基于分析改造熱泵精餾流程的設(shè)計方法

，，

(浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

熱泵是一種通過輸入機(jī)械能將熱能從低溫轉(zhuǎn)移到高溫的裝置.用于精餾塔時，它可以將塔頂氣相冷凝釋放的能量用于釜液加熱，從而節(jié)省冷熱公用工程.通過流程優(yōu)化有效發(fā)揮熱泵的作用一直是化工過程優(yōu)化的研究重點(diǎn)[1-2].目前的困難是引入了熱泵系統(tǒng)后，設(shè)備數(shù)量和耦合程度的增加都會導(dǎo)致流程優(yōu)化命題復(fù)雜化，如何在優(yōu)化命題中體現(xiàn)不同能量等級、不同流程結(jié)構(gòu)、如何在不同流程中搜索最優(yōu)解都相應(yīng)增加了難度，因此提出一個簡化而具有適度精度的熱泵節(jié)能優(yōu)化模型對命題定量尋優(yōu)非常重要.

1 熱泵精餾流程的分析及節(jié)能優(yōu)化策略

1.1 熱泵精餾流程分析

(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為熱流k的熱力學(xué)平均溫度，K.

1.2 多級壓縮熱泵精餾流程的節(jié)能優(yōu)化策略

圖1 精餾塔的平衡

圖2 一級壓縮和二級壓縮熱泵循環(huán)T—s圖

(6)

ΔEL,V,M=F·T0(s4-s3)

(7)

其中：W為壓縮機(jī)功耗，MJ/hr；Q為換熱量，MJ/hr；ΔT為換熱溫差，K；F為工質(zhì)流量，kmol/hr；s3,s4分別為工質(zhì)節(jié)流前后的單位摩爾熵，kJ/(kmol·K)；下標(biāo)“M”為一級壓縮熱泵流程；下標(biāo)“B”為工質(zhì)冷凝器(塔底再沸器)；下標(biāo)“D”為工質(zhì)蒸發(fā)器(塔頂冷凝器)；下標(biāo)“V”為節(jié)流閥.對于二級壓縮熱泵循環(huán)有

(8)

ΔEL,V,N=F·T0[(1-a%)(s4-s3)+

a%(s2-s1)]

(9)

其中：s1,s2分別為a%工質(zhì)節(jié)流前后的單位摩爾熵，kJ/(kmol·K)；下標(biāo)“N”為二級壓縮熱泵流程；下標(biāo)“Z”為中間再沸器.因此，通過以下幾個簡化措施即可在一級壓縮熱泵的基礎(chǔ)上快速估算二級壓縮熱泵的壓縮機(jī)功耗大?。壕s塔與熱泵循環(huán)之間為恒溫?fù)Q熱，即ΔT=ΔTmin；ΔEL,V,N=ΔEL,V,M.對非等熵壓縮過程進(jìn)行調(diào)整，其功耗計算式為

(10)

式中：W′為非等熵壓縮過程的壓縮機(jī)功耗，MJ/hr；θ為壓縮機(jī)等熵效率；下標(biāo)j∈(M,N).

綜上所述，以最小化壓縮機(jī)功耗為目標(biāo)，采用基于CEGCC圖的簡化方法確定中間再沸器的位置和換熱量，避免了嚴(yán)格模擬基礎(chǔ)上的靈敏度分析帶來的龐大工作量，同時可估算出最優(yōu)操作條件下的壓縮機(jī)功耗.

2 多級丙烯熱泵精餾塔的優(yōu)化案例分析

2.1 簡化方法用于過程模擬和優(yōu)化的準(zhǔn)確性分析

先比較一級熱泵精餾流程的文獻(xiàn)計算值、嚴(yán)格模型計算值和簡化方法計算值的差異，結(jié)果列于表1前3列.一級熱泵系統(tǒng)操作條件與文獻(xiàn)[8]一致，嚴(yán)格模擬計算采用流程模擬軟件Aspen Plus進(jìn)行，壓縮機(jī)的等熵效率和機(jī)械效率分別設(shè)為0.8和1.0，節(jié)流過程設(shè)為絕熱，塔頂壓力1.47 MPa，塔釜1.57 MPa.從表1可見：嚴(yán)格模型和文獻(xiàn)所計算的壓縮機(jī)功耗基本沒有誤差，后續(xù)工作即采用嚴(yán)格模型作為對比真值.一級熱泵流程嚴(yán)格模型和簡化方法計算的壓縮機(jī)功耗誤差為4.7%，說明簡化方法計算用于工程計算壓縮功是可行的.其次，分別采用嚴(yán)格模型和簡化方法對二級熱泵精餾流程的計算準(zhǔn)確性進(jìn)行對比，結(jié)果列于表1的后兩列.當(dāng)TZ分別為313.0 K和312.7 K時，兩種方法計算的損失最?。缓喕椒ü浪愕膲嚎s功耗誤差為4.3%.但QZ的偏差較大，主要是因為采用簡化方法計算時認(rèn)為產(chǎn)品的純度不發(fā)生變化，而在嚴(yán)格模擬中，則考慮了產(chǎn)品純度的要求.

表1 丙烯熱泵精餾流程變量計算結(jié)果1)

2.2 基于簡化方法的優(yōu)化靈敏度分析

為了將簡化方法的優(yōu)化效果與嚴(yán)格模擬比較，選取二級熱泵精餾流程進(jìn)行優(yōu)化命題的靈敏度分析.圖3中兩條曲線分別為簡化方法和嚴(yán)格模型所計算的二級熱泵壓縮機(jī)功耗與中沸器所在塔板的卡諾系數(shù)之間的關(guān)系.從圖3可知：兩條曲線的變化趨勢基本吻合，簡化方法計算值略高于嚴(yán)格模擬值，在ηc,Z=0.046附近時，兩種方法計算的壓縮機(jī)功耗均達(dá)到最小.

圖3 二級熱泵精餾系統(tǒng)輸入功總和隨ηc,Z的變化情況

分析誤差產(chǎn)生的原因，首先模型在簡化計算時未考慮節(jié)流閥和輔助換熱器的損失變化；其次，簡化計算時假設(shè)工質(zhì)冷凝為恒溫?fù)Q熱；最后，加入中沸器后精餾塔的分離推動力與未加入前略有不同.但是該結(jié)果也表明，簡化方法的計算結(jié)果可以指導(dǎo)流程的嚴(yán)格模擬與優(yōu)化，由簡化方法還原的實(shí)際二級壓縮熱泵精餾流程見圖4.

圖4 丙烯二級壓縮熱泵流程

表2 一/二級壓縮丙烯熱泵精流程損計算結(jié)果比較

3 結(jié) 論

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