CN104857903A - 一种含反应精馏和串联放热反应器的化学热泵装置 - Google Patents

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一种含反应精馏和串联放热反应器的化学热泵装置，其包括：塔釜再沸器的物料蒸发至反应精馏塔反应精馏塔的下部装填催化剂包，反应后的产物进入塔顶冷凝器，再经压缩机进入串联的多级回热器升温，由最后一级回热器通过加热器加热至最高反应温度后进入串联的多级放热反应器的第一级放热反应器，物料在第一级放热反应器中达到平衡反应转化率并释放反应热后进入最后一级回热器将热量部分转移并降低温度后，物料进入多级放热反应器的第二级放热反应器，再次达到平衡并释放反应热后，在倒数第二级回热器中降温并进入第三级放热反应器，达到更高转化率的平衡并释放反应热；最后一级放热反应器出口的物料在第一级回热器中降温后回到反应精馏塔实现循环。

Description

一种含反应精馏和串联放热反应器的化学热泵装置
技术领域
本发明涉及一种可用于低温余热回收利用的化学热泵装置，更具体地涉及一种包含反应精馏塔和串联放热反应器的化学热泵装置。
背景技术
随着我国经济的快速发展，能源短缺及能源利用过程中产生的环境污染问题日益凸显。而在工业生产过程中，大量的小于100℃的低温余热，如低温烟气和冷凝水等，却不能被利用而白白浪费掉。因此，加强低温余热的回收利用是提高能源利用效率、节能减排的重要途径和有效手段。热泵是一种利用低品位热源，实现将热量从低温热源向高温热源泵送的循环系统，可以提升余热品位，输出更容易被利用的高品位热能。化学热泵是利用一对可逆吸/放热化学反应，将低品位热源的热能以化学能的形式回收储存起来，然后在较高温度下释放出来用于供热、制冷、干燥及发电等，实现能量的品位提升和利用。化学热泵具有温度适应范围宽、温度提升能力高、具备能量储存功能等优点，特别适用于间歇性及不稳定性低温余热资源深度利用，具有广阔应用前景。
Prevost和Bugarel（International Seminar on Thermochemical EnergyStorage,Stockholm1980,95-111）提出了一种异丙醇/丙酮/氢气-化学热泵（isopropanol-acetone-hydrogen chemical heat pump，IAH-CHP）。在该系统中，异丙醇在吸热反应器中吸收约90℃的低温余热的热量发生脱氢反应生成丙酮和氢气，反应后进入精馏塔，塔底再沸器同样吸收低温余热驱动精馏塔将反应产物及未反应的异丙醇进行分离，塔底产物异丙醇经泵返回吸热反应器，塔顶产物丙酮和氢气从冷凝器流出经压缩机压缩和回热器升温后进入放热反应器，放热反应器中丙酮与氢气在180-220℃的高温下发生反应生成异丙醇，产物经回热器后返回精馏塔。在吸热反应器及精馏塔塔釜再沸器中输入低温余热，而在放热反应器中产生的高温热量被回收利用。
上述系统利用吸热的异丙酮脱氢和放热的丙酮加氢这一对可逆反应，可将约90℃的低温余热提升至最高220℃。但由于两个反应均为平衡反应，且在上述温度条件下转化率低，精馏塔能耗高，输出高温热量不足，系统热效率（输出的高温热量与输入的低温热量之比）低。难以满足低温余热的深度利用需求。
最主要的缺陷是：
1）在上述系统操作条件下，两个反应的转化率较低，精馏塔能耗高，需要输入的低温余热量高，输出的高温热量不足，系统热效率低。且由于丙酮加氢为热力学限制的平衡反应，温度越高转化率越低，当所需输出热量的温度升高时，转化率下降，系统热效率下降，因此该系统不适用于提升温度较高的情况。
2）各部件之间物料泵送耗功较大；系统较复杂，操作调控难度大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含反应精馏和串联放热反应器的化学热泵装置，以克服公知技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供的含反应精馏和串联放热反应器的化学热泵装置，其包括：
塔釜再沸器的物料蒸发至反应精馏塔，反应精馏塔的下部装填催化剂包，发生化学反应后产物进入塔顶冷凝器，，再经压缩机进入串联的多级回热器升温，由最后一级回热器通过加热器加热至最高反应温度后进入串联的多级放热反应器的第一级放热反应器，物料在第一级放热反应器中达到平衡反应转化率并释放反应热后进入最后一级回热器将热量部分转移并降低温度后，物料进入多级放热反应器的第二级放热反应器，再次达到平衡并释放反应热后，在倒数第二级回热器中降温并进入第三级放热反应器，达到更高转化率的平衡并释放反应热；最后一级放热反应器出口的物料在第一级回热器中降温后回到反应精馏塔实现循环。
所述含反应精馏和串联放热反应器的化学热泵装置中，该化学热泵装置适用于异丙醇/丙酮/氢气体系或叔丁醇/乙烯/水反应体系。
所述含反应精馏和串联放热反应器的化学热泵装置中，串联的放热反应器和串联的回热器可由轴向一定间隔装有多个冷凝管的单个放热反应器代替。
所述含反应精馏和串联放热反应器的化学热泵装置中，串联的放热反应器的数量可根据需要任意设置，且两个相邻的放热反应器之间的温差应大于20℃，同时调整回热器的数量。
本发明的有益效果：
a、本发明采用反应精馏大幅度提高了吸热反应转化率，减小了精馏塔的热损失，降低了精馏塔的能耗，提高了系统热效率；
b、本发明采用温度递减的串联放热反应器大幅提高了放热反应的转化率，增加了系统输出的高温热量，提高了系统的热效率；
c、本发明将已有技术中的吸热反应器与精馏塔整合，使系统更加简单，减少了部件之间的泵送功耗；
d、本发明采用温度递减的串联放热反应器，在不同反应器中输出不同温度的热能，可满足不同热用户的需求；
e、本发明采用温度递减的串联放热反应器，当所需输出热量的温度升高时，可提高第一级反应器的温度，保持最后一级反应器温度不变，在保证输出温度增加的同时，可维持反应转化率不变，系统热效率不变；
f、本发明除可使用异丙醇/丙酮/氢气外，也可使用叔丁醇/乙烯/水反应体系。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
附图中主要组件符号说明：
塔釜再沸器1，反应精馏塔2，塔顶冷凝器3，压缩机4，回热器5、6、7，加热器8，放热反应器9、10、11。
具体实施方式
请结合图1，是本发明提供的化学热泵装置结构示意图。
本发明的化学热泵装置中，塔釜再沸器1连接反应精馏塔2，反应精馏塔2的下部装填催化剂包（图中未示），塔釜再沸器1的物料蒸发进入反应精馏塔2，发生化学反应后产物进入塔顶冷凝器3，再经压缩机3进入串联的多级回热器（本实施例中是以三级回热器，即串联的第一级回热器5、第二级回热器6、第三级回热器7为例）升温，并由第三级回热器7通过加热器8加热至最高反应温度后进入串联的多级放热反应器中（本实施例中是以三级放热反应器，即串联的第一级放热反应器9、第二级放热反应器10、第三级放热反应器11为例）的第一级放热反应器9，物料在第一级放热反应器9中达到平衡反应转化率并释放反应热后进入第三级回热器7将热量部分转移并降低温度后，物料进入第二级放热反应器10，再次达到平衡并释放反应热后，在第二级回热器6中降温并进入第三级放热反应器11，达到更高转化率的平衡并释放反应热；第三级放热反应器11出口的物料在第一级回热器5中降温后回到反应精馏塔2实现循环。需要说明的是，本发明的串联的放热反应器的个数和温度可根据实际需要设置，两个相邻的放热反应器之间的温差应大于20℃，同时对回热器的级数也相应地调整。本发明的串联的放热反应器和串联的多级回热器可以用轴向一定间隔装有多个冷凝管的单个放热反应器来代替。
实施例：
液体异丙醇存放在塔釜再沸器1中，吸收约90℃的低温余热后蒸发至反应精馏塔2，反应精馏塔2的下部装填催化剂包，异丙醇发生脱氢反应生成丙酮和氢气的同时，未反应的异丙醇和反应产物（丙酮和氢气）得到分离，塔顶冷凝器3中得到较纯的丙酮和氢气，再经压缩机4提供动力后，再经多级回热器5、6、7升温，最后在加热器8中加热至最高反应温度220℃，然后进入第一级放热反应器9，达到平衡反应转化率并释放反应热后，进入第三级回热器7将热量部分转移并降低温度至190℃，物料进入第二级放热反应器10，再次达到平衡并释放反应热后，在第二级回热器6中降温至160℃进入第三放热反应器11，达到更高转化率的平衡并释放反应热，出口物料在第一级回热器5中降温后回到反应精馏塔4，异丙醇再次反应并与丙酮氢气分离，实现装置的循环。90-130℃的低温热流依次经放热反应器11、10和9内设的换热盘管将反应热吸收，使自身温度升高至最高220℃。
上述实施例中，可以将异丙醇/丙酮/氢气体系改为叔丁醇/乙烯/水反应体系。

