一种嵌入波转子设备的热泵精馏系统

1.本发明涉及热泵精馏技术领域，尤其涉及一种塔顶含大量不凝气需要去除的嵌入波转子设备的热泵精馏系统。


背景技术：

2.精馏工艺在化工装置能耗中占有很大比重，在现有精馏装置中，釜液加热需要利用高品位能源，如果温差过大则在热力学上具有较大的熵增特性，能效较低。而塔顶气体通过空冷、水冷方式释放的低温低品质余热又占精馏能耗的很大比重。因此，深度挖掘精馏工艺的余热节能潜力对于节能减排有着重要意义。
3.热泵精馏技术是一种实现精馏过程节能、提高热力学效率的有效技术手段，其原理是使用膨胀阀和压缩机来改变冷凝和蒸发温度，使塔顶蒸汽液化所排放的热量用作再沸器中加热所需的热量。当冷凝器和再沸器负荷不相匹配时，可用辅助冷凝器和再沸器。但热泵精馏技术适用于组分沸点差较小的精馏系统，因为对于沸点差较大的精馏系统，塔顶的低温低压蒸汽变为高温高压状态所需要的压缩机压比会增大，增加成本；同时压缩机的排气温度过高也会影响压缩机的正常工作状态，所以目前存在的解决方案是采用带有中间冷却器的两级压缩机，但这种方案投资增大，综合性价下降。
4.除此之外，相当大比重的精馏系统中不凝气的存在对塔器的安全、高效操作会带来很多问题，所以适时排除不凝气是这种精馏系统改进的一个重要工作。传统方案中采用喷射器抽取不凝气，由于引射效率低，会造成大量能量损耗。
5.波转子是一种非定常流动装置，可使得进入波转子的压力不同的两股流体直接接触交换能量，可以同时完成膨胀制冷和激波增压过程，其引射性能远高于喷射器，具有结构紧凑、易维护等优点。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种嵌入波转子设备的热泵精馏系统，克服上述存在的问题。基于嵌入波转子设备的增压制热和膨胀制冷功能，实现精馏塔塔顶蒸汽的冷凝和不凝气排除过程，辅助塔釜液体的再沸过程，实现了大操作温区的同时降低了再沸器的输入热负荷，压缩机的压缩比也随之降低。
7.本发明采用的技术方案是：一种嵌入波转子设备的热泵精馏系统包括精馏塔、分离器、预热器和换热器，还包括压缩机、四端口波转子、膨胀机、再沸器和无级变速器；所述四端口波转子包含的高压入口、低压入口、低温出口和高温出口。
8.所述精馏塔塔顶的出口依次经压缩机、换热器的热侧连接四端口波转子的高压入口，四端口波转子的低温出口连接分离器的蒸汽进口，分离器的冷凝液出口一个支路通过第一调节阀连接精馏塔的塔顶回流口，另一个支路连接塔顶出料管道，分离器上设置不凝气排出管；四端口波转子的高温出口通过预热器的热侧后，一个支路经第二调节阀连接四端口波转子的低压入口，另一个支路经膨胀机连接四端口波转子的低压入口，膨胀机通过
无级变速器连接波转子。
9.所述精馏塔塔底的出口通过一个支路连接塔底出料管道，另一个支路依次经预热器的冷侧、换热器的冷侧、再沸器的冷侧连接精馏塔的塔底回流口。
10.外接高温蒸汽管道通过第三调节阀依次连接再沸器的热侧、凝液分离器。
11.一种嵌入波转子设备的热泵精馏系统包括精馏塔、分离器、预热器和再沸器，还包括冷凝器和三端口波转子；所述三端口波转子包含高压入口、低压入口和中压出口。
12.所述精馏塔的塔顶出口通过冷凝器连接分离器的蒸汽进口，分离器的冷凝液出口通过一个支路经第一调节阀连接精馏塔的塔顶回流口，另一个支路连接塔顶出料管道，分离器的不凝气出口连接三端口波转子的低压入口，外接高温驱动蒸汽的管道通过一个支路连接三端口波转子的高压入口，另一个支路连接再沸器的热侧，三端口波转子的中压出口连接预热器的热侧。
13.所述精馏塔的塔底出口通过一个支路连接塔底出料管道，另一个支路依次经预热器的冷侧、再沸器的冷侧连接精馏塔的塔底回流口。
