热泵在乙烯精馏工艺中的运用

22CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2009 ,19(1)热泵在乙烯精馏工艺中的运用张慧*杨昌南中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院 吉林132002摘要常规精馏塔需从塔 顶冷凝器取出热量，从塔釜再沸器加人热量，其消耗的能量为精馏塔的主要操作费用。热泵利用机械能或电能将低温位热能提高到高温位热能，在精馏中将塔顶气相加压冷凝后作为塔底再沸器的热源，特别是在乙烯装置乙烯精馏中运用热泵，将乙烯冷剂的循环和乙烯精馏结合为一体,利用乙烯冰机将开式热泵用在乙烯精馏中，可节约能耗，降低生产成本。关键词热泵乙烯精馏节能降耗林德公司的乙烯技术采用前脱乙烷工艺，并7塔顶冷凝器在乙烯精馏单元采用开式热泵技术，应用在中国塔顶出料石油吉林石化分公司乙烯装置。吉林石化分公司进料 。精进料馆压缩机|口压缩机|乙烯装置自1996年建成以来先后经过两次改造,本节谎阀| 8节流阀装置能力已达到700kUa,多年来装置运行平稳、能量消耗先进。塔底出料(a)b)1基本概念图1 开式热泵根据热力学第二定律“热量不能自动地从数COP表示:低温流向高温”，除非自外界输人功，才能使热COP = Q1/WI .量从低温流向高温，这种通过做功(利用机械式中，Q1为热泵向系统提供的冷量, kW; W能)将热量自低温热源提高至高温热源的技术，为热泵的实际功耗，kW。称为热泵技术。常规的精馏塔需从塔顶冷凝器取出热量,从3精馏系统适用热泵的范围塔釜再沸器加人热量。若将塔顶气相冷凝的热量为了降低压缩机功耗,合理减少设备投资,传给塔釜再沸器可大幅度降低能耗,但塔釜温度精馏系统适用热泵的范围为:①塔顶与塔釜温差总是高于塔顶温度，仅靠简单换热无法实现这一小的系统;②塔压力降较小的系统;③被分离物过程，而利用热泵通过外界做功实现了低温载热系的组分因沸点相近而难于分离，需较大回流比体向高温物体传递热量。消耗大量冷量的系统;④低压精馏过程需要制冷用于精馏塔的热泵分为闭式热泵系统和开式设备的系统。热泵系统。闭式热泵系统塔内物料与制冷系统介4乙烯精馏采用热泵流程质之间是封闭的;反之为开式热泵系统。开式热泵中以塔底物料为介质取消再沸器的过程见图1乙烯精馏塔塔顶气相乙烯进乙烯压缩机的第(a)，以塔顶物料为介质取消塔顶冷凝器的过程三段入口，压缩后进乙烯精馏塔再沸器液化，液见图1 (b)。化后大部分乙烯作为回流返回乙烯精馏塔。乙烯精馏塔塔顶气相乙烯与作为冷剂的高压2热泵的经济性气相乙凝混合进7模田控切二瓯)口，为了使压热机逆转操作即为热泵，它在低温热源吸缩机gY中国煤化工乙烯精馏塔逆流热、高温热源放热，热泵的经济性-般用供热系换热CNMHG中张慧:高级工程师。1989 年毕业于华东理工大学工业催化专业。-直从事化工工艺设计工作。联系电话: (0432) 3912371。2009 ,19(1)张慧等热泵在乙烯精馏工艺中的运用2:压缩后的乙烯在乙烯精馏塔再沸器中液化，乙烯精馏塔塔底物流中含有乙烷、C; 组份大部分经乙烯精馏塔逆流换热器冷却到- 50C左和残余的乙烯，循环返回裂解炉。右，然后作为乙烯精馏塔的回流，由流量控制返乙烯冷剂循环为开式系统，提供乙烯精馏塔回塔顶。的回流、给冷区提供冷量，提高乙烯产品压力送少部分乙烯经乙烯深冷器冷却到-30C左至界区。乙烯精馏采用热泵流程见图2。右，送乙烯收集罐。乙锡植帽塔逆道换热器@乙蠕压编规乙场冷凝菲1O|五服平之楼乙慌特物塔(乙烯收集峰< CH中-圃一二段冷却器三段冷却器<区化CH点2@乙楼产品湿冷器图2乙烯精馏采用热泵流程有关资料表明，随着乙烯精馏塔操作压力的' 5设计要点分析升高，热泵压缩机的功耗明显减少，热泵的实际5.1塔设计压力供热系数COP增加，因此乙烯精馏塔的塔压应流程显示，乙烯精馏塔塔顶合格乙烯经低温尽可能高，选择在压缩机末段进口压力更节能，换热器换冷，温度升至常温进人乙烯压缩机，压而且应尽可能高。缩后经冷却器和低温换热器冷却到- 10C后进入根据冷剂的温位压缩机3段入口压力分别为乙烯精馏塔塔底再沸器。冷凝释放出热量后经换0.11MPa (A)、 0.3 MPa (A)、 0.795Pa (A),冷，- -部分进乙烯收集罐，作为低温乙烯冷剂循乙烯精馏塔的塔顶压力约为0.83 MPa (A)。环或送出界区; -部分作为塔顶回流。5.2工 艺过程的控制调节因此采用热泵乙烯精馏塔操作压力的确定直热泵运用于乙烯精馏中，以加压后的塔顶气接与压缩机压缩级数以及乙烯冷剂的温位密切相相作为塔底热源，开停车过程及操作过程中的波关。压缩机各段压力比的确定，应首先考虑省功动均会影响到乙烯的平衡，特别是乙烯同时作为节能，同时还应考虑冷剂级数和负荷。