塔頂氣相壓縮式熱泵的模擬計(jì)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(jìn)入壓縮機(jī),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(jìn)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(dá)到95%左右。該氣液混合物再進(jìn)入水冷器進(jìn)一步冷卻到40℃,此時(shí)該工質(zhì)已全部液化為過(guò)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(guān)鍵工藝參數(shù)及其確定原則

關(guān)鍵工藝參數(shù)

        塔頂氣相壓縮式熱泵的關(guān)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(gè)參數(shù):①塔頂氣體采出量,即循環(huán)工質(zhì)流量;②壓縮機(jī)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(mǎn)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(jié)果為基礎(chǔ)。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(dá)到所規(guī)定的分離要求,故需要在模擬過(guò)程中逐步進(jìn)行調(diào)整,以獲得較適宜的流量數(shù)值。

壓縮機(jī)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(mǎn)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(gè)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(mǎn)足熱負(fù)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(fù)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(fù)荷大小,即出口壓力必須高到所能提供的熱負(fù)荷不小于基本工況得到的熱負(fù)荷數(shù)值。在模擬計(jì)算中可采用給定不同壓力數(shù)值進(jìn)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(jìn)入水冷器進(jìn)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(jìn)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(dá)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(guò)程能夠正常進(jìn)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(mǎn)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(shí)狀態(tài)為氣液混合物,氣相摩爾分?jǐn)?shù)為0.1679。通常的作法是采用水冷器冷卻到泡點(diǎn)溫度,然后回流液再節(jié)流返塔。但這樣處理的結(jié)果是塔釜的分離要求達(dá)不到丙烷摩爾分?jǐn)?shù)為0.97。如果水冷器冷卻到40℃再節(jié)流進(jìn)塔,則完全可以滿(mǎn)足對(duì)釜液中丙烷的摩爾分?jǐn)?shù)要求。然而對(duì)比這2個(gè)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(guò)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(huì)一樣? 實(shí)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?jǐn)?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(wú)論是從什么溫度開(kāi)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(huì)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(guò)冷狀態(tài)40℃工質(zhì)的焓值比冷卻到泡點(diǎn)50.3℃的工質(zhì)的焓值要小。工質(zhì)進(jìn)入塔內(nèi)屬絕熱閃蒸過(guò)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(shè)定不同冷后溫度進(jìn)行試算來(lái)確定,一般幾次設(shè)定后便可得到最終結(jié)果。