CN103017411B - 一种蒸馏用高温热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蒸馏用高温热泵系统，该系统可产生用于加热蒸馏塔底部物料的高温蒸汽，同时系统产生的冷量可用于冷凝塔顶产出物。本发明将热泵系统通过两个换热器与蒸馏系统相连，通过热泵的蒸发器将蒸馏塔上部蒸馏出的气体冷却，吸收气体中的潜热，并将这部分热量通过热泵循环供给到塔底的加热侧。该发明的创新点在于使用涡流管将加热塔底物料的制冷剂温度提高至150℃，极大的拓宽了热泵在蒸馏系统中的应用场合。
Description
技术领域
本发明属于机械工程技术领域，涉及一种能量回收与节能的蒸馏用高温热泵系统。
背景技术
工业能耗中，化学工业占很大的比例，精馏是化工过程中最重要且应用最广泛的分离操作。精馏过程能耗大，热力学效率低，很多工厂的精馏工段总效率低于10%。
石油化工装置有2个主要的基本过程：反应过程和分离过程。通常，分离过程的能耗要占装置总能耗的80%左右。精馏是分离过程中最常用和有效的方法，以热能的消耗来分离提纯化工产品。由于该过程的不可逆性很大，过程的热力学效率很低，故整个精馏过程的能耗很大。精馏过程的能耗占整个石油化工装置总能耗的60%左右，精馏过程中的节能对整个石化行业的节能具有重要意义。
尽管大多数工业精馏装置的能源利用率不足10%，但由于常规蒸馏塔设备简单，投资低，因而至今仍被人们广泛的使用。随着能源价格逐渐上涨，这种传统的工业装置和设备已受到来自能源领域的强有力挑战。在许多情况下，采用以产品物流预热原料、增加塔板数、降低回流量、小温差换热器、适宜的保温材料和高效填料等方式可以进行节能，但这些简单易行的节能方法在很大程度上受限制。
热泵技术利用少量高品位的机械能，驱动压缩机进行制冷循环，将热量从较低温度的热源中提取后加热其它介质，即通过消耗少量的高品位能量，将低品位能量提升为高品位能量。热泵技术的优势在于能利用40℃-50℃的较低温度的热源，产生高达80℃-95℃的热水，将本来作为废热排放的能量提供给需要消耗大量热能的场合，极大的增加了能量的利用率，在节能环保方面具有巨大的优势。
目前在热泵行业中，多数只是单纯的用来供冷或是供热，热泵系统提供的是单纯的冷量或热量。热泵常用来为房间或是工厂提供所需的热量，通过吸收低温热源的能量来加热空气或水，满足一般的需热应用。在蒸馏系统中，蒸馏塔同时需要冷量和热量的供给，将热泵系统和蒸馏系统结合，可同时利用热泵系统的冷量和热量，减少了加热蒸汽和冷却水的供应，极大地降低了整个蒸馏系统的能耗。
在整个蒸馏过程中，精馏塔底部的物料采用高温蒸汽加热使各组分分离，分离后的各组分在蒸馏塔顶部经过冷凝后导出蒸馏塔。在整个系统中，既需要底部有大量热量的加入，又需要在蒸馏塔的顶部加入一定的冷量。常规的精馏塔循环中，热量与冷量的供应需要两套系统来满足，所需的能耗主要集中在这两套系统上，特别是在塔底的加热系统上。
考虑到热泵系统的蒸发器和冷凝器是吸热和放热的两个过程，将热泵系统与蒸馏系统联系起来可同时满足制冷与制热的要求，可有效的降低蒸馏系统的能耗。将常规的热泵系统与精馏系统相结合可有限降低精馏系统的能耗，但是蒸馏系统底部需要温度在130℃以上的加热蒸汽才能满足蒸馏的要求，而常规的热泵系统所能提供的温度在80℃-95℃。直接将热泵系统与蒸馏系统连接在一起，精馏塔顶与塔底的较大温差将导致热泵系统的实际功耗较大，且对热泵的稳定运行带来不利。
发明内容