Claims (4)

1.一种含反应精馏和串联放热反应器的化学热泵装置，其包括：
塔釜再沸器的物料蒸发至反应精馏塔反应精馏塔的下部装填催化剂包，反应后的产物进入塔顶冷凝器，再经压缩机进入串联的多级回热器升温，由最后一级回热器通过加热器加热至最高反应温度后进入串联的多级放热反应器的第一级放热反应器，物料在第一级放热反应器中达到平衡反应转化率并释放反应热后进入最后一级回热器将热量部分转移并降低温度后，物料进入多级放热反应器的第二级放热反应器，再次达到平衡并释放反应热后，在倒数第二级回热器中降温并进入第三级放热反应器，达到更高转化率的平衡并释放反应热；最后一级放热反应器出口的物料在第一级回热器中降温后回到反应精馏塔实现循环。
2.根据权利要求1所述含反应精馏和串联放热反应器的化学热泵装置，其中，该化学热泵装置适用于异丙醇/丙酮/氢气体系或叔丁醇/乙烯/水反应体系。
3.根据权利要求1所述含反应精馏和串联放热反应器的化学热泵装置，其中，串联的放热反应器和串联的回热器是轴向一定间隔装有多个冷凝管的单个放热反应器。
4.根据权利要求1所述含反应精馏和串联放热反应器的化学热泵装置，其中，串联的放热反应器的数量根据需要任意设置，且两个相邻的放热反应器之间的温差应大于20℃，同时调整回热器的数量。
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