热泵蒸馏的节能技术与应用

第３１卷第５期　一长春工业大学学报（自然科学版）　Ｖ０１．３１　ＮＯ．５　２０１０年１Ｏ月　ｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　ＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）　０ｃｔ．２Ｏ１０　热泵蒸馏的节能技术与应用　史文树，　尤　文　，　于　明　（长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春　１３００１２）　摘　要：对于热泵蒸馏系统，首先确定了循环工质流量、压缩机出口压力、高压工质节流后压　力３个关键工艺参数。将热泵用于丙烯蒸馏塔中，利用Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ流程模拟软件模拟计算，　节能达到６７．３　。　关键词：热泵；蒸馏；性能系数；工艺参数　中图分类号：ＴＰ２Ｏ５　文献标志码：Ａ　文章编号　１６７４—１３７４（２０１０）０５—０５２３—０５　Ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌ　ｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｄｉｓｔｉ　ｌ　ｌａｔｉｏｎ　ＳＨＩ　Ｗｅｎ—ｓｈｕ。　Ｙ０Ｕ　Ｗｅｎ　，　ＹＵ　Ｍｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００１２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ａ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｒｅｅ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｙｃｌｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ－ｓｕｂｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅ　ｅｘｐｏｒｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—　ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｕｂｓｔａｎｃｅ，ａｒｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｆｉｒｓｔ．Ｗｅ　ａｐｐｌｙ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ　ｔｏｗｅｒ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ｒｅａｃｈｅｓ　６７，３　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ；ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．　Ｏ　引　言　保温材料和高效填料等方式进行节能，但是加热　塔底蒸发器所输入的能量大约有９５　在塔顶被　在石油、化工、医药、食品、海水淡化等诸多领　冷却空气或冷却水带走，一般情况下，这部分能量　域，蒸馏是一个主要的耗能领域，其消耗的能量约　不能得到进一步的回收利用，因此，要降低能耗，　占全部能耗的６０％，因此，研究蒸馏过程中的节　只有通过回收塔顶的热量来实现。