CN112169364A - 一种采用外部循环工质的分馏塔热泵系统 - Google Patents

一种采用外部循环工质的分馏塔热泵系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，所述系统包含烃类的进料物流在分馏塔中被分离成气态的顶部物料和液态的底部物料，所述顶部物料和至少一部分的所述底部物料分别经第一换热单元和第二换热单元换热后返送分馏塔中，所述第一换热单元和第二换热单元的循环工质自外部引入。本发明提供的分馏塔系统配置了采用外部循环工质的热泵系统，相比现有技术中采用分馏塔塔顶物料，增加了热泵分馏的灵活性。

Description

一种采用外部循环工质的分馏塔热泵系统
技术领域
本发明属于化工技术领域，具体地说，涉及一种采用外部循环工质的分馏塔热泵系统。
背景技术
在石化行业的生产过程中，通常涉及将具有相似结构和性能的烃组分分离。例如在传统的丙烯-丙烷分馏塔技术中，由于丙烯和丙烷的沸点非常接近，当采用常规丙烯-丙烷分馏流程对二者加以分离时，通常要求控制较大的回流比以保证分离精度，这使得丙烯精馏单元在装置中的能耗比例偏高，从而导致分离成本偏高。
热泵是在分馏过程中通常采用的一种有效节能技术，通常采用分馏塔顶部的气相物料作为循环工质，通过热泵压缩机实现分馏塔塔底物料再沸和塔顶物料冷凝。该工艺适合于丙烯-丙烷这种沸点相近的分馏系统，可以从烃分离过程中回收大量热量，大幅降低装置生产能耗。但为了使回流温度能够满足塔顶温度控制的要求并解决热泵循环中能量不匹配问题，会增设辅助冷却器对回流液进一步冷却，或将额外循环工质蒸汽送入热泵压缩机的第二阶段，作为其它换热器的热源，然后经过减压循环使用。但该类方案由于塔顶物料所保有热量不稳定，增大了热泵调节的难度。
为了改善上述缺点，增大热泵分馏的灵活性，特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，提高分馏塔热泵分馏的灵活性。对于结构和性能相似的烃组分分离过程，克服了现有常规分离技术中能耗大、热泵能量匹配复杂等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
本发明提供了一种采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，所述系统包含烃类的进料物流10在分馏塔12中被分离成气态的顶部物料14和液态的底部物料16，所述顶部物料14和至少一部分的所述底部物料16分别经第一换热单元22和第二换热单元20换热后返送分馏塔12中，所述第一换热单元22和第二换热单元20的循环工质自外部引入。
本发明的进一步方案为：所述顶部物料14经第一换热单元22换热后液化并冷凝回流，所述至少一部分的底部物料16经第二换热单元20换热后汽化，所述循环工质与第一换热单元22中的顶部物料14换热后，再经升温升压为第二换热单元20中底部物料16的汽化提供热量，所述循环工质在与所述底部物料16换热后，再经节流减压与第一换热单元22换热并汽化，返回压缩机37循环使用；优选的，所述循环工质在第二换热单元20中作为间接热源与底部物料16发生换热。
上述方案中，将包含烃类的进料送至分馏塔，设于塔顶的第一换热单元和设于塔底的第二换热单元的冷源和热源均直接或间接来自于热泵循环，热泵采用外部引入的循环工质，而不采用塔顶物料；在系统开始启动时，在热泵系统中引入循环工质，待系统正常运转时，循环工质被循环使用。循环工质经热泵压缩机升压升温后进入第二换热单元，在塔底的第二换热单元中，循环工质可作为间接热源参与热媒水/循环水循环换热，与分馏塔塔底的液态物料换热。循环工质经第二换热单元换热冷凝之后，高温高压的气态循环工质变成低温高压的液态循环工质，再经过节流减压，与塔顶的气相物料间接换热汽化，汽化后的循环工质返回至热泵压缩机入口，继续循环使用。
本发明的进一步方案为：所述第二换热单元20选自与循环工质直接换热的重沸器，或是选自引入多种物料进行间接换热的换热网络。
本发明的进一步方案为：所述引入多种物料进行间接换热的换热网络选自开式循环水换热单元或闭式热媒水换热单元，所述开式循环水换热单元的循环水从外部引入并排出外部，所述闭式热媒水换热单元的热媒水在封闭水路中循环。
