论文部分内容阅读
摘 要：本文简要介绍了热泵技术、热泵精馏工艺流程的类型，并以甲醇热泵精馏为例，通过将传统精馏技术和新技术作对比，分析了热泵精馏新工艺在甲醇精馏上的节能效益，并对热泵技术的发展进行了展望。
关键词：热泵 精馏 甲醇 节能
一、热泵精馏技术的现状
为了解决传统蒸馏设备体积大，热效率低的问题，人们提出了多种节能措施、并进行了相应的理论分析和研究，结果表明热泵节能效果非常显著。
20 世纪50 年代，Robinson 和 Gilliland 首先提出将热泵技术应用于精馏生产，随后的半个世纪里该技术得到迅速发展。Oliveira 进行了具有蒸汽再压缩式精馏塔技术的研究，James G.Gebbie 研究了具有不同配比工质的热泵精馏塔的工作性能，并且考察了热量传递速率，压缩工质速率和热量积累对热泵精馏塔性能的影响[1]。
在我国热泵精馏技术的研究也有多年历史。近年来国内的学者对热泵精馏的研究主要集中在对热泵的结构设计和性能分析上。在实际生产中，自 20 世纪 80 年代末期以来，国内外采用热泵精馏都取得了很好的效果。
二、热泵精馏流程的分类
热泵精馏就是靠补偿或消耗机械功，把精馏塔塔顶低温处的热量传递到塔釜高温处，使塔顶低温蒸汽用作塔底再沸器的热源。根据热泵所消耗的外界能量不同，热泵精馏可分为蒸汽加压方式和吸收式两种类型[2，3]。
1.蒸汽加压方式热泵精馏
蒸汽加压方式热泵精馏分蒸汽压缩机方式和蒸汽喷射式两种。
1.1 蒸汽压缩机方式
图1为机械蒸发压缩式热泵，在蒸发器里，工质在温度 T1下蒸发，同时从热源获取热量 Q1，然后工质经压缩在冷凝器中于较高的温度T2下给出潜热 Q2，冷凝了的工质再经膨胀阀膨胀后到蒸发器，完成了整个循环。
考虑到冷凝和再沸器热负荷的平衡以及便于控制，在流程中往往设有附加冷却器和加热器。
按照流程的不同，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四种流程。
1.2 蒸汽喷射式热泵精馏
蒸汽喷射式热泵是提高低压蒸汽压力的专门设备，其原理是借助高压蒸汽（驱动蒸汽）喷射产生的高速汽流，将低压蒸汽的压力和温度提高，而高压蒸汽的压力和温度降低。低压蒸汽的压力和温度提高到工艺能使用的指标，从而达到节能的目的。
2.吸收式热泵精馏
吸收式热泵常用溴化锂水溶液或氯化钙水溶液为工质。由再生器送来的浓溴化锂溶液在吸收器中遇到从再沸器送来的蒸汽，发生了强烈的吸收作用，不但升温而且放出热量，该热量即可用于精馏塔蒸发器，实际上热泵的吸收器即为精馏塔的蒸发器。浓溴化锂溶液吸收了蒸汽之后，浓度变稀，即送再生器蒸浓。再生器所耗用的热能是热泵的原动力。从再生器中蒸发出采的水蒸汽，在冷却器中冷却、冷凝，而后送入精馏塔冷凝器，在此冷凝器中，塔顶馏出物被冷凝，而水又重新蒸发进入吸收器。由此可见，精馏塔的冷凝器也是热泵的再沸器。
三、甲醇热泵精馏
甲醇精馏的任务是脱除粗甲醇中的二甲醚等轻组分及水、乙醇等杂质，生产符合要求的精甲醇，作为中间产品或最终产品。
1.传统三塔精馏工艺
图 2 是目前广泛采用的三塔精馏（顺流双效精馏）工艺，即粗甲醇顺序通过预塔、加压塔、常压塔进行精馏分离。由预塔脱除粗甲醇中的轻组分，预后粗甲醇经过加压塔和常压塔精馏后，在加压塔塔顶和常压塔塔顶出料分别获得精甲醇，利用加压塔塔顶甲醇蒸气的冷凝潜热作为常压塔再沸热源，杂醇从常压塔侧线采出，废水从常压塔塔底排出。双效精馏工艺比早期的单效精馏工艺节能30%，技术也很成熟，但是随着甲醇装置规模日益扩大，即使采用三塔精馏工艺，能耗的绝对值也是巨大的。