冷剂级数装置的最高级别冷剂及产品，因此热泵运用于乙和负荷应根据整个装置工艺和节能需求确定。理烯精馏，其过程的调节尤为重要。在这里乙烯深.论上，从降低传热不可逆性和提高能量利用效率冷器起着重要的调节作用。分析，闪蒸级数愈多、制冷温度级愈多,则能量5.2.1乙烯精馏塔的稳定运行利用效率愈好，但设备费用大、操作复杂。在乙在现有流程下，保证塔的稳定运行，即保证烯装置中，乙烯和丙烯可同时作为冷剂，其中丙塔项回流和塔底再沸器的负荷可随工艺过程的波烯可提供最低温度为-40C左右的冷剂，作为深动调节。冷分离所需的丙烯复迭制冷冷剂乙烯在乙烯精馏(1)塔顶回流的保证:为了不影响乙烯精过程中通常分为3个等级，大致温度范围为:中国煤化工烯由再沸器人口低压乙烯冷剂: -101~ -102 C前YHCN M H G器和乙烯精馏塔逆中压乙烯冷剂: -75~ -80C流换热器冷却后，平衡乙烯回流量。高压乙烯冷剂: -51~-55 C(2)塔底负荷的保证:塔底再沸器出口液24CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2009,19(1)相乙烯的大部分作为塔顶回流，另- -部分经换热计算COP值为2.9。显然热泵实现了精馏中降温后进人乙烯收集罐，成为乙烯塔底再沸器负塔顶气相冷凝和塔底气化能量的综合利用。荷的平衡线。6结语5.2.2送出气相乙烯量调节压缩机三段出口一部分作为气相产品送出界化工生产是用能的大户，生产过程存在大量区，-部分作为热泵的循环，在这部分物料中,低温余热，如何合理利用这些低品位热能，是节根据平衡情况将有部分液化乙烯送至乙烯罐区。能的重要问题，热泵的应用达到了节能和降耗的其中气相乙烯流量的调节即通过控制液化乙烯量目的，特别是应用在精馏中，但在优化设计方案调节。中应注意以下问题:5.3能量的有效利用(1)热泵适用于精馏工艺系统需要冷剂,精馏条件应保证精馏组份间较大的挥发度,冷剂又为精馏的组份的工艺装置。乙烯对乙烷的相对挥发度随压力的降低而升高,(2)精馏中运用热泵，应充分考虑工艺过采用低压分离可降低塔板数,但低温冷剂需消耗程的可调节性。较大的能量。为达到能量的有效利用，应合理确(3)精馏中运用热泵并与冷剂形成系统,定操作条件。在吉化乙烯中的操作条件如下:应合理优化设计参数，达到能量的合理利用。参考文献(1) 塔顶温度为-57C;塔釜温度为-1王松汉、 何细藕主编.乙烯工艺与技术[M] .北京:36C;塔顶与塔釜温差为219C。中国石化出版社, 2000年6月(2)塔顶压力为0.83MPa (A);塔釜压力(收稿日期2008 -10-10) .为0.88 MPa (A);塔的压力降为0. 05 MPa。浙江丰利两个省级科研项目通过验收由国家重点高新技术企业浙江丰利粉碎设备有限公司承担的两项浙江省科技计划项目一“ QFJ纤维超细剪磨机" (项目编号2003C31055),以及“生物医药工程的超低温微粉制备成套设备”(项目编号2006C21056),经过多年的实施，已成功完成各项技术经济指标，均于日前通过验收。QFJ纤维超细剪磨机(又名CXJ超细纤维粉碎机)是一种高性能、适应性广的新- -代高速旋转剪切式超细粉碎设备。该产品采用轮流单角剪切粉碎原理,转子和静刀床上分布有若干把动刀、定刀，形成- -定剪切角度，而且间隙可调;动、定刀采用特种合金耐磨材料，使用寿命长，且可多次修磨。产品具有超细粉碎效果好、能耗小、粉碎物料温升低、出料流畅、维修保养方便等特点。该设备实现了对绒状、絮状、薄膜等类纤维的粉碎,其技术处于国际先进技术，对造纸业、化纤、轻工业、水溶性纤维素醚以及中药材等行业的纤维性物料深加工提供了理想的超微粉碎设备。超低温粉碎技术是最重要的粉体加工技术之一-，在新药研制、保健品开发、生物工程、食品加工等行业得到了广泛应用。专家认为作为浙江省重点科研项目的“生物医药工程的超低温微粉制备成套设备”通过对超低温状态下粉碎工艺的粉碎效果的关系的研究以及低温粉碎的特殊要求，研制了内分级式高精度涡轮超微粉碎设备，满足超低粉碎要求;开发了低温粉碎设备的计算机控制系统，可以根据物料的特性及时调整工作温度，降低了产品的工作能耗。该成套设备选用航空航天技术制成的空气式超低温冷冻装置，可粉碎在常温下难以粉碎的物料，如中药材、高附加值食品、动物骨头、高附加值生物材料等热敏性及受热易变质、易分解的物质酒 :+低温蚂碎估:讨此物质的细度大大提高;而且可利用物料的脆化温度不同进行选择性粉碎，最终各自分中国煤化工用不仅为这些行业提供了理想的低温粉碎加工设备，同时由于共性技术的突破，使得fHC N M H G中药的超微细粉体材料的制成将有效提高产品的疗效;生物工程行业的超微细粉体材料的制成将使各种保健品的吸收性大大增加等。(吴宏富)