本发明的进一步方案为：所述开式循环水换热单元包括底部物料16与循环水发生换热的再沸器50，以及循环水与循环工质发生换热的换热器56，循环工质通过所述换热器56将热量传递给循环水，加热后的循环水在再沸器50中将热量传递给底部物料16使其气化；所述循环水自开式循环水换热单元外部的循环水池引入，并在发生换热后排出至循环水池。
上述方案中，采用开式循环水换热单元，使用来自热泵压缩机37压缩之后的循环工质来加热循环水系统中的循环给水52’，加热后的循环热水58’作为再沸器50的热源，冷却后的循环冷却水60’返回循环水池，利用循环水泵，将一定量的冷却水自循环水池中送至开式循环水换热单元以供使用，该循环水回路是开式循环。
本发明的进一步方案为：所述闭式热媒水换热单元包括底部物料16与热媒水发生换热的再沸器50，以及热媒水与循环工质发生换热的换热器56，循环工质通过所述换热器56将热量传递给热媒水，加热后的热媒水在再沸器50中将热量传递给底部物料16使其气化；所述热媒水在设有循环泵62的封闭水路中形成闭环回路。
上述方案中，采用闭式热媒水换热单元，使用来自压缩机37压缩之后的循环工质38来加热热媒水回路中的循环热媒水54，由升温后的热媒水58提供再沸器50所需热量，该热媒水回路是闭环回路，因此需要在热媒水封闭水路中设置循环泵62。
本发明的进一步方案为：所述第一换热单元22的循环工质出口经所述压缩机37与第二换热单元20的循环工质入口相连，压缩机37对循环工质做功使其升温升压，所述第二换热单元20的循环工质出口经膨胀阀40与第一换热单元22的循环工质入口相连，调节所述膨胀阀40使得与底部物料16换热后的循环工质节流减压。
上述方案中，将来自外部的循环工质进入压缩机37，循环工质经升温升压后进入第二换热单元20，在第二换热单元20冷凝放热使部分底部物料再沸，循环工质通过冷凝之后，高温高压的气态循环工质变成低温高压的液态循环工质，再经过节流减压，与顶部物料间接换热，汽化后的循环工质返回至热泵压缩机37入口，继续循环使用。
本发明的进一步方案为：所述顶部物料14经第一换热单元22换热后液化并被送入回流罐24，回流罐24出料经回流泵28泵送返回分馏塔12顶和/或作为塔顶产物送出，所述第一换热单元22选自冷凝器。
本发明的进一步方案为：所述至少一部分底部物料16经第二换热单元20再沸汽化后返送回分馏塔12底，其余未经第二换热单元20换热的底部物料16作为塔底产物送出。
上述方案中，分馏塔塔顶物料经过第一换热单元冷凝回流，回流产物中的一部分返送回分馏塔顶，其余部分作为塔顶产物送出；塔底物料的至少一部分经过第二换热单元再沸后返回分馏塔，其余部分作为塔底产物送出。
本发明的进一步方案为：所述循环工质选自单一制冷剂或多种制冷剂的混合物，所述制冷剂或多种制冷剂的混合物仅在开工时加入，待系统正常运转后，不再加入制冷剂；优选的，在长期使用后制冷剂发生损失时，补偿加入制冷剂。
本发明的进一步方案为：在一种实施方式中，制冷剂或多种制冷剂的混合物可与后续分离单元的冷箱形成冷联合，但该方案不是必须的。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明提供的分馏塔热泵系统自外部引入循环工质，与现有技术中利用塔顶物料热量的方案不同，增加了热泵分馏的灵活性；
2.本发明提供的分馏塔热泵系统的第二换热单元中，可采用开式循环水或闭式热媒水换热单元，可根据实际情况调节作为间接换热介质的循环水或热媒水的温度，稳定了换热过程的热量传递。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1是本发明分馏塔系统的连接结构示意图；
图2是本发明闭式热媒水换热单元的连接结构示意图；
图3是本发明开式循环水换热单元的连接结构示意图。
图中主要部件包括：10—含烃进料物料，12—分馏塔，14—顶部物料，16—底部物料，20—第二换热单元，22—第一换热单元，24—回流罐，28—回流泵，37—压缩机，40—膨胀阀。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1～3所示，本发明提供一种采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，提高了分馏塔热泵分馏的灵活性。对于结构和性能相似的烃组分分离过程，克服了现有常规分离技术中能耗大、热泵能量匹配复杂等问题。
