塔頂氣相壓縮式熱泵的模擬計算工藝流程如圖1所示。

       丙烯精餾塔塔頂壓力為1.47MPa,塔頂氣相采出后,作為循環(huán)工質(zhì)直接進入壓縮機,壓力提高到2.1MPa,溫度上升到56.17℃。該溫度較高的循環(huán)工質(zhì)進入塔釜再沸器作為加熱介質(zhì)。換熱后溫度降低到50.36℃,液化率達到95%左右。該氣液混合物再進入水冷器進一步冷卻到40℃,此時該工質(zhì)已全部液化為過冷狀態(tài)。該液態(tài)循環(huán)工質(zhì)出水冷器后分成2股,一股作為產(chǎn)品,另一股作為回流液返回塔內(nèi)。

圖1　塔頂氣相壓縮式熱泵流程示意圖

關鍵工藝參數(shù)及其確定原則

關鍵工藝參數(shù)

        塔頂氣相壓縮式熱泵的關鍵工藝參數(shù)較釜液節(jié)流式熱泵數(shù)量要略少一些,有3個參數(shù):①塔頂氣體采出量,即循環(huán)工質(zhì)流量;②壓縮機出口壓力;③水冷器工質(zhì)出口溫度。

循環(huán)工質(zhì)流量的確定原則和方法

       循環(huán)工質(zhì)流量的確定原則是必須滿足丙烯精餾塔的分離要求。由于循環(huán)工質(zhì)最終是分成產(chǎn)品和回流液2股,產(chǎn)品量是固定不變的,因而工質(zhì)流量愈大,回流量也愈大。而分離精度在塔板數(shù)一定條件下取決于回流量,故循環(huán)工質(zhì)流量必須根據(jù)分離要求而定。循環(huán)工質(zhì)流量確定必須以基本工況模擬結果為基礎。即該流量不得小于基本工況所求出的產(chǎn)品流量和回流量之和。往往需要比該數(shù)值略大一些,才能達到所規(guī)定的分離要求,故需要在模擬過程中逐步進行調(diào)整,以獲得較適宜的流量數(shù)值。

壓縮機出口壓力的確定原則和方法

       循環(huán)工質(zhì)壓縮后壓力的確定原則是必須滿足再沸器的換熱要求。由于采用間接熱交換,故需要根據(jù)以下2個原則確定:

      ①傳熱溫差要求,通常要求冷熱物料的溫差在10℃左右;

      ②滿足熱負荷要求,壓縮后循環(huán)工質(zhì)的溫度必須足以提供塔釜所需的熱負荷。

       循環(huán)工質(zhì)出口壓力確定可以參考基本工況所得到的塔釜再沸器熱負荷大小,即出口壓力必須高到所能提供的熱負荷不小于基本工況得到的熱負荷數(shù)值。在模擬計算中可采用給定不同壓力數(shù)值進行試算的方法得到。

水冷器工質(zhì)出口溫度的確定原則和方法

        循環(huán)工質(zhì)經(jīng)塔釜再沸器換熱后放出熱量、溫度降低,但還不能全部液化,故需進入水冷器進一步降低溫度。此外該工質(zhì)一部分為丙烯產(chǎn)品,另一部分作為回流液,節(jié)流后進入塔內(nèi)。節(jié)流后入塔物料必須要提供足夠的冷量,產(chǎn)生達到分離要求所需的塔內(nèi)液相流量,這樣才能保證塔的分離過程能夠正常進行。故水冷后工質(zhì)出口溫度的確定原則為: ①工質(zhì)冷后溫度必須保證回流液能提供足夠的冷量,滿足塔的分離要求; ②工質(zhì)節(jié)流后溫度不得低于塔頂溫度。

        本例循環(huán)工質(zhì)經(jīng)塔釜再沸器換熱后,溫度降低到50.3℃,但此時狀態(tài)為氣液混合物,氣相摩爾分數(shù)為0.1679。通常的作法是采用水冷器冷卻到泡點溫度,然后回流液再節(jié)流返塔。但這樣處理的結果是塔釜的分離要求達不到丙烷摩爾分數(shù)為0.97。如果水冷器冷卻到40℃再節(jié)流進塔,則完全可以滿足對釜液中丙烷的摩爾分數(shù)要求。然而對比這2個不同溫度的循環(huán)工質(zhì)從2.1MPa節(jié)流到塔頂壓力1.47MPa后,其節(jié)流后的溫度卻完全相同,都是34.41℃。該節(jié)流過程有些不可思議,違反常理。

      不同溫度的工質(zhì),怎么節(jié)流后溫度會一樣? 實際上,只要分析一下工質(zhì)的組成即可知道節(jié)流后的溫度是必然相同的。由于工質(zhì)是摩爾分數(shù)為0.996的丙烯,幾乎是純組分了。而純組分只要壓力一定,則飽和溫度一定。故無論是從什么溫度開始,只要節(jié)流到相同壓力,其溫度必定是一樣的。既然工質(zhì)節(jié)流后具有相同壓力、溫度和流量,為什么又會得到不同的分離效果呢? 這就需要更深入的考察和分析。表1給出了冷卻到不同溫度的工質(zhì)節(jié)流前的焓值。

表1不同溫度工質(zhì)在p=2.1MPa下的焓值

     從表1數(shù)據(jù)可以看出,冷卻到過冷狀態(tài)40℃工質(zhì)的焓值比冷卻到泡點50.3℃的工質(zhì)的焓值要小。工質(zhì)進入塔內(nèi)屬絕熱閃蒸過程,焓值是不變的,也即前者帶入塔內(nèi)的冷量較后者大。較大的冷量產(chǎn)生較大的回流量,故分離效果也較好。水冷后的溫度可采用設定不同冷后溫度進行試算來確定,一般幾次設定后便可得到最終結果。