预塔；2-加压塔；3-常压塔；4-预塔冷凝器；5-预塔再沸器；6-加压塔再沸器；7-常压塔冷凝器；8常压塔再沸器
2.甲醇热泵精馏工艺
热泵精馏工艺直接压缩精馏塔顶精甲醇气体，提高塔顶精甲醇气体的压力和冷凝温度，作为精馏塔塔釜再沸器或中间再沸器的热源，充分利用了精甲醇气体的冷凝潜热，同时减小了塔釜热公用工程和塔顶冷公用工程消耗。热泵精馏只需消耗少量最低级别的水蒸气（如 0.3 MPa），同时节省大量更高等级水蒸气（如 1.0 MPa）。
由于粗甲醇中甲醇浓度远大于水的浓度，精馏段热负荷远大于提馏段的热负荷，非常适合采用分割式热泵精馏工艺。图3为甲醇热泵精馏。
四、节能分析
以 45 万吨/年甲醇精馏装置为例，通过对热泵精馏和三塔精馏的工艺流程进行模拟计算，对两种流程的计算结果进行了对比分析，预测了热泵精馏的经济效益。
对三塔精馏：预塔操作压力：210 kPa，塔顶温度：355 K，塔釜温度：359 K，甲醇气化率：0.8。常压塔操作压力：110 kPa，塔顶温度：340 K，塔釜温度：378 K，回流比：2.5。加压塔操作压力：800 kPa，塔顶温度：401 K，塔釜温度：404 K，回流比：3.0。
对热泵精馏：预塔操作压力：210 kPa，塔顶温度：355 K，塔釜温度：359 K，甲醇气化率：0.8。主精馏塔上塔操作压力：110kPa，塔顶温度：340K，塔釜温度：346 K。主精馏塔下塔操作压力：120 kPa，塔顶温度：346K，塔釜温度：378 K。
粗甲醇（313 K、400 kPa）经过粗甲醇预热器预热至345 K，然后进入预塔进行初步精馏加工，轻组分杂质经过预塔冷凝器两级冷却至313 K后排出，脱除轻组分的粗甲醇（359 K）进入主精馏上塔塔进行精馏，主精馏塔上塔塔顶精甲醇气体（340 K、110 kPa）经过甲醇气体压缩机增压升温，操作压缩比为 1.8，压缩后的精甲醇气体（377 K、198 kPa）作为主精馏塔上塔再沸器的热源，再沸器排出精甲醇（356K）先后经过粗甲醇预热器和精甲醇水冷器冷却至 313K，冷却后精甲醇分为两部分，一部分作为精甲醇产品（55744 kg/H、313 K），另一部分作为主精馏塔上塔回流液（139360 kg/H、313 K），回流比为 2.5，主精馏塔上塔塔釜排出甲醇液体（346K，甲醇质量分数 80%）进入主精馏塔下塔顶部进行精馏，主精馏塔下塔塔顶气体（346 K、117 kPa）进入主精馏塔上塔底部，主精馏塔下塔侧线采出杂醇（855 kg/H、352 K、118 kPa），主精馏塔下塔塔釜排出废水（1952 kg/H、378 K、120 kPa）。
表1为热泵精馏与三塔精馏的公用工程消耗对比
对经济效益分析可知，对于 180 万吨/年的大型甲醇精馏装置，应用甲醇热泵精馏新工艺，每年可以减少操作费用上亿元。
五、展望
热泵精馏新工艺的节能效果显著，经济效益可观，操作控制简单，具有广阔的工业应用前景。在实际工业生产中，要根据不同的工艺要求，选择合适的流程类型，以达到工艺最优化设计，节能效益和经济效益最佳。
参考文献
[1]王立娟，张莹莹，仇汝臣.热泵精馏技术进展介绍[J].山东化工.2012，41（5）：89 - 90.
