CN1320324C - 用于分离气体和/或液体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了用于在竖直处理塔(1)中分离气体和/或液体的方法和设备。处理塔(1)的塔顶制品(4)被冷却和部分地循环。处理塔(1)的塔底制品(3)被加热和部分地循环。冷却和加热是由一个热声学热泵(10)完成的，该热声学热泵可以被一个外部加热源(7)驱动。通过这种措施，塔顶制品和塔底制品之间的相对大的温差可以被建立。

Description

用于分离气体和/或液体的方法和设备
技术领域
一种用于在一个或多个反应器中实施的物理化学方法，其中向所述反应器中的第一位置供应热量，并从所述反应器中的第二位置排出热量，所述第一位置的温度高于所述第二位置的温度，并从所述第二位置向所述第一位置输送热量是通过一个热泵实现的。
背景技术
现有技术中已知有一种上述类型的方法。在从液体蒸馏气体或气体混合物的情况下，塔顶制品和塔底制品产生在竖直分离塔中。在这一方面公知的是，热量被从塔顶制品吸取并输送到塔底制品，然后，两种制品之一被部分循环到塔中。通过这种方式，以尽可能最节约能量的方式维持分离所需的预期温差。由于塔顶制品的绝对温度低于塔底制品的绝对温度，因此简单的热交换是不够的。所以，在现有技术中，热泵被用于建立这种温差。通过这种措施，可以适宜地节约能量。这样的热泵或换热器通常基于一个用作压缩机的马达，其用于使高温气体承受高压而凝结。通过凝结，可以实现热量向塔底制品流的传输。
热泵的缺点是，在它们被用于建立相对较小的温差时具有最大效率。利用现有的热泵，在用于建立较大温差时，需要使用相对大负荷压缩机，并且不得不引入大量的附加能量，其结果是，热泵的节能效果会急剧下降。
发明内容
本发明的目的是通过下述方式来进一步改进前述方法，即本发明提供了一种用于在一个或多个反应器中实施的物理化学方法，其中向所述反应器中的第一位置供应热量，并从所述反应器中的第二位置排出热量，所述第一位置的温度高于所述第二位置的温度，并从所述第二位置向所述第一位置输送热量是通过一个热泵实现的，其特征在于，所述热泵为热声学热泵。可选地，所述物理化学方法用于分离气体和/或液体。通过前述方法可以利用相对小量的附加能量来实现热量传输，即使是在两个位置之间相对较大的温差时。
这一目的可以通过在上述方法中借助于热声学热泵(thermo-acoustic heat pump)而得以实现。
热声学热泵本身是公知的。其由一个马达和一个泵构成，马达和泵之间通过一个谐振器(管)相连。马达产生声波，且能量借助于声波而被传输。通过声波，可以在泵中产生相对较大的温差。
这种声波可以通过本领域中任何公知的方式产生。优选地，其可以通过温差而产生，结果，可在谐振器中产生驻波。本申请人发现，利用这样的热声学热泵与物理化学方法之间的组合，可以获得惊人的效果。
根据本发明的一个有益实施例，前述方法包括气体和/或液体的分离。优选地，所述一个或多个反应器包括竖直处理塔，其中第一位置即高温部位于塔底，第二位置即低温部位于塔顶。
根据本发明的一个有益实施例，所述热声学热泵的马达具有能量供应部和低温制品流的低温入口，其中，所述低温制品流来自所述反应器。
根据本发明的一个有益实施例，从所述处理塔的塔底输出低温制品流。
根据本发明的一个有益实施例，来自所述处理塔的低温制品流首先被输送通过所述热声学热泵的马达，然后被输送通过所述热声学热泵的泵。
根据本发明的一个有益实施例，来自所述处理塔的所述低温制品流首先被输送通过所述热声学热泵的泵，然后从所述热声学热泵的泵的高温出口输出至所述热声学热泵的马达的低温入口。
根据本发明的一个有益实施例，所述热声学热泵的泵的高温入口连接着所述处理塔的塔底。
根据本发明的另一个有益实施例，能量被单独地供应到热声学热泵的马达中。该能量既可以是机械能/电能，也可以是热量。热量可以来自例如燃烧器，但也可以来自其它任何可行的热源。冷却作用是由来自塔底高温出口的塔底制品流提供的，以使该塔底制品流被进一步加热。此外，被进一步加热后的该塔底制品流可以被供应到热声学热泵的泵，在此通过冷却来自塔顶的塔顶制品流，塔底制品流被进一步加热。当然，可以在任何预期位置从塔顶制品流和塔底制品流中排出制品。在塔底制品流的情况下，优选在热声学热泵的马达的上游排出制品；而在塔顶制品流的情况下，优选在被冷却(凝结)之后，也就是在经过了热声学热泵的泵之后排出制品。
