CN115430166A - 一种蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔的工艺系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热泵精馏技术领域，提供一种蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔的工艺系统及方法。利用高压蒸汽驱动的透平机产生电能，来供给隔壁塔塔顶蒸汽再压缩的压缩机，之后高压蒸汽用作隔壁塔的热源，最终利用朗肯循环将流程中的所有余热进行回收。本发明的目的是针对隔壁塔顶塔釜巨大温差引起热泵精馏的经济性不佳，转换了热泵精馏中压缩机的用能形式。以高压蒸汽作为动力来驱动透平机，并且与朗肯循环形成一个新的热力学循环，提高了隔壁塔分离的经济型，降低了能耗。
Description
技术领域
发明属于热泵精馏技术领域，尤其涉及一种蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔的工艺系统及方法。
背景技术
隔壁塔是一种精馏过程的强化技术，用于分离三元物系，它是通过在精馏塔的内部设置挡板，将其分为预分离部分和主分离部分，与传统的两塔序列相比，其能耗和设备费用可以有效地节省。
热泵精馏是将塔顶蒸汽升温升压用作塔釜再沸器的热源，以回收塔顶蒸汽的冷凝潜热，它在分离近沸点物系上有较好的经济性。但是隔壁塔由于其塔顶塔釜的巨大温差，导致热泵精馏在隔壁塔上的应用有限，因此有必要对隔壁塔开发新的热泵循环，使隔壁塔的经济性和节能性进一步提升，并且拓宽隔壁塔的能量利用模式和热耦合范围。
为了使热泵辅助隔壁塔更加经济与节能，对其常规的改造包括塔顶蒸汽加热隔壁塔中中间换热器，隔壁塔塔顶蒸汽分流压缩，塔顶蒸汽多级压缩等。但是这些改造在精馏内部，难于控制。有必要探索新的隔壁塔节能工艺。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔节能工艺系统及方法，不仅可以使隔壁塔分离更加节能，而且利用朗肯循环形成了一个新的热力学循环，拓宽了传统工艺中的能量利用模式，使热泵精馏在隔壁塔中应用更加经济与节能。
实现本发明目的的技术方案为：
本发明的一种蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔的改造工艺，高压蒸汽驱动透平产生的电能与塔顶蒸汽再压缩式隔壁塔顶压缩机消耗的电能相等，以此代替传统的电力驱动式压缩机。高压蒸汽的乏气随后用作隔壁塔的热源，最终高压蒸汽的余热以及隔壁塔顶蒸汽的余热进入朗肯循环中产生高品位的电能。
本发明的第一方面是提供了一种蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔的工艺系统，包括隔壁塔、压缩机、朗肯循环单元、蒸汽驱动透平机、分流器、再沸器及补充再沸器；
所述朗肯循环单元包括依次连接的蒸发器、补充蒸发器、朗肯循环透平机、冷凝器及泵，所述泵的出口管线连接所述蒸发器的冷流股进口，所述蒸发器的冷流股出口管线连接补充蒸发器的冷流股进口，所述补充蒸发器的冷流股出口管线连接所述朗肯循环透平机的进口，所述朗肯循环透平机的出口管线连接所述冷凝器的进口，所述冷凝器的出口管线连接所述泵的入口；
所述隔壁塔的塔顶蒸汽出口管线连接所述压缩机的进口，所述压缩机的出口连接再沸器的热流股进口，所述再沸器的热流股出口连接所述蒸发器的热流股进口，所述蒸发器的热流股出口管线通过节流阀连接所述分流器的进口，所述分流器的第一出口连接所述隔壁塔的塔顶回流入口；所述隔壁塔的塔釜出口管线连接所述补充再沸器的冷流股进口，所述补充再沸器的冷流股出口管线连接所述再沸器的冷流股进口，所述再沸器的冷流股出口管线连接所述隔壁塔的塔釜返回蒸汽入口；
所述蒸汽驱动透平机的蒸汽出口管线连接所述补充再沸器的热流股进口，所述补充再沸器的热流股出口管线连接所述补充蒸发器的热流股进口。
本发明的第二方面是提供了所述的蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔工艺系统的工艺方法，待分离物料进入隔壁塔中的预分离塔进行分离，隔壁塔的塔顶蒸汽通过压缩机进行压缩，以回收冷凝潜热，之后在再沸器中加热隔壁塔的塔釜液体，塔釜液体在补充再沸器和再沸器吸收热量后返回隔壁塔内，隔壁塔的塔顶蒸汽在加热完塔釜液体后，在蒸发器中预热朗肯循环的工质，最后通过分流器后返回隔壁塔的塔顶；