[2]许维秀.热泵技术在精馏中的应用[J].节能环保技术.2005（3）：36 - 38.
[3]朱平，梁燕波，秦正龙.热泵精馏的节能工艺流程分析[J].节能技术.2000，2（18）：7-16.
[4]叶鑫，吕建宁，丁干红等.甲醇热泵精馏新工艺[J].化工进展.2010（29）：74 - 77.
[5]刘保柱，章渊昶，陈平等.节能型甲醇精馏工艺研究[J].化工进展.2007，26（5）：739 - 742.
[6]刘源贵，马希凯，兰文礼.三塔精馏技术在甲醇工业精馏中的应用[J].石油化工应用.2009，28（2）：113 - 114.
[7]朱玉琴.高效节能的精馏技术[J].发电设备.2003，03：48 - 50
[8] 朱平，冯霄，李珊.分割式热泵精馏的研究及其分割点的确定[J].西安交通大学学报.1998，32（1）：93-96
[9]丁干红，叶鑫，李延生.甲醇合成及精馏单元的热集成[J].化工进展.2009，28（增刊）：341 - 345.
[10]石海涛，张丽，王黎. 甲醇合成中双效精馏节能研究[J].华北电力大学学报.2007，34（2）：98 - 101.
[11]朱平，冯霄. 分割式热泵精馏流程的优化设计及运行调优[J].化学工程.2004，32（6）：10 - 14.
[12]褚雅志，秦丽萍，王胜利等.甲醇精馏工艺及其塔器优化设计[J].化工进展.2008，27（10）：1659 - 1662.
关键词：热泵 精馏 甲醇 节能
一、热泵精馏技术的现状
为了解决传统蒸馏设备体积大，热效率低的问题，人们提出了多种节能措施、并进行了相应的理论分析和研究，结果表明热泵节能效果非常显著。
20 世纪50 年代，Robinson 和 Gilliland 首先提出将热泵技术应用于精馏生产，随后的半个世纪里该技术得到迅速发展。Oliveira 进行了具有蒸汽再压缩式精馏塔技术的研究，James G.Gebbie 研究了具有不同配比工质的热泵精馏塔的工作性能，并且考察了热量传递速率，压缩工质速率和热量积累对热泵精馏塔性能的影响[1]。
在我国热泵精馏技术的研究也有多年历史。近年来国内的学者对热泵精馏的研究主要集中在对热泵的结构设计和性能分析上。在实际生产中，自 20 世纪 80 年代末期以来，国内外采用热泵精馏都取得了很好的效果。
二、热泵精馏流程的分类
热泵精馏就是靠补偿或消耗机械功，把精馏塔塔顶低温处的热量传递到塔釜高温处，使塔顶低温蒸汽用作塔底再沸器的热源。根据热泵所消耗的外界能量不同，热泵精馏可分为蒸汽加压方式和吸收式两种类型[2，3]。
1.蒸汽加压方式热泵精馏
蒸汽加压方式热泵精馏分蒸汽压缩机方式和蒸汽喷射式两种。
1.1 蒸汽压缩机方式
图1为机械蒸发压缩式热泵，在蒸发器里，工质在温度 T1下蒸发，同时从热源获取热量 Q1，然后工质经压缩在冷凝器中于较高的温度T2下给出潜热 Q2，冷凝了的工质再经膨胀阀膨胀后到蒸发器，完成了整个循环。
考虑到冷凝和再沸器热负荷的平衡以及便于控制，在流程中往往设有附加冷却器和加热器。
按照流程的不同，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四种流程。
