塔顶气相压缩式热泵工艺流程与参数

2008-12-16 徐忠华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室

塔顶气相压缩式热泵的模拟计算工艺流程如图1所示。

丙烯精馏塔塔顶压力为1.47MPa,塔顶气相采出后,作为循环工质直接进入压缩机,压力提高到2.1MPa,温度上升到56.17℃。该温度较高的循环工质进入塔釜再沸器作为加热介质。换热后温度降低到50.36℃,液化率达到95%左右。该气液混合物再进入水冷器进一步冷却到40℃,此时该工质已全部液化为过冷状态。该液态循环工质出水冷器后分成2股,一股作为产品,另一股作为回流液返回塔内。

图1　塔顶气相压缩式热泵流程示意图

关键工艺参数及其确定原则

关键工艺参数

塔顶气相压缩式热泵的关键工艺参数较釜液节流式热泵数量要略少一些,有3个参数:①塔顶气体采出量,即循环工质流量;②压缩机出口压力;③水冷器工质出口温度。

循环工质流量的确定原则和方法

循环工质流量的确定原则是必须满足丙烯精馏塔的分离要求。由于循环工质最终是分成产品和回流液2股,产品量是固定不变的,因而工质流量愈大,回流量也愈大。而分离精度在塔板数一定条件下取决于回流量,故循环工质流量必须根据分离要求而定。循环工质流量确定必须以基本工况模拟结果为基础。即该流量不得小于基本工况所求出的产品流量和回流量之和。往往需要比该数值略大一些,才能达到所规定的分离要求,故需要在模拟过程中逐步进行调整,以获得较适宜的流量数值。

压缩机出口压力的确定原则和方法

循环工质压缩后压力的确定原则是必须满足再沸器的换热要求。由于采用间接热交换,故需要根据以下2个原则确定:

①传热温差要求,通常要求冷热物料的温差在10℃左右;

②满足热负荷要求,压缩后循环工质的温度必须足以提供塔釜所需的热负荷。

循环工质出口压力确定可以参考基本工况所得到的塔釜再沸器热负荷大小,即出口压力必须高到所能提供的热负荷不小于基本工况得到的热负荷数值。在模拟计算中可采用给定不同压力数值进行试算的方法得到。

水冷器工质出口温度的确定原则和方法

循环工质经塔釜再沸器换热后放出热量、温度降低,但还不能全部液化,故需进入水冷器进一步降低温度。此外该工质一部分为丙烯产品,另一部分作为回流液,节流后进入塔内。节流后入塔物料必须要提供足够的冷量,产生达到分离要求所需的塔内液相流量,这样才能保证塔的分离过程能够正常进行。故水冷后工质出口温度的确定原则为: ①工质冷后温度必须保证回流液能提供足够的冷量,满足塔的分离要求; ②工质节流后温度不得低于塔顶温度。

本例循环工质经塔釜再沸器换热后,温度降低到50.3℃,但此时状态为气液混合物,气相摩尔分数为0.1679。通常的作法是采用水冷器冷却到泡点温度,然后回流液再节流返塔。但这样处理的结果是塔釜的分离要求达不到丙烷摩尔分数为0.97。如果水冷器冷却到40℃再节流进塔,则完全可以满足对釜液中丙烷的摩尔分数要求。然而对比这2个不同温度的循环工质从2.1MPa节流到塔顶压力1.47MPa后,其节流后的温度却完全相同,都是34.41℃。该节流过程有些不可思议,违反常理。

不同温度的工质,怎么节流后温度会一样? 实际上,只要分析一下工质的组成即可知道节流后的温度是必然相同的。由于工质是摩尔分数为0.996的丙烯,几乎是纯组分了。而纯组分只要压力一定,则饱和温度一定。故无论是从什么温度开始,只要节流到相同压力,其温度必定是一样的。既然工质节流后具有相同压力、温度和流量,为什么又会得到不同的分离效果呢? 这就需要更深入的考察和分析。表1给出了冷却到不同温度的工质节流前的焓值。

表1不同温度工质在p=2.1MPa下的焓值