高压蒸汽驱动蒸汽驱动透平机，产生与压缩机相等的功，随后用作补充再沸器的热源加热隔壁塔的塔釜液体，最终在补充蒸发器中加热工质，用作朗肯循环的热源；
在朗肯循环中，工质进入泵，相继吸收蒸发器和补充蒸发器的热量，之后进入朗肯循环透平机中做功产生电能，朗肯循环透平机出口处的乏气进入冷凝器中被冷却为液体，之后再返回泵，如此不断地循环下去以源源不断地产生电能。
进一步地，所述待分离物料为苯、甲苯、对二甲苯混合物的宽沸点物系。
进一步地，所述隔壁塔的主塔塔板数为35～80块，隔壁塔的副塔塔板数为10～30块，所述隔壁塔的进料位置位于第1～80块板，所述隔壁塔的隔板位置位于第5～20块板，所述隔壁塔侧线采出位于主塔的第10～35块板。
进一步地，所述朗肯循环中，进入泵的工质为R600A，状态为冷凝温度15℃下的饱和液体，朗肯循环透平机出口处的工质状态为15℃时的饱和气体，蒸发器热流股出口气相分率为0，朗肯循环中的蒸发压力为工质的亚临界状态。
进一步地，苯、甲苯和对二甲苯的混合物按照其摩尔比为1:3:1的比例从所述隔壁塔的预分离塔进入，经分离后塔顶得到产物苯，侧线得到产物甲苯，塔底得到产物对二甲苯，在分离的过程中，隔壁塔塔顶蒸汽的温度为60～100℃，塔底馏出液的温度为100～160℃，塔顶冷凝液的回流比为1～10，隔壁塔塔顶压缩机的压缩比为5.4-7。
本发明的优点和有益效果：
1.本发明提供了一种蒸汽驱动热泵精馏，对蒸汽压缩机的形式进行了改造，同时对蒸汽进行了梯级利用。高压蒸汽作为动力首先驱动透平机，之后作为精馏塔的塔釜再沸器的热源，最后补充作为朗肯循环的热源，充分利用了蒸汽的能量。
2.本发明拓宽了热泵辅助隔壁塔的能量利用模式，利用高压蒸汽的动力以及热量，来供给隔壁塔用能，首先利用蒸汽压缩机代替传统电力驱动的压缩机辅助隔壁塔，之后高压蒸汽亦作为隔壁塔塔釜热源，最后乏气补充作为朗肯循环的热源，产生高品位的电能。
3.本发明以高压蒸汽作为动力来驱动透平机，高压蒸汽驱动透平产生的电能与塔顶蒸汽再压缩式隔壁塔顶压缩机消耗的电能相等，以此代替传统的电力驱动式压缩机。并且与朗肯循环形成一个新的热力学循环，提高了隔壁塔分离的经济型，降低了能耗。
附图说明
图1是蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔分离苯、甲苯、对二甲苯工艺流程图。
1-隔壁塔；1-1-预分离塔；2-压缩机；3-分流器；4-蒸发器；5-补充蒸发器；6-朗肯循环透平机；7-冷凝器；8-泵；9-再沸器；10-补充再沸器；11-蒸汽驱动透平机；12-节流阀；A-苯、甲苯、对二甲苯混合物；B-苯；C-甲苯；D-对二甲苯；E-高压蒸汽。
图2是蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔分离苯、甲苯、对二甲苯工艺流程图。
1-隔壁塔；1-1-预分离塔；14-塔顶冷凝器；15-塔釜再沸器；A-苯、甲苯、对二甲苯混合物；B-苯；C-甲苯；D-对二甲苯。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
如图1所示，一种蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔工艺系统，包括隔壁塔1、压缩机2、朗肯循环单元、蒸汽驱动透平机11、分流器3、再沸器9及补充再沸器10。所述再沸器9具有冷流股进口、冷流股出口、热流股进口、热流股出口。所述补充再沸器10具有冷流股进口、冷流股出口、热流股进口、热流股出口。
所述朗肯循环单元包括依次连接的蒸发器4、补充蒸发器5、朗肯循环透平机6、冷凝器7及泵8。所述蒸发器4具有冷流股进口、冷流股出口、热流股进口、热流股出口；所述补充蒸发器5具有冷流股进口、冷流股出口、热流股进口、热流股出口。
具体的连接为：所述泵8的出口管线连接所述蒸发器4的冷流股进口，所述蒸发器4的冷流股出口管线连接补充蒸发器5的冷流股进口，所述补充蒸发器5的冷流股出口管线连接所述朗肯循环透平机6的进口，所述朗肯循环透平机6的出口管线连接所述冷凝器7的进口，所述冷凝器7的出口管线连接所述泵的入口。