1.2 蒸汽喷射式热泵精馏
蒸汽喷射式热泵是提高低压蒸汽压力的专门设备，其原理是借助高压蒸汽（驱动蒸汽）喷射产生的高速汽流，将低压蒸汽的压力和温度提高，而高压蒸汽的压力和温度降低。低压蒸汽的压力和温度提高到工艺能使用的指标，从而达到节能的目的。
2.吸收式热泵精馏
吸收式热泵常用溴化锂水溶液或氯化钙水溶液为工质。由再生器送来的浓溴化锂溶液在吸收器中遇到从再沸器送来的蒸汽，发生了强烈的吸收作用，不但升温而且放出热量，该热量即可用于精馏塔蒸发器，实际上热泵的吸收器即为精馏塔的蒸发器。浓溴化锂溶液吸收了蒸汽之后，浓度变稀，即送再生器蒸浓。再生器所耗用的热能是热泵的原动力。从再生器中蒸发出采的水蒸汽，在冷却器中冷却、冷凝，而后送入精馏塔冷凝器，在此冷凝器中，塔顶馏出物被冷凝，而水又重新蒸发进入吸收器。由此可见，精馏塔的冷凝器也是热泵的再沸器。
三、甲醇热泵精馏
甲醇精馏的任务是脱除粗甲醇中的二甲醚等轻组分及水、乙醇等杂质，生产符合要求的精甲醇，作为中间产品或最终产品。
1.传统三塔精馏工艺
图 2 是目前广泛采用的三塔精馏（顺流双效精馏）工艺，即粗甲醇顺序通过预塔、加压塔、常压塔进行精馏分离。由预塔脱除粗甲醇中的轻组分，预后粗甲醇经过加压塔和常压塔精馏后，在加压塔塔顶和常压塔塔顶出料分别获得精甲醇，利用加压塔塔顶甲醇蒸气的冷凝潜热作为常压塔再沸热源，杂醇从常压塔侧线采出，废水从常压塔塔底排出。双效精馏工艺比早期的单效精馏工艺节能30%，技术也很成熟，但是随着甲醇装置规模日益扩大，即使采用三塔精馏工艺，能耗的绝对值也是巨大的。
预塔；2-加压塔；3-常压塔；4-预塔冷凝器；5-预塔再沸器；6-加压塔再沸器；7-常压塔冷凝器；8常压塔再沸器
2.甲醇热泵精馏工艺
热泵精馏工艺直接压缩精馏塔顶精甲醇气体，提高塔顶精甲醇气体的压力和冷凝温度，作为精馏塔塔釜再沸器或中间再沸器的热源，充分利用了精甲醇气体的冷凝潜热，同时减小了塔釜热公用工程和塔顶冷公用工程消耗。热泵精馏只需消耗少量最低级别的水蒸气（如 0.3 MPa），同时节省大量更高等级水蒸气（如 1.0 MPa）。
由于粗甲醇中甲醇浓度远大于水的浓度，精馏段热负荷远大于提馏段的热负荷，非常适合采用分割式热泵精馏工艺。图3为甲醇热泵精馏。
四、节能分析
以 45 万吨/年甲醇精馏装置为例，通过对热泵精馏和三塔精馏的工艺流程进行模拟计算，对两种流程的计算结果进行了对比分析，预测了热泵精馏的经济效益。
对三塔精馏：预塔操作压力：210 kPa，塔顶温度：355 K，塔釜温度：359 K，甲醇气化率：0.8。常压塔操作压力：110 kPa，塔顶温度：340 K，塔釜温度：378 K，回流比：2.5。加压塔操作压力：800 kPa，塔顶温度：401 K，塔釜温度：404 K，回流比：3.0。
对热泵精馏：预塔操作压力：210 kPa，塔顶温度：355 K，塔釜温度：359 K，甲醇气化率：0.8。主精馏塔上塔操作压力：110kPa，塔顶温度：340K，塔釜温度：346 K。主精馏塔下塔操作压力：120 kPa，塔顶温度：346K，塔釜温度：378 K。