本发明的目的在于解决将热泵系统应用于精馏系统中存在的问题，提供了一种运行效率高，可有效减低化工蒸馏系统能耗的蒸馏用高温热泵系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括串联的低压级压缩机和高压级压缩机，高压级压缩机的出口连接有将高压级压缩机的介质分离为高温介质及低温介质的涡流管，低温介质经管路与高压级压缩机的吸气端相连，高温介质经冷凝器的加热端与制冷剂分离器相连，冷凝器的换热端与蒸馏塔底部相连构成闭合循环回路加热蒸馏塔的待加热物料，蒸馏塔冷凝介质出口与蒸发器冷凝端入口相连，蒸发器冷凝端出口与蒸馏塔冷凝介质入口相连构成闭合的冷凝循环回路，蒸发器热端与制冷剂分离器的入口相连，制冷剂分离器的气体出口与低压级压缩机的吸气端相连，制冷剂分离器的液体出口与蒸发器热端入口相连。
所述的制冷剂分离器的入口管路上安装有喷射器，冷凝器、蒸发器的出口分别与喷射器的入口相连。
所述的蒸发器与蒸馏塔之间还安装有冷凝分离器，冷凝分离器的液体出口经泵、电磁阀与蒸馏塔相连通。
所述的冷凝分离器的气体出口管路上依次安装有经压缩机和热交换器，涡流管的低温介质经热交换器与高压级压缩机的吸气端相连。
所述的高温介质的温度为150℃，低温介质的温度为70℃。
由于精馏塔的塔顶和塔底较大的温度差异，考虑到在热泵循环中蒸发压力与冷凝压力差异太大带来的较大压比，本发明将热泵系统的压缩机分为高低压两级压缩。低压级压缩机吸收来自制冷剂气液分离器的气体，压缩后与来自涡流管低压的制冷剂混合后进入高压级压缩机。两级压缩的设置，避免了压比过大造成的压缩机效率下降，同时高压级压缩机入口喷液降低了高压级压缩机的吸气温度，有利于压缩机的稳定运行。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括串联的低压级压缩机1和高压级压缩机2，高压级压缩机2的出口连接有将高压级压缩机的介质分离为150℃高温介质及70℃低温介质的涡流管3，高温介质经冷凝器5的加热端与制冷剂分离器9相连，冷凝器5的换热端与蒸馏塔13底部相连构成闭合循环回路加热蒸馏塔的待加热物料，蒸馏塔13冷凝介质出口与蒸发器7冷凝端入口相连，蒸发器7冷凝端出口安装有冷凝分离器10，冷凝分离器的液体出口经泵11、电磁阀12与蒸馏塔13相连通，冷凝分离器10的气体出口管路上依次安装有压缩机6和热交换器4，涡流管3的低温介质经热交换器4与高压级压缩机2的吸气端相连，蒸发器7热端出口经喷射器8与制冷剂分离器9的入口相连，冷凝器5加热端出口与喷射器8的入口相连后与蒸发器7的介质混合后进入制冷剂分离器9，制冷剂分离器9的液体出口与蒸发器7热端入口相连，制冷剂分离器9的气体出口与低压级压缩机1的吸气端相连。
本发明将高压级压缩机2的130℃排气通过涡流管3后分离成70℃和150℃的两股流体，70℃的流体通过一个热交换器4吸收来自蒸馏产出气体的热量后进入高压级压缩机2的吸气端，150℃的流体通过冷凝器5将热量释放到蒸馏塔13的待加热物料中。经冷凝器5冷凝后的制冷剂经过喷射器8的降压后进入制冷剂分离器9，制冷剂气液态在制冷剂分离器9中分离后，气态制冷剂经热泵回气管路进入低压级压缩机1吸气口进行新的热力循环；液态制冷剂则进入蒸发器10冷却蒸馏塔的产出物，吸收热量后经喷射器8引射口与来自冷凝器5的制冷剂混合后进入制冷剂分离器9。
