基于分析改造热泵精馏流程的设计方法

，，

(浙江工业大学 化学工程学院，浙江 杭州 310014)

热泵是一种通过输入机械能将热能从低温转移到高温的装置.用于精馏塔时，它可以将塔顶气相冷凝释放的能量用于釜液加热，从而节省冷热公用工程.通过流程优化有效发挥热泵的作用一直是化工过程优化的研究重点[1-2].目前的困难是引入了热泵系统后，设备数量和耦合程度的增加都会导致流程优化命题复杂化，如何在优化命题中体现不同能量等级、不同流程结构、如何在不同流程中搜索最优解都相应增加了难度，因此提出一个简化而具有适度精度的热泵节能优化模型对命题定量寻优非常重要.

1 热泵精馏流程的分析及节能优化策略

1.1 热泵精馏流程分析

(1)

Ex,i=Ex,i,Ph+Ex,i,D

(2)

Ex,i,ph=Fi[(hi-hi,0)-T0(si-si,0)]

(3)

(4)

(5)

式中Tk为热流k的热力学平均温度，K.

1.2 多级压缩热泵精馏流程的节能优化策略

图1 精馏塔的平衡

图2 一级压缩和二级压缩热泵循环T—s图

(6)

ΔEL,V,M=F·T0(s4-s3)

(7)

其中：W为压缩机功耗，MJ/hr；Q为换热量，MJ/hr；ΔT为换热温差，K；F为工质流量，kmol/hr；s3,s4分别为工质节流前后的单位摩尔熵，kJ/(kmol·K)；下标“M”为一级压缩热泵流程；下标“B”为工质冷凝器(塔底再沸器)；下标“D”为工质蒸发器(塔顶冷凝器)；下标“V”为节流阀.对于二级压缩热泵循环有

(8)

ΔEL,V,N=F·T0[(1-a%)(s4-s3)+

a%(s2-s1)]

(9)

其中：s1,s2分别为a%工质节流前后的单位摩尔熵，kJ/(kmol·K)；下标“N”为二级压缩热泵流程；下标“Z”为中间再沸器.因此，通过以下几个简化措施即可在一级压缩热泵的基础上快速估算二级压缩热泵的压缩机功耗大小：精馏塔与热泵循环之间为恒温换热，即ΔT=ΔTmin；ΔEL,V,N=ΔEL,V,M.对非等熵压缩过程进行调整，其功耗计算式为

(10)

式中：W′为非等熵压缩过程的压缩机功耗，MJ/hr；θ为压缩机等熵效率；下标j∈(M,N).

综上所述，以最小化压缩机功耗为目标，采用基于CEGCC图的简化方法确定中间再沸器的位置和换热量，避免了严格模拟基础上的灵敏度分析带来的庞大工作量，同时可估算出最优操作条件下的压缩机功耗.

2 多级丙烯热泵精馏塔的优化案例分析

2.1 简化方法用于过程模拟和优化的准确性分析

先比较一级热泵精馏流程的文献计算值、严格模型计算值和简化方法计算值的差异，结果列于表1前3列.一级热泵系统操作条件与文献[8]一致，严格模拟计算采用流程模拟软件Aspen Plus进行，压缩机的等熵效率和机械效率分别设为0.8和1.0，节流过程设为绝热，塔顶压力1.47 MPa，塔釜1.57 MPa.从表1可见：严格模型和文献所计算的压缩机功耗基本没有误差，后续工作即采用严格模型作为对比真值.一级热泵流程严格模型和简化方法计算的压缩机功耗误差为4.7%，说明简化方法计算用于工程计算压缩功是可行的.其次，分别采用严格模型和简化方法对二级热泵精馏流程的计算准确性进行对比，结果列于表1的后两列.当TZ分别为313.0 K和312.7 K时，两种方法计算的损失最小；简化方法估算的压缩功耗误差为4.3%.但QZ的偏差较大，主要是因为采用简化方法计算时认为产品的纯度不发生变化，而在严格模拟中，则考虑了产品纯度的要求.

表1 丙烯热泵精馏流程变量计算结果1)

2.2 基于简化方法的优化灵敏度分析

为了将简化方法的优化效果与严格模拟比较，选取二级热泵精馏流程进行优化命题的灵敏度分析.图3中两条曲线分别为简化方法和严格模型所计算的二级热泵压缩机功耗与中沸器所在塔板的卡诺系数之间的关系.从图3可知：两条曲线的变化趋势基本吻合，简化方法计算值略高于严格模拟值，在ηc,Z=0.046附近时，两种方法计算的压缩机功耗均达到最小.

图3 二级热泵精馏系统输入功总和随ηc,Z的变化情况

分析误差产生的原因，首先模型在简化计算时未考虑节流阀和辅助换热器的损失变化；其次，简化计算时假设工质冷凝为恒温换热；最后，加入中沸器后精馏塔的分离推动力与未加入前略有不同.但是该结果也表明，简化方法的计算结果可以指导流程的严格模拟与优化，由简化方法还原的实际二级压缩热泵精馏流程见图4.

图4 丙烯二级压缩热泵流程

表2 一/二级压缩丙烯热泵精流程损计算结果比较

3 结 论

参考文献：

[1] AMIYA K J. Advances in heat pump assisted distillation column: a review[J]. Energy Conversion and Management，2014，77：287-297．

[2] BJORN I, GREN U， STROM K． A study of heat pump distillation column system[J]． Chemical Engineering Process，1991，29：185-191．

[4] LINNHOFF B， DHOLE V R． Shaftwork targets for low-temperature process design[J]． Chemical Engineering Science，1992，47(8)：2081-2091．

[5] MARC A R， CORNELIA A B． Using exergy to understand and improve the efficiency of electrical power technologies[J]． Entropy，2009，11：820-835．

[6] 李会泉，李佐虎，姚平经．低温蒸馏塔与冷冻系统的热泵流程集成[J]．化工学报，2000，51(12)：231-235．

[7] 齐鸣斋．化工能量分析[M]．上海：华东理工大学出版社，2009．

[8] 陆恩锡，罗明辉．蒸馏过程热泵节能—热泵系统模拟计算[J]．化学工程，2008，36(9)： 75-78．