实施例1
本实施例中，提供了一种采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，所述系统包含烃类的进料物流10在分馏塔12中被分离成气态的顶部物料14和液态的底部物料16，所述顶部物料14和至少一部分的所述底部物料16分别经第一换热单元22和第二换热单元20换热后返送分馏塔12中，所述第一换热单元22和第二换热单元20的循环工质自外部引入。
本实施例中，所述顶部物料14经第一换热单元22换热后液化并冷凝回流，所述至少一部分的底部物料16经第二换热单元20换热后汽化，所述循环工质与第一换热单元22中的顶部物料14换热后，再经升温升压为第二换热单元20中底部物料16的汽化提供热量，所述循环工质在与所述底部物料16换热后，再经节流减压与第一换热单元22换热并汽化，返回压缩机37循环使用；所述循环工质在第二换热单元20中作为间接热源与底部物料16发生换热。
本实施例中，将包含烃类的进料送至分馏塔，设于塔顶的第一换热单元和设于塔底的第二换热单元的冷源和热源均直接或间接来自于热泵循环，热泵采用外部引入的循环工质，而不采用塔顶物料；在系统开始启动时，在热泵系统中引入循环工质，待系统正常运转时，循环工质被循环使用。循环工质经热泵压缩机升压升温后进入第二换热单元，在塔底的第二换热单元中，循环工质可作为间接热源参与热媒水/循环水循环换热，与分馏塔塔底的液态物料换热。循环工质经第二换热单元换热冷凝之后，高温高压的气态循环工质变成低温高压的液态循环工质，再经过节流减压，与塔顶的气相物料间接换热汽化，汽化后的循环工质返回至热泵压缩机入口，继续循环使用。
本实施例中，所述第二换热单元20选自与循环工质直接换热的重沸器，或是选自引入多种物料进行间接换热的换热网络。
本实施例中，所述第一换热单元22的循环工质出口经所述压缩机37与第二换热单元20的循环工质入口相连，压缩机37对循环工质做功使其升温升压，所述第二换热单元20的循环工质出口经膨胀阀40与第一换热单元22的循环工质入口相连，调节所述膨胀阀40使得与底部物料16换热后的循环工质节流减压。
本实施例中，将来自外部的循环工质进入压缩机37，循环工质经升温升压后进入第二换热单元20，在第二换热单元20冷凝放热使部分底部物料再沸，循环工质通过冷凝之后，高温高压的气态循环工质变成低温高压的液态循环工质，再经过节流减压，与顶部物料间接换热，汽化后的循环工质返回至热泵压缩机37入口，继续循环使用。
本实施例中，所述顶部物料14经第一换热单元22换热后液化并被送入回流罐24，回流罐24出料经回流泵28泵送返回分馏塔12顶和/或作为塔顶产物送出，所述第一换热单元22选自冷凝器。
本实施例中，所述至少一部分底部物料16经第二换热单元20再沸汽化后返送回分馏塔12底，其余未经第二换热单元20换热的底部物料16作为塔底产物送出。
本实施例中，分馏塔塔顶物料经过第一换热单元冷凝回流，回流产物中的一部分返送回分馏塔顶，其余部分作为塔顶产物送出；塔底物料的至少一部分经过第二换热单元再沸后返回分馏塔，其余部分作为塔底产物送出。
本实施例中，所述循环工质选自单一制冷剂或多种制冷剂的混合物，所述制冷剂或多种制冷剂的混合物仅在开工时加入，待系统正常运转后，不再加入制冷剂；优选的，在长期使用后制冷剂发生损失时，补偿加入制冷剂。优选的，所述制冷剂或多种制冷剂的混合物可与后续分离单元的冷箱做形成冷联合。