对此人们通过　能方法具有十分重要的意义。在常规的蒸馏装置　大量的理论分析、实验研究以及工业应用表明，热　中，常采用以产品物流预热原料、增加塔板数、降　泵蒸馏技术是目前最为突出的、行之有效的节能　低回流量、增设中间再沸器和中间冷凝器、适宜的　方法。　收稿日期：２０１０—０６—２３　基金项目：吉林省科技发展计划基金资助项目（ＧＮ２００９０３１５０４）　作者简介：史文树（１９８４一），男，汉族，安微风阳人，长春工业大学硕士研究生，主要从事控制理论与控制工程以及热泵式低能耗多　效蒸馏水机方向研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈｉｗｅｎｓｈｕ９９９＠１２６．ｔｏｍ．＊联系人：尤文（１９６１一），男，汉族，吉林长春人，长春工业大　学教授，博士，主要从事生产过程信息获取和检测技术方向研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｏｕｗｅｎ＠ｍａｉｌ．ｃｃｕｔ．ｅｄｕ．ａｎ．　５２４　长春工业大学学报（自然科学版）　第３１卷　ｌ热泵节能原理　热泵是采用逆卡诺循环原理，利用少量高品　位能量（电能、机械能），将低温位热能的温度提高　到更为有用的水平的装置，以此来获取较多低品　位的能量，通过外部输入功，热泵把低温位的热量　ＣＯＰ一　（１）　若压缩蒸汽为湿蒸汽，且为理想的可逆压缩　过程，即热泵循环为逆卡诺循环，则该热泵性能系　数为理论上的最大值，逆卡诺循环的温熵图如图　２所示。　转移到高温位。对于蒸馏塔，如果能将塔顶气相　的热量用于加热塔底物料，就能够节省外部供冷　与供热。将制冷循环与蒸馏塔的塔顶冷凝器和塔　底再沸器结合起来，使制冷工质汽化向塔顶供冷，　同时，工质通过冷凝向塔底供热，就能使能量从低　温处流向高温处，从而获得节能效果。热泵蒸馏　即是依据热力学第二定律给系统加入一定的机械　功，将温度较低的塔顶蒸汽加压升温，作为高温塔　釜的热源。因为回收的潜热用于过程本身，又省　去了塔顶冷凝器冷却水和塔釜加热蒸汽，可使蒸　馏的能耗明显降低。　热泵主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器　４大部件构成。闭式热泵的结构如图１所示。　，Ｋ缩机　图１　闭式热泵结构图　在该结构中，热量的传递是采用工质完成的，　工质在蒸发器Ｔ。的温度下蒸发，由液态变成气　态，吸收热量Ｑ。，然后气相工质经过压缩机压缩，　工质温度上升到　，压力由Ｐ　上升到Ｐ　，遂进　入到冷凝器，工质在冷凝器中放出热量Ｑ，由气　态变成液态，液态工质经过节流阀温度降低到　，再次进入到蒸发器，开始新的热力循环。　２热泵蒸馏系统的性能系数　热泵的性能系数可用消耗单位功所得到的供　热量来衡量，即在热泵蒸馏系统中，热泵的实际性　能系数为经压缩机压缩后供给塔底再沸器的热量　Ｑ，与输入机械功　之比，称为热泵的供热系数　ＣＯＰ，其定义如下：　图２逆卡诺循环的温熵图　则可得理想的热泵性能系数为：　Ｃ（）　想　一　一　（２）　式中：Ｑ　——热泵输出热量；　ｗ　——压缩机输入功率；　ｗ　——膨胀机输出功率；　丁　——工质冷凝温度；　丁　——工质蒸发温度。　热泵系统的性能主要体现在ＣＯＰ指标上。　ＣＯＰ指标越高，则消耗相同压缩功可获得的热量　越多。从式（２）可以看出，热源和热阱之间的温差　△Ｔ越小，　越高，则ＣＯＰ指标越大，即热泵系统　工作性能越好。