū)動(dòng)的情況下，吸收式熱泵的工業(yè)應(yīng)用才具有較大的吸引力。

14、以下是吸收式熱泵的應(yīng)用舉例。日本某化工廠用 型熱泵回收精餾塔有機(jī)蒸汽的余熱8.5t/h 。80 的有機(jī)余熱蒸汽進(jìn)入熱泵的 發(fā)生器和蒸發(fā)器 ,由吸收器將 100的熱水加熱到125 ,經(jīng)閃蒸獲得 1kg/cm2( 表壓 )120 的蒸汽 4.25t/h, 熱泵一年運(yùn)行以 8000h 計(jì)算 ,則可節(jié)約蒸汽 34000t 。上海通用機(jī)械研究所為上海酒精廠研制型熱泵回收蒸餾塔頂76 酒精蒸汽 23222kW 功能量,產(chǎn)生 0.5kg/cm2 (表壓 )的蒸汽 1.8t/h 。據(jù)估算熱泵每年收利15 萬元 ,裝置費(fèi)用的回收期約為 1.5 年。上 海交通 大學(xué)為 上海溶劑 廠研制 LiBr/H2O高溫吸 收式熱 泵，回 收溶劑生產(chǎn)過程 的7547kW103 余熱，產(chǎn)生 1kg/cm2( 表壓 )的蒸汽0.