本实施例中，如图1所示，将包含烃类的进料物流10送至分馏塔12，分馏塔12顶部物料14经过第一换热器22冷凝后一部分经塔顶回流管30冷凝回流至分馏塔12塔顶，一部分作为塔顶产物32送出；底部物料16的一部分经过第二换热单元20再沸后返回分馏塔12，其余部分作为产物送出。其中第一换热器22的冷源和第二换热单元20的热源均来自热泵中的循环工质。热泵循环工质所采用的制冷剂为外部制冷剂34而非塔顶气相物料14，在系统开始运行时，需要从开工制冷剂管路34向热泵系统中加入制冷剂，待系统正常运转后，无需补充制冷剂(为补偿制冷剂损失而加入的制冷剂除外)，制冷剂可循环使用。制冷剂经循环制冷剂管路36进入压缩机37升温升压，之后进入第二换热单元20，同时底部物料16从第二换热单元进料管18进入第二换热单元20再沸后经塔底再沸返料管19进入分馏塔12，制冷剂与第二换热单元20换热冷凝之后，高温高压的气态制冷剂变成低温高压的液态制冷剂，该液态制冷剂经膨胀阀40节流减压，与气相的顶部物料14在第一换热单元22中换热，换热汽化后的制冷剂42返回至热泵压缩机37入口，继续进行制冷循环。制冷剂可根据工艺要求选择单一制冷剂或混合制冷剂。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上的进一步改进：
本实施例中，所述引入多种物料进行间接换热的换热网络选自闭式热媒水换热单元，所述闭式热媒水换热单元的热媒水在封闭水路中循环。
本实施例中，所述闭式热媒水换热单元包括底部物料16与热媒水发生换热的再沸器50，以及热媒水与循环工质发生换热的换热器56，循环工质通过所述换热器56将热量传递给热媒水，加热后的热媒水在再沸器50中将热量传递给底部物料16使其气化；所述热媒水在设有循环泵62的封闭水路中形成闭环回路。
本实施例中，采用闭式热媒水换热单元，使用来自压缩机37压缩之后的循环工质38来加热热媒水回路中的循环热媒水54，由升温后的热媒水58提供再沸器50所需热量，该热媒水回路是闭环回路，因此需要在热媒水封闭水路中设置循环泵62。
本实施例中，如图2所示，在相对高压下，可通过冷却水来冷凝塔顶的气态顶部物料；当采用具有热泵的分馏系统时，可以在相对低压下实现沸点相近的烃类组分的分离，此时塔釜沸点相对较低，可以采用具有适中温度的闭合环路的热媒水循环(热媒水回路)提供第二换热单元再沸所需的热量。本实施例包括使用来自压缩机37压缩之后的循环工质38来加热热媒水回路中的循环热媒水54，然后由升温后的热媒水58提供再沸器50所需的热量，该热媒水回路是闭环回路，为了使热媒水循环，热媒水循环泵62是必须的。对于所述回路，热媒水还可包括但不局限于为了补偿水损失的水补给罐以及为了使过渡阶段(启动、关闭等)期间未使用的热消散的空气冷却器。
实施例3
本实施例是在实施例1的基础上的进一步改进：
本实施例中，所述引入多种物料进行间接换热的换热网络选自开式循环水换热单元，所述开式循环水换热单元的循环水从外部引入并排出外部。
本实施例中，所述开式循环水换热单元包括底部物料16与循环水发生换热的再沸器50，以及循环水与循环工质发生换热的换热器56，循环工质通过所述换热器56将热量传递给循环水，加热后的循环水在再沸器50中将热量传递给底部物料16使其气化；所述循环水自开式循环水换热单元外部的循环水池引入，并在发生换热后排出至循环水池。
本实施例中，采用开式循环水换热单元，使用来自热泵压缩机37压缩之后的循环工质来加热循环水系统中的循环给水52’，加热后的循环热水58’作为再沸器50的热源，冷却后的循环冷却水60’返回循环水池，利用循环水泵，将一定量的冷却水自循环水池中送至开式循环水换热单元以供使用，该循环水回路是开式循环。
本实施例中，如图3所示，当热媒水温位不匹配时，可以采用开式循环水循环提供再沸所需的热量。本实施例包括使用来自压缩机37压缩之后的循环工质38来加热循环水系统中的循环给水52’(取自循环水池)，加热后的循环热水58’作为再沸器50的热源，而非常规工艺流程上的冷水塔，冷却后的循环冷却水60’可以返回循环水池。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，其特征在于，包含烃类的进料物流(10)在分馏塔(12)中被分离成气态的顶部物料(14)和液态的底部物料(16)，所述顶部物料(14)和至少一部分的所述底部物料(16)分别经第一换热单元(22)和第二换热单元(20)换热后返送分馏塔(12)中，所述第一换热单元(22)和第二换热单元(20)的循环工质自外部引入。