因此，要使热泵蒸馏具有良好的　效果，应考虑以下２个因素：　１）塔顶和塔底温差较小，因为压缩机的功耗　主要取决于温差，温差越大，压缩机的功耗越大。　据国外文献报导，只要塔顶和塔底温差小于　３６℃，就可以获得较好的经济效果。　２）使用符合蒸发温度与冷凝温度的适当工　质，这样才能使得在传递过程中热量损失减小。　如果仅考虑热泵性能系数有多高而不考虑工　质工作工况是没有任何意义的，因此，热泵的性能　系数是跟工质工作工况密切相关的。如果将实际　热泵性能系数与相同条件下理想热泵性能系数　（逆卡诺循环并且没有任何能量传递损耗）之比称　为热泵的效率系数，则可定义为：　第５期　史文树，等：热泵蒸馏的节能技术与应用　５２５　＝　（３）　对于闭式热泵蒸馏系统，关键工艺参数主要有下　述３个，这也是设计者必须确定并需经多次调整　热泵的效率系数ｒ主要取决于两个因素：１）　后才能最终确定的参数：循环工质流量、压缩机出　热泵循环内部损失的大小，即压缩机机械损失、工　口压力、高压工质节流后压力。　质流动损失和散热损失等；２）在高温端和低温端　３．１循环工质流量的确定　换热器（蒸发器和冷凝器）中的不可逆传热损失。　循环工质流量的确定原则主要是必须满足塔　传热损失不仅跟蒸发器和冷凝器的选材、设计、型　顶冷凝器和塔底蒸发器的热负荷要求，从而使在　式有关，还主要跟载热介质有关，如以水为载热介　高温端和低温端换热器中的不可逆传热损失达到　质的冷凝器和蒸发器的出口传热温差一般仅为　最小。当然工质所能提供的热负荷与压缩后压力　５℃，而以空气为载热介质的冷凝器和蒸发器的　以及节流后压力均有关系，但其流量大小是最重　出口传热温差要高达１０～１５℃。因此，在相同温　要的因素。同一个工质流量需要同时满足塔的冷　度范围条件下，以水为载热介质的热泵效率系数　凝器和蒸发器２个热负荷要求，而这２个热负荷　一般要大于以空气为载热介质的热泵效率系数，　又必然是大小不同的。故而必须在工质流量、压　则对于大型热泵系统，由于压缩机效率较高和流　缩后压力及工质节流后压力等多个因素之间进行　程损失相对较少，其热泵效率系数一般可达到　平衡，务必使之达到最适宜的工艺参数匹配。　５０％～７Ｏ　，而小型热泵一般在３Ｏ　～５０　之　３．２压缩机出口压力的确定　间。在蒸发温度为０℃的条件下，分别作出理想　采用热泵蒸馏的基本原理是利用塔顶蒸汽的　热泵效率系数为１００　及热泵效率系数为３０　，　潜热，即将塔顶蒸汽经过绝热压缩提高其温位，再　４０％，５０　，６０　和７０　时热泵性能系数与高低　作为塔釜再沸器的热源。为此，要求蒸汽经压缩　位热源温度差的关系，如图３所示。　机后的压力Ｐ　应满足在该压力下，具有与塔顶　１２　蒸汽组成相同的液体泡点温度Ｔ　，须满足下式　约束：　１１日２≥ＴＢ＋△Ｔ　ｉ　（４）　８　式中：丁Ｂ——釜温；　０　△　ｉ　——允许最小传热温差。　Ｊｒ　４　Ｔｅｚ不能过高，过高则Ｐｚ就过高，从而使热　泵的机械功耗即有效能消耗增加。此外，还要考　虑热泵提供的机械能否完全转换为有效能，因此，　０　２０　３０　４０　５０　６０　７０　８０　热泵的功率越大，系统的有效能损失也就愈大。　温度差　为了满足上述两方面的要求，取　ＴＢ２一ＴＢ＋△Ｔｍｉ　（５）　图３热泵性能系数与高低位热源温度差的关系　作为具有与塔顶蒸汽组成相同的液体泡点温度　从图中可见，随着高低位热源的温度差加大，　丁月　，由Ｔｅ。与塔顶蒸汽组成可求出泡点压力Ｐ　。　热泵性能系数ＣＯＰ值随之降低。因此，在对比不　此值为压缩机出口的最低压力，并作为固定最优　同热泵机组的性能系数时，应考虑热泵高低位热　设计变量，则热泵的压缩比（Ｐ。