14.所述的预热器的热侧、换热器的热侧、再沸器的热侧是指预热器、换热器、再沸器用于热流股流入、流出的设备流程，即流体经预热器、换热器、再沸器的热介质进口进入，从热介质出口流出；所述预热器的冷侧、再沸器的冷侧、换热器的冷侧是指预热器、换热器、再沸器用于冷流股流入、流出的设备流程，即流体经预热器、换热器、再沸器的冷介质进口进入，从冷介质出口流出。例如，“所述精馏塔塔底的出口通过一个支路连接塔底出料管道，另一个支路依次经预热器的冷侧、换热器的冷侧、再沸器的冷侧连接精馏塔的塔底回流口。”是指精馏塔塔底的出口通过一个支路连接塔底出料管道，另一个支路依次经预热器的冷介质进口、预热器的冷介质出口、换热器的冷介质进口、换热器的冷介质出口、再沸器的冷介质进口、再沸器的冷介质出口连接精馏塔的塔底回流口。
15.上述采用四端口波转子的技术方案中，为了弥补换热器和预热器中热量的不足，在塔底釜液的加热管路中增加了采用高温蒸汽加热的再沸器，高温蒸汽的流量通过第三调节阀来控制，第三调节阀的信号为塔底釜液的温度，高温蒸汽与塔底釜液在再沸器中换热后，经凝液分离器流出，高温蒸汽经过再沸器换热后流入凝液分离器中，气体从凝液分离器的上口流出，液体从凝液分离器的下口流出。利用压缩比较低的压缩机和波转子的组合来代替压缩比较高压缩机和冷凝器。在这个过程中，塔顶蒸汽经过压缩机后，变为高温高压蒸汽；蒸汽经过换热器换热后，温度降低，压力仍保持高压，从波转子的高压入口进入后，利用波转子的膨胀波制冷作用，对高压蒸汽进行冷却，将其变为低温低压蒸汽，从而进入分离器进行分离；另一端的低温低压蒸汽进入波转子的低压入口后，在波转子的激波增压作用下，变为高温中压气体，通过管路进入预热器对塔底釜液进行加热。该循环通过波转子实现了冷却和增压作用，不需要压缩机的高压缩比和冷凝器中的冷量，以达到节能的目的。利用经预热器返回的中压蒸汽驱动膨胀机转动，通过膨胀机输出的轴功驱动波转子转动，从而实现中压蒸汽所含能量的利用，减少电能的消耗。
16.本发明的有益效果是：一种嵌入波转子设备的热泵精馏系统包括精馏塔、预热器、再沸器、分离器和用于冷凝塔顶蒸汽、排除不凝气、辅助塔底釜液再沸的波转子。波转子采用三端口的波转子或者四端口的波转子。这种嵌入波转子设备的热泵精馏系统相比现有的蒸汽压缩式热泵循环技术，具有以下技术优势：
1.利用波转子的膨胀波制冷效应和换热器可以将高压高温气体冷却，同时激波的制热效应和增压性能可以将低温低压气体变为高温中压气体，从而放出热量，加热塔底釜液，这个过程中降低了压缩机的压力比，并且波转子通过蒸汽的压力能驱动，仅压缩机消耗较少的电能，节约成本。
17.2.波转子的引射效率高于喷射器，可以将大量不凝气迅速地排出系统外，防止不凝气聚集在塔顶，影响精馏操作的安全高效性。
18.3.减小压缩机压缩比的同时降低塔底再沸器的热负荷，有利于系统中余热的利用和减少能源的消耗。除此之外，经过预热器返回到膨胀机的蒸汽还具有波转子增压获得的较高压力，因此可利用这部分压力能带动膨胀机转动，将蒸汽的压力能转换为轴功，进而驱动波转子自身旋转。
附图说明
19.图1是一种嵌入波转子设备的热泵精馏系统的结构示意图。
20.图2是另一种嵌入波转子设备的热泵精馏系统的结构示意图。
21.图中：1、精馏塔，2、分离器，3、第一调节阀，4、压缩机，4a、冷凝器， 5、四端口波转子，5a、三端口波转子，6、膨胀机，7、第二调节阀，8、预热器，9、换热器，10、再沸器，11、凝液分离器，12、第三调节阀，13、无级变速器。
具体实施方式
22.下面结合实施例和附图对本发明进一步详细说明。
23.实施例1图１示出了一种嵌入波转子设备的热泵精馏系统的结构示意图。图中，这种嵌入波转子设备的热泵精馏系统包括精馏塔1、分离器2、预热器8、换热器9、压缩机4、四端口波转子5、膨胀机6、再沸器10和无级变速器13；四端口波转子5包含的高压入口h
p
、低压入口l
p
、低温出口l
t
和高温出口h
t
。
24.精馏塔1塔顶的出口依次经压缩机4、换热器9的管程连接四端口波转子5的高压入口h
p
，四端口波转子5的低温出口l
t