所述隔壁塔1的塔顶蒸汽出口管线连接所述压缩机2的进口，所述压缩机2的出口连接再沸器9的热流股进口，所述再沸器9的热流股出口连接所述蒸发器4的热流股进口，所述蒸发器4的热流股出口管线通过节流阀12连接所述分流器3的进口，所述分流器3的第一出口连接所述隔壁塔1的塔顶回流入口。
所述隔壁塔1的塔釜出口管线连接所述补充再沸器10的冷流股进口，所述补充再沸器10的冷流股出口管线连接所述再沸器9的冷流股进口，所述再沸器9的冷流股出口管线连接所述隔壁塔1的塔釜返回蒸汽入口。
所述蒸汽驱动透平机11的蒸汽出口管线连接所述补充再沸器10的热流股进口，所述补充再沸器10的热流股出口管线连接所述补充蒸发器5的热流股进口。
以分离苯、甲苯、对二甲苯混合物为例的工艺流程为：首先苯、甲苯、对二甲苯混合物A以饱和液体状态进入隔壁塔1中的预分离塔1-1进行分离，隔壁塔1的塔顶蒸汽通过压缩机2进行压缩，以回收冷凝潜热，之后在再沸器9中加热塔釜液体，塔釜液体在补充再沸器10和再沸器9吸收热量后返回塔内。塔顶蒸汽在加热完塔釜液体后，在蒸发器4中预热朗肯循环的工质，最后通过分流器3后返回塔顶，分流器3的第二出口为产品苯B。隔壁塔1侧线采出甲苯C，塔釜产品为对二甲苯D。
高压蒸汽E作为动力驱动蒸汽驱动透平机11，产生与压缩机2相等的功，随后用作补充再沸器10的热源加热塔釜液体，最终在补充蒸发器5中加热工质，用作朗肯循环的热源。蒸汽驱动透平机11产生的电能与热泵辅助的隔壁塔1塔顶压缩机2消耗的电能相等，以此代替传统的电力驱动式压缩机2。高压蒸汽的乏气随后用作隔壁塔1的热源，最终高压蒸汽的余热以及隔壁塔顶蒸汽的余热进入朗肯循环中产生高品位的电能。
在朗肯循环中，15℃饱和液体状态的工质进入泵8，相继吸收蒸发器4和补充蒸发器5的热量，之后进入朗肯循环透平机6中做功产生电能，朗肯循环透平机6出口处的乏气进入冷凝器7中被冷却为液体，之后再返回工质泵8，如此不断地循环下去以源源不断地产生电能。
以分离苯、甲苯、对二甲苯混合物为例，所述隔壁塔1塔顶压力为常压，忽略全塔压降。所述隔壁塔1的主塔塔板数为35～80块，隔壁塔1的副塔塔板数为10～30块，所述隔壁塔1的进料位置位于第1～80块板，所述隔壁塔1的隔板位置位于第5～20块板，所述隔壁塔1侧线采出位于主塔的第10～35块板。隔壁塔1塔顶蒸汽的温度为60～100℃，塔底馏出液的温度为100～160℃，塔顶冷凝液的回流比为1～10，隔壁塔1塔顶压缩机2的压缩比为5.4-7。
朗肯循环中，进入泵8的工质为R600A，状态为冷凝温度(15℃)下的饱和液体，朗肯循环透平机6出口处的工质状态为15℃时的饱和气体，蒸发器4热流股出口气相分率为0，温度与原隔壁塔顶蒸汽温度一致。朗肯循环中的蒸发压力为工质的亚临界状态。
实施例1：
如图1的新型蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔，进料为300koml/h的苯、甲苯、对二甲苯混合物(1：3：1)，进入隔壁塔1的预分离段，预分离塔1-1的塔板数为30块，主分离塔的塔板数为58块，主分离塔的塔顶压力为1atm，主分离塔的塔顶温度为80.55℃，塔底温度为137.43℃，压缩机2的压缩比为5.38。399.93kmol/h高压蒸汽435℃，4.6Mpa，通过蒸汽驱动透平机11产生880kW的电能。朗肯循环的工质R600A以15℃的饱和液体状态进入泵8，工质流量为796.98kmol/h，朗肯循环中冷凝器7的冷凝温度为15℃，朗肯循环透平机6产生的电能为936kW。混合物在隔壁塔1中塔顶分离出摩尔纯度为98％的苯，侧线分离出98％的甲苯，塔底分离出98％的对二甲苯。
对比例1
传统的隔壁塔工艺如图2所示，传统隔壁塔中的进料，出料，塔压与塔顶温度与所提出的蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔工艺保持一致，塔顶蒸汽通过塔顶冷凝器14冷凝，塔釜液体通过塔釜再沸器15加热，冷凝器损失的冷凝潜热为3458kW，塔釜再沸器消耗的热量为4040kW。
表1中与传统的热泵精馏辅助隔壁塔流程分离苯、甲苯、对二甲苯混合物相比，其能耗和年总投资分析结果如下：
本发明提供了一种新型蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔分离苯、甲苯、对二甲苯的新工艺，具有极其显著的经济效益和节能效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔的工艺系统，其特征在于，包括隔壁塔(1)、压缩机(2)、朗肯循环单元、蒸汽驱动透平机(11)、分流器(3)、再沸器(9)及补充再沸器(10)；