／Ｐ　）即可确定。　源温差的大小，同时，在高低位热源的温差一定　３．３工质经节流阀后压力的确定　时，提高热泵的效率系数，热泵的性能系数将随之　工质在塔顶冷凝器中蒸发，其蒸发温度应满　提高。　足：　３热泵蒸馏系统关键工艺参数的确定　ＴＤｚ≤丁Ｄ一△Ｔ　ｉ　（６）　、　式中：丁Ｄ——塔顶蒸汽的泡点温度；　工业上常用的热泵类型主要有闭式热泵、塔　ＡＴ　ｉ　——最小允许传热温差；　顶气相压缩式热泵、釜液节流式热泵和塔釜液体　丁。　——工质的蒸发温度。　闪蒸再沸式热泵。各种类型热泵的使用都应考虑　为简化起见，取　其关键的工艺参数，以此获得更好的节能效果。　ＴＤ２一ＴＤ一△Ｔ　ｉ　（７）　５２６　长春工业大学学报（自然科学版）　第３１卷　由Ｔ力　和工质的组成可以求出工质的蒸发压　力Ｐ。，则Ｐ　也就是工质经节流阀后的出口压力。　因节流过程可视为等焓闪蒸过程，可根据等焓闪　蒸求出节流后的汽化率。　４热泵蒸馏流程的模拟计算　在气体分馏装置的丙烯蒸馏塔中，由于丙烯　和丙烷的沸点非常接近，当采用常规的蒸馏塔进　行分离时，通常要求蒸馏塔控制较大的回流量，以　保证产品的纯度，这却使得丙烯蒸馏单元在整个　气体分离装置中的能耗比例偏高，因此，如何降低　丙烯蒸馏塔中的能耗就成为气体分离装置中的关　键。通过大量的理论分析、实验研究以及工业应　用表明，热泵蒸馏技术节能效果十分显著。　根据热泵所消耗的外界能量不同，热泵蒸馏　可分为蒸汽压缩式和吸收式２种类型。其中蒸汽　压缩式应用较多，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　再沸式和蒸汽喷射式流程。塔顶气体直接压缩式　热泵的应用较广泛，它是以塔顶气体作为工质，将　塔顶蒸汽的热量用于加热塔底的物料，但这种形　式的热泵由于压缩机操作范围较窄，控制性能不　佳，容易引起塔的操作不稳定，也不适合用于蒸馏　塔压力高的场合。塔釜液体闪蒸再沸式与塔顶气　体直接压缩式相似，它以塔底釜液为工质，但塔釜　液体闪蒸再沸式有利于塔压高的操作，并且塔底　产品丙烷可以作为良好的冷却剂，所以，选用再沸　器液体闪蒸式热泵节能效果更好。丙烯塔的闪蒸　再沸式热泵流程如图４所示。　图４丙烯塔的热泵流程示意图　塔釜液丙烷一部分作为产品取出，剩余部分　经节流阀、闪蒸器进入到冷凝器，在冷凝器中吸收　塔顶气相丙烯冷凝潜热，液相丙烷转化为气相，气　相丙烷经压缩机压缩后用作塔釜的热源。为达到　能量平衡，其中部分丙烷气体经丙烷辅助冷却器，　用于取走塔顶冷凝器的负荷与塔底重沸器负荷的　能量差及压缩机产生多余的功。　根据热泵蒸馏系统关键工艺参数、分离指标　及产品质量的要求，利用Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ流程模拟软　件对丙烯塔热泵流程建立模拟流程，并进行模拟　调试与灵敏度分析，确定了主要操作参数：热泵的　性能系数ＣＯＰ为４．８，效率系数　为４５％，循环　工质的流量为１　６９８　ｋｍｏｌ／ｈ，闪蒸罐压力为　０．８６　ＭＰａ，节流阀出口压力为０．８６　ＭＰａ，压缩机　等熵压缩，出口压力为１．５１　ＭＰａ，辅助冷却器出　口温度为３Ｏ。Ｃ。热泵蒸馏所消耗的能源主要为　电，而常规蒸馏所需主要能源为塔顶冷却水和塔　釜加热蒸汽。按工业能源价格进行估算，其中水　为０．５元／ｔ，１　ＭＰａ蒸汽为２４０元／ｔ，电为　０．６元／（ｋＷ・ｈ）。在以上条件下计算得到丙烯　塔的热泵蒸馏与常规蒸馏模拟结果并进行比较，　结果见表１。　