从上面的描述可以看出，上述方法具有非常广泛的应用场合。该方法可以应用在现有技术中可以想象到的所有物理化学方法中，特别是可以用于蒸馏。更特别地讲，该方法适用于分离液体，例如可以用来分离环氧丙烷和/或叔丁醇。
本发明还涉及一种用于分离气体和/或液体的设备，所述设备包括一个竖直处理塔，其在塔底和塔顶分别设有一个出口，所述设备中设有用于加热来自所述塔底出口的制品流和冷却来自所述塔顶出口的制品流的装置，其特征在于，所述装置包括热声学热泵，所述热声学热泵的马达具有一个与设在塔底的所述出口相连的连接元件和一个能量源，所述热声学热泵的泵具有一个与设在塔顶的所述出口相连的连接元件。根据本发明的一个有益实施例，所述能量源是燃烧器。
根据本发明的一个有益实施例，所述热声学热泵的泵的高温入口连接着所述处理塔的塔底出口，所述热声学热泵的泵的高温出口连接着所述热声学热泵的马达的低温入口，所述热声学热泵的泵的低温出口连接着所述处理塔的一个入口，该入口设在与塔底相隔一段距离处。
附图说明
下面参照附图中所示的本发明的少量代表性实施例来描述本发明。
图1是本发明的一种实施方式的示意性布置图。
图2以相同方式示出了第二种实施方式。
具体实施方式
在图1中，以附图标记1表示蒸馏塔。该蒸馏塔设有一个入口2，用于引入将被蒸馏的制品。此外，还设有一个底部出口3和一个顶部出口4。
在图1所示的实施例中，底部出口3设有一个用于排出塔底制品的分支管线8，同时，一些塔底制品被供应到热声学热泵10的马达11的低温入口5中。该热声学热泵包括马达11和泵12，二者通过谐振器13相连。热声学热泵可以是目前本领域中任何公知的热泵。该热泵的马达中产生声波。所述声波可以通过温度差产生在马达中。所述温度差是通过下述方法而产生在热泵中的，即马达设有一个燃烧器7(热部)，并且在距其一定距离处，由塔底制品形成的冷流从蒸馏塔的底部出口3流出。通过温度的差别，可以产生声波。在泵12中，所述声波被再次转换成温度差。
塔底制品从附图标记6表示的出口离开马达11并且已在马达中被加热到一定程度。塔底制品随后被供应到泵12的高温入口16中，并且在被进一步加热一定程度后，从高温出口17离开泵12，然后，从入口9循环到蒸馏塔1的底部。
蒸馏塔1的塔顶制品被供应到泵12的低温入口18中，并且在泵12中被进一步冷却。在此，低温入18中的塔顶制品的引入温度低于高温入16中的塔底制品的引入温度。相对低温的塔顶制品从出19离开泵12。此时，一部分塔顶制品从制品管线15输出，另一部分塔顶制品从入14循环到蒸馏塔顶部。通过这种方式，获得了由分支管线8输出的塔底制品和由制品管线15输出的塔顶制品。
图2中示出了前面参照图1所描述的回路的一种改型。这里，底部出口3同样设有用于输出塔底制品的分支管线8，但剩下的塔底制品从管线27循环到泵12的高温入口中。在被加热到一定程度后，塔底制品从高温出26离开泵12，并且通过管线28供应到热声学热泵的马达的低温入口。在通过管线25而从热声学热泵的马达的低温出口排出后，塔底制品通过管线29供应到蒸馏塔1的底部。
下面通过一个例子来更详细地解释本发明。假定一个传统蒸馏塔被用于分离由环氧丙烷和叔丁醇构成的混合物，并基于此而进行计算，以确定传统结构(也就是没有采用本发明的结构)的功率。
分离可以在118℃(塔底温度)与62℃(塔顶温度)之间进行。作为示例，再沸器(腔式)的典型功率为大约10MW。
在采用图1所示的本发明时，假定具有下面的初始设置：
温度为600℃的燃烧器7被用于驱动热声学热泵的马达。燃烧器的效率为100％，热声学热泵的马达的效率为卡诺效率的40％。谐振器13的效率为100％，泵12的效率为卡诺效率的大约50％。
当马达在600℃与118℃(塔底温度)之间操作时，其卡诺效率为65％。声功率为卡诺效率的40％，也就是等于燃烧器功率的22％。剩下的功率(78％)被用于加热塔底制品流。泵在118℃(塔底温度)与62℃(塔顶温度)之间操作。卡诺效率为7.0。热泵发热的效率为卡诺效率的50％，也就是声功率的3.5倍。高温侧的功率为燃烧器功率的3.5×22％＝77％。在马达中添加到塔底制品流中的功率被加入到高温侧的功率中。这使得总效率(性能系数COP)为155％或1.55。