连接分离器2的蒸汽进口，分离器2的冷凝液出口一个支路通过第一调节阀3连接精馏塔1的塔顶回流口，另一个支路连接塔顶出料管道，分离器2上设置不凝气排出管；四端口波转子5的高温出口h
t
通过预热器8的管程后一个支路经第二调节阀7连接四端口波转子5的低压入口l
p
，另一个支路经膨胀机6连接四端口波转子5的低压入口l
p
，膨胀机6通过无级变速器13连接波转子5。
25.精馏塔1塔底的出口通过一个支路连接塔底出料管道，另一个支路依次经预热器8的壳程、换热器9的壳程、再沸器10的壳程连接精馏塔1的塔底回流口；外接高温蒸汽管道通过第三调节阀12依次连接再沸器10的管程、凝液分离器11。
26.这种嵌入波转子设备的热泵精馏系统的工作过程：精馏塔1塔顶的蒸汽通过管路进入压缩机4的进气端，在压缩机4中压缩成高温高压气体，然后进入换热器9与塔底釜液进行换热，放出热量，来到波转子5的高压入口h
p
，在膨胀波的制冷作用下到达低温出口l
t
时，已被冷却为低温气体，再通过管路进入分离器2，在分离器2中，不凝气通过不凝气排出管排出系统，冷凝液中一部分通过第一调节阀3返回到塔顶，其余的作为塔顶产品被收集起来。
塔底釜液一部分被收集作为塔底产品，其余的通过管路首先进入预热器8的壳程与来自高温出口h
t
的高温中压气体进行换热，吸收热量，再进入换热器9被加热，最后进入再沸器10继续吸收热量，成为蒸汽返回到塔底，继续进行精馏过程。预热器8管程的高温中压气体经过换热后，被冷却为低温气体，再通过膨胀机6输出轴功驱动波转子转动，膨胀机6和波转子5之间通过无级变速器13调节波转子所需的转速，气体输出轴功后变为低温低压气体返回到波转子5的低压入口l
p
；同时多余的低温中压气体通过旁通支路中的第二调节阀7后变为低温低压气体后与来自膨胀机6的气体汇合，一同返回波转子5的低压入口l
p
，在波转子5的激波制热和增压效应下，变为高温中压气体，通过管路来到塔底的预热器8进行换热，再经第三调节阀7和膨胀机6返回到波转子5的低压入口l
p
，完成一个开式热泵精馏循环。
27.实施例2图2 示出了另一种嵌入波转子设备的热泵精馏系统的结构示意图。图中，这种嵌入波转子设备的热泵精馏系统包括精馏塔1、分离器2、预热器8、再沸器10、冷凝器4a和三端口波转子5a；三端口波转子5a包含高压入口h
p
、低压入口l
p
和中压出口m
p
。
28.精馏塔1的塔顶出口通过冷凝器4a连接分离器2的蒸汽进口，分离器2的冷凝液出口通过一个支路经第一调节阀3连接精馏塔1的塔顶回流口，另一个支路连接塔顶出料管道，分离器2的不凝气出口连接三端口波转子5a的低压入口l
p
，外接高温驱动蒸汽的管道通过一个支路连接三端口波转子5a的高压入口h
p
，另一个支路连接再沸器10的管程，三端口波转子5a的中压出口m
p
连接预热器8的管程。
29.精馏塔1的塔底出口通过一个支路连接塔底出料管道，另一个支路依次经预热器8的壳程、再沸器10的壳程连接精馏塔1的塔底回流口。
30.这种嵌入波转子设备的热泵精馏系统的工作过程：精馏塔1塔顶的蒸汽通过管路进入塔顶冷凝器4a，被冷却为气液混合物再进入分离器2，分离器2中的不凝气进入三端口波转子5a的低压入口l
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，与进入三端口波转子5a高压入口h
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的驱动蒸汽，在波转子的引射作用下，变为高温中压气体，在管路的引导下进入预热器8，放出热量后流经凝液分离器11，不凝气从凝液分离器11的上口流出，凝液从下口流出；同时塔底釜液一部分被收集作为塔底产品，其余的通过管路流入预热器8，与来自中压出口m
p
的高温中压气体进行换热，吸收热量，然后在再沸器10中与高温驱动蒸汽进行换热后，成为蒸汽返回到塔底，继续进行精馏过程。