酒精精馏中的热泵应用探讨

1、酒精精馏中的热泵应用探讨 摘 要：文章结合工作经验，分析分割式热泵精馏可行性及其实际应用特点。希望通过文章的介绍，可以为相关的工作人员提供帮助和借鉴。 关键词：酒精精馏；分割式热泵精馏；应用 精馏化工行业作为能耗大户，其有效的节能方式方法得到各方关注，其中热泵精馏是目前节能效果最小、最具应用前景的酒精精馏系统。酒精工业化工行业中消耗热能较多的行业，而生产酒精整个阶段中精馏工序则是主要耗用热能的部位。几乎有生产所需50%的水与67%的煤都消耗在精馏工序中，所以精馏工序中的能量回收工作对本工业的污染控制、能量节约等方面都有着十分关键的意义。 当前全球的酒精精馏行业均没有研发出可以完全有效解决酒精精

2、馏耗能问题的技术，而此方面技术也是我们国家科研攻关的重点。德国著名化工企业赫斯特公司成功研发出酒精精馏生产技术，有效降低了精馏工序所消耗的能量，然而酒精精馏技术的关键在于繁杂的精馏操作控制技术，且还需要重新排序精馏塔。the university of tokyoi ssp成功攻克了特殊膜分离酒精技术难题，然而此项技术需要花费数额巨大的钱财进行装置的添置且当前还没有应用于实际应用，还仅处在实验验证阶段。standiford fc，badger wl在chem eng prog所发表的论文energy conservation in alcohol production中介绍了以酒精精馏热集成方

3、式为主的技术，然而此技术在控制操作便利性、造价控制等方面都并不是十分让人满意。文章结合工作经验，分析分割式热泵精馏技术在节能方面的可行性及其实际应用特点。 1 分割式热泵精馏的提出及其节能可行性分析 在精馏工序都会有个恒沸点，假设在恒沸点奋进进行精馏工作的操作，往往需要消耗较大的能量也会有较大的回流。一般21.7摄氏度上下为究竟精馏塔的温差，可以归类为大温差精馏方面的技术，假设应用间接式或直接式热泵精馏技术，因为有着较大的温差，需要选用多级压缩机，如此一来就需要较高的操作与设备费用，需要较长的投资回收期，缺乏较好的社会经济效益、节能成效。此外假设应用的是直接式热泵精馏技术，由于塔底温度比较高，

4、这就需要压缩机承受十分高的出口温度，且很容易造成酒精碳化的情况出现，很显然是不符合热泵精馏应用的相关原则。针对大温差酒精精馏系统，也可将冷凝器与再沸器设置在酒精精馏塔的任何温度范围中，进而降低热泵工作中的温度差，然而由于冷凝器与再沸器存在较为复杂的操作设计，需要投入较高的费用，因此在经济效益与节能成效方面也差强人意。 图1为泡露点温度-组分相图，图2为酒精水溶液的平衡相图。由于酒精水溶液相平衡存在拐点，为正偏差溶液，因此其并不是理想溶液。在总压强为0.1兆帕斯卡之下，78.15摄氏度是酒精溶液的恒沸点，x=0.894则是其物质的量之比，在78.15摄氏度左右，相比较之下此时酒精有着较小的挥发度

5、，通常项目会选择3.5至4.0的回流比，因此需要较大的热量。而当物质的量之比x设置在0至0.40范围内时，相比之下酒精具有较大的挥发度，在此时可以应用很小的回流比，因此需要较小的热量。从下面两个图我们还可以知道，大约在0至0.26的物质量之比范围中，酒精泡点温度与相对挥发度会有较大的变大，此区域可以归类为恒稀区，也就是此范围周边各个塔板有着较大变化的区域，而大约在0.26至0.894的物质量之比范围中，酒精的泡点温度与相对挥发度变化较小，在此范围周边各个塔板有着较小变化的区域，为恒浓区。因此在0.26至0.894的物质量之比范围中，是可以应用热泵精馏技术的。综上，我们可以将酒精精馏塔设计为上下

6、两个相对独立的精馏塔，在上塔设置热泵装置，进而组成分割式热泵精馏流程，具体如图3所示。 分割式热泵精馏流程分成上下两个热泵精馏塔，上面的热泵精馏塔就如传统热泵精馏塔一般，只是比传统精馏塔多设置了进料口；而下面的热泵精馏塔也是类似传统的气提塔（又或者是蒸出塔），从上面精馏塔的釜液进料，上面精馏塔的塔底则作为蒸气出料口。上塔温差的控制，可以利用控制下面精馏塔进料浓度（也就是上下两个精馏塔分割点浓度）进而有效监控上塔温差。如此就不需要太大的压缩机压比，也有利于控制投资额。分割式热泵精馏装置由于在上面精馏塔中设置了热泵，进而可以极大减小下面蒸馏塔的回流比，这也是一个效果较好的节能措施。分割式热泵精馏流

7、程具有较好的节能成效也有利于控制投资费用，操作简便有效开拓了热泵精馏的应用范围。 2 分割式热泵精馏的应用特点 分割式热泵精馏技术不是说仅仅将传统热泵精馏塔简单地分成两个精馏塔，分割式热泵精馏技术与传统热泵精馏技术相比较，具有特点。 第一，分割点的选择问题。分割式热泵精馏的主要参数就是分割点，从上面三个图我们可以知道，当物质分离条件相同的前提之下，下塔进料浓度愈大，上面精馏塔塔中的温差也就愈小，也就可以获得更明显的精馏效果，换句话说就是需要愈小的压缩供，而为了提高下面精馏塔的提馏效果，必然会提高下面精馏塔热能的消耗；下面精馏塔进料浓度愈小，则结论与上述相反，因此，分割式热泵精馏技术必然会存在一

8、个分割点的最优化，利用年运行费用最优化作为目标函数，可以获得最佳分割点。第二，辅助再沸器的选择问题。在传统的热泵精馏中，由于辅助再沸器具有控制、补偿、启动作用，因此肯定不能缺少辅助再沸器，然而在分割式热泵精馏中，下塔的常规再沸器就可以替代辅助再沸器，这样就没必要设置辅助再沸器。 3 结束语 第一，分割式热泵精馏根据热泵精馏相关节能原则进行设计操作，大体解决了精馏工序中热泵应用的技术难题。第二，相较于传统热泵精馏方式，分割式热泵精馏有着独特的应用特色与较好的技能成效，具有明显的优势。第三，对于异丙醇水溶液等液体（也就是相图存在恒稀区与恒浓区的液体），同样可以应用分割式热泵精馏的技术。 参考文献 1朱平.分割式热泵精馏的理论分析与实验研究d.陕西：西安交通大学，2007：5-47. 2贾宝华.液体发酵法酿酒的热平衡分析与节能探讨j.节能，2012，10：17. 3史季芬.多级分离过程蒸馏、吸收、萃取、吸附m.北京：化学工业出版社