所述朗肯循环单元包括依次连接的蒸发器(4)、补充蒸发器(5)、朗肯循环透平机(6)、冷凝器(7)及泵(8)，所述泵(8)的出口管线连接所述蒸发器(4)的冷流股进口，所述蒸发器(4)的冷流股出口管线连接补充蒸发器(5)的冷流股进口，所述补充蒸发器(5)的冷流股出口管线连接所述朗肯循环透平机(6)的进口，所述朗肯循环透平机(6)的出口管线连接所述冷凝器(7)的进口，所述冷凝器(7)的出口管线连接所述泵(8)的入口；
所述隔壁塔(1)的塔顶蒸汽出口管线连接所述压缩机(2)的进口，所述压缩机(2)的出口连接再沸器(9)的热流股进口，所述再沸器(9)的热流股出口连接所述蒸发器(4)的热流股进口，所述蒸发器(4)的热流股出口管线通过节流阀(12)连接所述分流器(3)的进口，所述分流器(3)的第一出口连接所述隔壁塔(1)的塔顶回流入口；所述隔壁塔(1)的塔釜出口管线连接所述补充再沸器(10)的冷流股进口，所述补充再沸器(10)的冷流股出口管线连接所述再沸器(9)的冷流股进口，所述再沸器(9)的冷流股出口管线连接所述隔壁塔(1)的塔釜返回蒸汽入口；
所述蒸汽驱动透平机(11)的蒸汽出口管线连接所述补充再沸器(10)的热流股进口，所述补充再沸器(10)的热流股出口管线连接所述补充蒸发器(5)的热流股进口。
2.根据权利要求1所述的蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔工艺系统的工艺方法，其特征在于，待分离物料进入隔壁塔(1)中的预分离塔(1-1)进行分离，隔壁塔(1)的塔顶蒸汽通过压缩机(2)进行压缩，以回收冷凝潜热，之后在再沸器(9)中加热隔壁塔(1)的塔釜液体，塔釜液体在补充再沸器(10)和再沸器(9)吸收热量后返回隔壁塔(1)内，隔壁塔(1)的塔顶蒸汽在加热完塔釜液体后，在蒸发器(4)中预热朗肯循环的工质，最后通过分流器(3)后返回隔壁塔(1)的塔顶；
高压蒸汽驱动蒸汽驱动透平机(11)，产生与压缩机(2)相等的功，随后用作补充再沸器(10)的热源加热隔壁塔(1)的塔釜液体，最终在补充蒸发器(5)中加热工质，用作朗肯循环的热源；
在朗肯循环中，工质进入泵(8)，相继吸收蒸发器(4)和补充蒸发器(5)的热量，之后进入朗肯循环透平机(6)中做功产生电能，朗肯循环透平机(6)出口处的乏气进入冷凝器(7)中被冷却为液体，之后再返回泵(8)，如此不断地循环下去以源源不断地产生电能。
3.根据权利要求2所述的蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔工艺系统的工艺方法，所述待分离物料为苯、甲苯、对二甲苯混合物。
4.根据权利要求3所述的蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔工艺系统的工艺方法，其特征在于，所述隔壁塔(1)的主塔塔板数为35～80块，隔壁塔(1)的副塔塔板数为10～30块，所述隔壁塔(1)的进料位置位于第1～80块板，所述隔壁塔(1)的隔板位置位于第5～20块板，所述隔壁塔(1)侧线采出位于主塔的第10～35块板。
5.根据权利要求3所述的蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔工艺系统的工艺方法，其特征在于，所述朗肯循环中，进入泵(8)的工质为R600A，状态为冷凝温度15℃下的饱和液体，朗肯循环透平机(6)出口处的工质状态为15℃下的饱和气体，蒸发器(4)热流股出口气相分率为0，朗肯循环中的蒸发压力为工质的亚临界状态。
6.根据权利要求3所述的蒸汽驱动热泵辅助隔壁塔工艺系统的工艺方法，其特征在于，苯、甲苯和对二甲苯的混合物按照其摩尔比为1:3:1的比例从所述隔壁塔的预分离塔进入，经分离后塔顶得到产物苯，侧线得到产物甲苯，塔底得到产物对二甲苯，在分离的过程中，隔壁塔塔顶蒸汽的温度为60～100℃，塔底馏出液的温度为100～160℃，塔顶冷凝液的回流比为1～10，隔壁塔塔顶压缩机的压缩比为5.4-7。
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