2.根据权利要求1所述采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，其特征在于，所述顶部物料(14)经第一换热单元(22)换热后液化并冷凝回流，所述至少一部分的底部物料(16)经第二换热单元(20)换热后汽化，所述循环工质与第一换热单元(22)中的顶部物料(14)换热后，再经升温升压为第二换热单元(20)中底部物料(16)的汽化提供热量，所述循环工质在与所述底部物料(16)换热后，再经节流减压与第一换热单元(22)换热并汽化，返回压缩机(37)循环使用；
优选的，所述循环工质在第二换热单元(20)中作为间接热源与底部物料(16)发生换热。
3.根据权利要求2所述采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，其特征在于，所述第二换热单元(20)选自与循环工质直接换热的重沸器，或是选自引入多种物料进行间接换热的换热网络。
4.根据权利要求3所述采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，其特征在于，所述引入多种物料进行间接换热的换热网络选自开式循环水换热单元或闭式热媒水换热单元，所述开式循环水换热单元的循环水从外部引入并排出外部，所述闭式热媒水换热单元的热媒水在封闭水路中循环。
5.根据权利要求4所述采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，其特征在于，所述开式循环水换热单元包括底部物料(16)与循环水发生换热的再沸器(50)，以及循环水与循环工质发生换热的换热器(56)，循环工质通过所述换热器(56)将热量传递给循环水，加热后的循环水在再沸器(50)中将热量传递给底部物料(16)使其气化；所述循环水自开式循环水换热单元外部的循环水池引入，并在发生换热后排出至循环水池。
6.根据权利要求4所述采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，其特征在于，所述闭式热媒水换热单元包括底部物料(16)与热媒水发生换热的再沸器(50)，以及热媒水与循环工质发生换热的换热器(56)，循环工质通过所述换热器(56)将热量传递给热媒水，加热后的热媒水在再沸器(50)中将热量传递给底部物料(16)使其气化；所述热媒水在设有循环泵(62)的封闭水路中形成闭环回路。
7.根据权利要求2所述采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，其特征在于，所述第一换热单元(22)的循环工质出口经所述压缩机(37)与第二换热单元(20)的循环工质入口相连，压缩机(37)对循环工质做功使其升温升压，所述第二换热单元(20)的循环工质出口经膨胀阀(40)与第一换热单元(22)的循环工质入口相连，调节所述膨胀阀(40)使得与底部物料(16)换热后的循环工质节流减压。
8.根据权利要求1～7任意一项所述采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，其特征在于，所述顶部物料(14)经第一换热单元(22)换热后液化并被送入回流罐(24)，回流罐(24)出料经回流泵(28)泵送返回分馏塔(12)顶和/或作为塔顶产物送出，所述第一换热单元(22)选自冷凝器。
9.根据权利要求1～7任意一项所述采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，其特征在于，所述至少一部分底部物料(16)经第二换热单元(20)再沸汽化后返送回分馏塔(12)底，其余未经第二换热单元(20)换热的底部物料(16)作为塔底产物送出。
10.根据权利要求1～7任意一项所述采用外部循环工质的分馏塔热泵系统，其特征在于，所述循环工质选自单一制冷剂或多种制冷剂的混合物，所述制冷剂或多种制冷剂的混合物仅在开工时加入，待系统正常运转后，不再加入制冷剂；
优选的，在长期使用后制冷剂发生损失时，补偿加入制冷剂；
优选的，所述制冷剂或多种制冷剂的混合物可与后续分离单元的冷箱形成冷联合。
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