本发明将热泵系统与蒸馏系统区分开来设计，通过两个换热器将两套系统相连，系统间只进行热量的交换，避免了不同蒸馏介质对热泵系统的影响。对于蒸馏塔底部的待加热物料，通过引入来自涡流管的150℃制冷剂蒸汽，经过冷凝器的热交换作用，可获得温度为126℃的物料；对于塔顶蒸馏产出物的冷凝，将其导入热泵系统的蒸发器7中，将其热量释放给低温的制冷剂，使其自身的温度降至100℃后进入冷凝分离器10进行下一步分离。
涡流管的使用，将压缩机的130℃排气分为150℃和70℃两部分的流体。考虑到加热蒸馏塔物料需要较高的温度，为满足该要求而一味的提高压缩机的排气温度既减低了压缩机的效率，又对整个热泵循环的稳定运行带来隐患。使用涡流管将压缩机的排气温度提高到150℃，用这部分相对高温高压的流体加热塔底物料，既保证了热泵系统的稳定运行，同时满足了整个蒸馏系统的热量供应。涡流管中70℃的相对低温低压的流体，经过换热器吸收来自蒸馏塔产出物的热量后节流进入高压级压缩机的吸气口。将该部分制冷剂与低压级压缩机排气混合后进入高压级压缩机，该设计降低了高压级压缩机的吸气温度，避免了吸气温度过高给高压级压缩机稳定运行带来的挑战。
将喷射器作为热泵系统的节流元件。喷射器结构简单、成本低、无运动部件、适应两相流工况，不直接消耗机械能就能够提高引射流体的压力，可有效的减少可用能损失。采用喷射器代替常规热泵循环中的节流元件，能更好的与蒸馏系统的工作特性相吻合，极大的提高了热泵系统的运行特性。
系统针对蒸馏系统的特性设定了不同的温度区间，如冷凝段的150℃、蒸发段的90℃以及涡流管出口的70℃。不同的温度选择使得换热器能在较高的效率下工作，既回收了被冷却介质所包含的潜热，又利用该部分热量加热了待加热的物料，节省了大量的能耗，对整个蒸馏系统的节能具有重要作用。
Claims (5)
1.一种蒸馏用高温热泵系统，其特征在于：包括串联的低压级压缩机(1)和高压级压缩机(2)，高压级压缩机(2)的出口连接有将高压级压缩机的介质分离为高温介质及低温介质的涡流管(3)，低温介质经管路与高压级压缩机(2)的吸气端相连，高温介质经冷凝器(5)的加热端与制冷剂分离器(9)相连，冷凝器(5)的换热端与蒸馏塔(13)底部相连构成闭合循环回路加热蒸馏塔的待加热物料，蒸馏塔(13)冷凝介质出口与蒸发器(7)冷凝端入口相连，蒸发器(7)冷凝端出口与蒸馏塔(13)冷凝介质入口相连构成闭合的冷凝循环回路，蒸发器(7)热端与制冷剂分离器(9)的入口相连，制冷剂分离器(9)的气体出口与低压级压缩机(1)的吸气端相连，制冷剂分离器(9)的液体出口与蒸发器(7)热端入口相连。
2.根据权利要求1所述的蒸馏用高温热泵系统，其特征在于：所述的制冷剂分离器(9)的入口管路上安装有喷射器(8)，冷凝器(5)、蒸发器(7)的出口分别与喷射器(8)的入口相连。
3.根据权利要求1所述的蒸馏用高温热泵系统，其特征在于：所述的蒸发器(7)与蒸馏塔(13)之间还安装有冷凝分离器(10)，冷凝分离器的液体出口经泵(11)、电磁阀(12)与蒸馏塔(13)相连通。
4.根据权利要求3所述的蒸馏用高温热泵系统，其特征在于：所述的冷凝分离器(10)的气体出口管路上依次安装有压缩机(6)和热交换器(4)，涡流管(3)的低温介质经热交换器(4)与高压级压缩机(2)的吸气端相连。
5.根据权利要求1所述的蒸馏用高温热泵系统，其特征在于：所述的高温介质的温度为150℃，低温介质的温度为70℃。
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