粗甲醇（313 K、400 kPa）经过粗甲醇预热器预热至345 K，然后进入预塔进行初步精馏加工，轻组分杂质经过预塔冷凝器两级冷却至313 K后排出，脱除轻组分的粗甲醇（359 K）进入主精馏上塔塔进行精馏，主精馏塔上塔塔顶精甲醇气体（340 K、110 kPa）经过甲醇气体压缩机增压升温，操作压缩比为 1.8，压缩后的精甲醇气体（377 K、198 kPa）作为主精馏塔上塔再沸器的热源，再沸器排出精甲醇（356K）先后经过粗甲醇预热器和精甲醇水冷器冷却至 313K，冷却后精甲醇分为两部分，一部分作为精甲醇产品（55744 kg/H、313 K），另一部分作为主精馏塔上塔回流液（139360 kg/H、313 K），回流比为 2.5，主精馏塔上塔塔釜排出甲醇液体（346K，甲醇质量分数 80%）进入主精馏塔下塔顶部进行精馏，主精馏塔下塔塔顶气体（346 K、117 kPa）进入主精馏塔上塔底部，主精馏塔下塔侧线采出杂醇（855 kg/H、352 K、118 kPa），主精馏塔下塔塔釜排出废水（1952 kg/H、378 K、120 kPa）。
表1为热泵精馏与三塔精馏的公用工程消耗对比
对经济效益分析可知，对于 180 万吨/年的大型甲醇精馏装置，应用甲醇热泵精馏新工艺，每年可以减少操作费用上亿元。
五、展望
热泵精馏新工艺的节能效果显著，经济效益可观，操作控制简单，具有广阔的工业应用前景。在实际工业生产中，要根据不同的工艺要求，选择合适的流程类型，以达到工艺最优化设计，节能效益和经济效益最佳。
参考文献
[1]王立娟，张莹莹，仇汝臣.热泵精馏技术进展介绍[J].山东化工.2012，41（5）：89 - 90.
[2]许维秀.热泵技术在精馏中的应用[J].节能环保技术.2005（3）：36 - 38.
[3]朱平，梁燕波，秦正龙.热泵精馏的节能工艺流程分析[J].节能技术.2000，2（18）：7-16.
[4]叶鑫，吕建宁，丁干红等.甲醇热泵精馏新工艺[J].化工进展.2010（29）：74 - 77.
[5]刘保柱，章渊昶，陈平等.节能型甲醇精馏工艺研究[J].化工进展.2007，26（5）：739 - 742.
[6]刘源贵，马希凯，兰文礼.三塔精馏技术在甲醇工业精馏中的应用[J].石油化工应用.2009，28（2）：113 - 114.
[7]朱玉琴.高效节能的精馏技术[J].发电设备.2003，03：48 - 50
[8] 朱平，冯霄，李珊.分割式热泵精馏的研究及其分割点的确定[J].西安交通大学学报.1998，32（1）：93-96
[9]丁干红，叶鑫，李延生.甲醇合成及精馏单元的热集成[J].化工进展.2009，28（增刊）：341 - 345.
[10]石海涛，张丽，王黎. 甲醇合成中双效精馏节能研究[J].华北电力大学学报.2007，34（2）：98 - 101.
[11]朱平，冯霄. 分割式热泵精馏流程的优化设计及运行调优[J].化学工程.2004，32（6）：10 - 14.
[12]褚雅志，秦丽萍，王胜利等.甲醇精馏工艺及其塔器优化设计[J].化工进展.2008，27（10）：1659 - 1662.