这意味着，对于上述蒸馏塔而言，如果再沸器的热需求为10MW，功率为10/1.55＝6.45MW的燃烧器就足够了，也就是说，可以节约3.55MW。
虽然前面基于实施例描述了本发明，但可以理解，本发明也可以用于分离其它制品，只要塔底制品流与塔顶制品流之间存在相对较大的温差即可。这些工艺是本领域中公知的，并且本领域的技术人员可以理解，根据本发明，这些工艺可以与热声学热泵相组合。因此，这些方法落在权利要求书中限定的本发明范围内。

Claims (16)

1.一种用于在一个或多个反应器中实施的物理化学方法，其中向所述反应器中的第一位置供应热量，并从所述反应器中的第二位置排出热量，所述第一位置的温度高于所述第二位置的温度，并从所述第二位置向所述第一位置输送热量是通过一个热泵实现的，其特征在于，所述热泵为热声学热泵。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括气体和/或液体的分离。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法被应用于竖直处理塔中，所述第一位置位于塔底，所述第二位置位于塔顶。
4.如前面权利要求中任一所述的方法，其特征在于，所述热声学热泵的马达具有能量供应部和低温制品流的低温入口，其中，所述低温制品流来自所述反应器。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，从所述处理塔的塔底输出低温制品流。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，来自所述处理塔的低温制品流首先被输送通过所述热声学热泵的马达，然后被输送通过所述热声学热泵的泵。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，来自所述处理塔的所述低温制品流首先被输送通过所述热声学热泵的泵，然后从所述热声学热泵的泵的高温出口输出至所述马达的低温入口。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述热声学热泵的泵的高温入口连接着所述处理塔的塔底。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述反应器中进行蒸馏以产生液体。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述液体包括环氧丙烷和/或叔丁醇。
11.一种用于分离气体和/或液体的设备，包括一个竖直处理塔(1)，其在塔底和塔顶分别设有一个出口(4，3)，所述设备中设有用于加热来自所述塔底出口的制品流和冷却来自所述塔顶出口的制品流的装置，其特征在于，所述装置包括热声学热泵(10)，所述热声学热泵的马达具有一个与所述塔底出口(3)相连的连接元件和一个能量源(7)，所述热声学热泵的泵具有一个与所述塔顶出口(4)相连的连接元件。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述能量源是燃烧器(7)。
13.如权利要求11或12所述的设备，其特征在于，所述热声学热泵的马达的低温出口连接着所述热声学热泵的泵的高温入口(16)。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述热声学热泵的泵的高温出口(17)连接着所述处理塔的一个入口(9)。
15.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述热声学热泵的泵的低温出口(19)连接着所述处理塔的另一入口(14)。
16.如权利要求11或12所述的设备，其特征在于，所述热声学热泵的泵的高温入口连接着所述处理塔的塔底出口，所述热声学热泵的泵的高温出口连接着所述热声学热泵的马达的低温入口，所述热声学热泵的泵的低温出口连接着所述处理塔的一个入口，该入口设在与塔底相隔一段距离处。
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