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,作為循環工質直接進入壓縮機,壓力提高到2.1MPa,溫度上升到56.17℃。該溫度較高的循環工質進入塔釜再沸器作為加熱介質。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℃,此時該工質已全部液化為過冷狀態。該液態循環工質出水冷器后分成2股,一股作為產品,另一股作為回流液返回塔內。

圖1　塔頂氣相壓縮式熱泵流程示意圖

關鍵工藝參數及其確定原則

關鍵工藝參數

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

循環工質流量的確定原則和方法

       循環工質流量的確定原則是必須滿足丙烯精餾塔的分離要求。由于循環工質最終是分成產品和回流液2股,產品量是固定不變的,因而工質流量愈大,回流量也愈大。而分離精度在塔板數一定條件下取決于回流量,故循環工質流量必須根據分離要求而定。循環工質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品流量和回流量之和。往往需要比該數值略大一些,才能達到所規定的分離要求,故需要在模擬過程中逐步進行調整,以獲得較適宜的流量數值。

壓縮機出口壓力的確定原則和方法

       循環工質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,壓縮后循環工質的溫度必須足以提供塔釜所需的熱負荷。

       循環工質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值。在模擬計算中可采用給定不同壓力數值進行試算的方法得到。

水冷器工質出口溫度的確定原則和方法

        循環工質經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。此外該工質一部分為丙烯產品,另一部分作為回流液,節流后進入塔內。節流后入塔物料必須要提供足夠的冷量,產生達到分離要求所需的塔內液相流量,這樣才能保證塔的分離過程能夠正常進行。故水冷后工質出口溫度的確定原則為: ①工質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工質節流后溫度不得低于塔頂溫度。

        本例循環工質經塔釜再沸器換熱后,溫度降低到50.3℃,但此時狀態為氣液混合物,氣相摩爾分數為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為0.97。如果水冷器冷卻到40℃再節流進塔,則完全可以滿足對釜液中丙烷的摩爾分數要求。然而對比這2個不同溫度的循環工質從2.1MPa節流到塔頂壓力1.47MPa后,其節流后的溫度卻完全相同,都是34.41℃。該節流過程有些不可思議,違反常理。

      不同溫度的工質,怎么節流后溫度會一樣? 實際上,只要分析一下工質的組成即可知道節流后的溫度是必然相同的。由于工質是摩爾分數為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,只要節流到相同壓力,其溫度必定是一樣的。既然工質節流后具有相同壓力、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節流前的焓值。

表1不同溫度工質在p=2.1MPa下的焓值

     從表1數據可以看出,冷卻到過冷狀態40℃工質的焓值比冷卻到泡點50.3℃的工質的焓值要小。工質進入塔內屬絕熱閃蒸過程,焓值是不變的,也即前者帶入塔內的冷量較后者大。較大的冷量產生較大的回流量,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。