表１　丙烯塔采用热泵蒸馏与常规蒸馏模拟结果的比较　通过以上模拟计算比较结果可知，在满足热　第５期　史文树，等：热泵蒸馏的节能技术与应用　５２７　泵系统主要操作参数的前提下，热泵蒸馏与常规　的。若使热泵蒸馏节能效果显著，应充分考虑热　蒸馏相比，冷凝器节能效率为８３．１２　，再沸器节　泵性能系数ＣＯＰ与效率系数　，并应当确定循环　能效率为８２．８９％。丙烯塔进料８．６　ｔ／ｈ，采用热　工质流量、压缩机出口压力、高压工质节流后压力　泵蒸馏比常规蒸馏节省能耗费用约１　８１２．３元，　３个关键工艺参数。将热泵应用于丙烯蒸馏塔　即能耗下降约６７．３　。通过模拟计算表明，采用　中，利用Ａｓｐｅｎ　Ｐｌｕｓ流程模拟软件，将再沸器液　热泵蒸馏节能效果显著。　体闪蒸式热泵系统与常规蒸馏的模拟结果相比，　通过模拟计算得到了热泵系统丙烯蒸馏塔的　冷凝器节能效率为８３．１２％，再沸器节能效率为　温度分布及汽液相流量分布，并与常规蒸馏进行　８２．８９　，能耗下降约６７．３　。　了比对，模拟结果比较接近，由此可知热泵系统能　很好地应用于单塔常规分离。塔的温度分布如图　参考文献：　５所示。　［１］徐忠，陆恩锡，罗明辉．热泵节能：三种类型热泵的　比较［Ｊ］．化学工程，２００８，３６（１０）：７６—７８．　４ｌ　江浩，张微，顾杰．热泵在蒸馏过程中的应用［Ｊ］．油　３９　气田地面工程，１９９１，１８（６）：２３－２４．　］　］　陆敏菲，］　冯霄．丙烯精馏塔热泵流程的优化［Ｊ］　］　］　］］．石化　　３７　技术与应用，２００７，２５（５）：４２０－４２３．　ｐ　＼　高斌．热泵技术的应用［Ｊ］．石油化工设备技术，　３５　２００７，２８（６）：５２—５３．　３３　冉春雨，王春清，葛风华，等．空气源热泵在寒冷地　区的应用研究［Ｊ］．长春工业大学学报：自然科学版，　３１　２００７，２８（ＳＯ）：１５０－１５５．　Ａｒｉｆ　Ｈａｂｉｂｕｌｌａｈ，Ｆｅｌｉｘ　Ｅ　Ｃｕｍａｒｅ，Ｍｉｃｈｉｈａｒｕ　Ｓａｋａ—　０　４０　８０　１２０　１５０　２００　ｔａ，ｅｔ　ａ１．Ｃｒｕｄ　ｖａｃｕｕｍ　ｄｉｓｔｉｌｌａ　ｌｉｏｎ：ｗｅｔ，ｄｒｙ　ｏｒ　塔板数／块　ｄａｍｐ［Ｃ］／／Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉ０ｎ　ｏｆ　Ｃｈｅｒｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｓｙｍ—　图５丙烯蒸馏塔的温度分布　ｐｏｓｉｕｍ　Ｓｅｒｉｅｓ．Ｐａｓａｄｅｎｓａ：Ｉｓ．ｎ．］，１９９７：５８７—５９９．　５　结　语　朱玉琴，李迓红．高效节能的热泵精馏技术［Ｊ］．发电　设备，２００３，４８（３）：４８—５Ｏ．　热泵蒸馏利用工质吸收蒸馏塔顶蒸汽的相变　Ｈａｒｔｍａｎ　Ｅ　Ｌ．Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｗａｓｈ　ｚｏｎｅ　ｒｅｌｉａｌｉｌｉｔｙ　ｉｎ　热，通过压缩机对工质进行压缩，升压、升温，使其　ｄｅｅｐｃｕｔ　ｖａｃｕｕｍ　ｃｏｌｕｍｎｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｆｒｏｍ　能质得到提高，然后作为再沸器的加热热源，从而　Ｍｉｄｄｌｅ　Ｅａｓｔ　Ｐｅｔｒｏｔｅｅｈ　９６Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｈｉｂｉ—　ｔｉｏｎ．１９９６：２０１－２０７．　　，既节省了蒸馏塔再沸器的加热热源，又降低了蒸　馏塔塔顶冷凝器的冷凝换热负荷，达到节能的目