一种耦合回热式混合工质热泵的精馏塔

文献发布时间：2024-04-18 19:58:30

技术领域

本申请涉及化工精馏分离技术领域，特别涉及一种耦合回热式混合工质热泵的精馏塔。

背景技术

精馏是分离混合物中轻组分和重组分的重要方法。现有精馏塔运行时一般同时需要在塔顶冷凝器供应冷量和在塔底再沸器供应热量，分别用于轻组分的冷凝和重组分的再沸；蒸气压缩式制冷机组和热泵是作为冷源和热源的主要选择之一。然而对于塔顶塔底温差较大的精馏塔，常规的机械式制冷机组只能供应冷量，其冷凝器的热热量品位较低难以直接用于塔底再沸；而常规的蒸气压缩式热泵机组则只能供应热量，其冷端也难以直接用于塔顶冷凝。综合来看，采用常规蒸气压缩式制冷或热泵机组用于精馏塔存在能量综合利用效率不高，能耗较大的问题。

混合工质回热式循环能在较大温度跨度内运行制冷/泵热，其制冷/泵热温跨可超过100℃，并可通过优化工质配比同时满足制冷/泵热需求，系统结构简单、效率较高、灵活性强，且尤其适合分布式冷/热负荷。通过耦合精馏塔与混合工质回热式热泵循环可实现大温跨精馏过程冷量、热量的高效供应。

发明内容

鉴于此，有必要针对现有技术中存在缺陷提供一种能适应较大精馏塔塔顶与塔底温差、结构简单可靠、整体能耗低的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔。

为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

本申请提供了一种耦合回热式混合工质热泵的精馏塔，包括：压缩机(101)、后冷却器(102)、回热换热器(103)、节流元件(104)、冷端换热器(105)、塔体(106)和回流分配器(107)；其中：

混合工质经所述压缩机(101)增压后形成的高压混合工质进入所述后冷却器(102)，所述高压混合工质在所述后冷却器(102)进行冷却过程中释放的热量用于再沸过程，然后经所述后冷却器(102)的出口进入所述回热换热器(103)，所述高压混合工质在所述回热换热器(103)中被低压混合工质冷却后，经所述节流元(104)降温降压形成低压混合工质，所述低压混合工质进入所述冷端换热器(105)为塔顶冷凝提供冷量，然后经所述冷端换热器(105)的出口进入所述回热换热器(103)，并经过所述回热换热器(103)释放冷量后返回至所述压缩机(101)完成循环；

待分离物料从进料口进入所述塔体(106)中部，气相物料自所述进料口向上经过所述塔体(106)的精馏段与回流液进行传热传质，然后在所述塔体(106)的塔顶的所述冷端换热器(105)中被所述低压混合工质提供的冷量冷凝后，气相轻组分作为产品采出，而液相轻组分经所述回流分配器(107)分为两股，一股作为产品采出，一股回流至所述塔体(106)后形成回流液参与精馏；所述液相物料从所述进料口向下经过所述塔体(106)的提馏段与从所述后冷却器(102)返回至所述塔体(106)的气相进行传热传质，然后所述液相物料进入所述后冷却器(102)被所述高压混合工质加热沸腾，产生的气相重组分返回至所述塔体(106)，部分液相重组分则作为产品采出。

在其中一些实施例中，所述混合工质为多元混合物，其组元包括但不限于下列物质中的几种：氮气、甲烷、四氟化碳、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、R23、R41、R116、R32、R125、R143a、R22、R218、R1234yf、R1234ze(E)、R1234ze(Z)、R134a、R152a、R227ea、R236fa、R236ea、R245fa、R245ca、R356mfc、R4310mee。

在其中一些实施例中，所述冷端换热器(105)还连接有附加冷源(108)，所述后冷却器102连接有附加热源(109)。

在其中一些实施例中，所述后冷却器(102)出口的高压混合工质分为两股，一股所述高压混合工质直接进入所述塔体(106)的提馏段内的高压混合工质换热管(110)释放热量且同时也被所述待分离物料冷却；另一股所述高压混合工质进入所述回热换热器(103)被所述低压混合工质冷却；然后两股高压混合工质汇合后节流形成低压混合工质。

在其中一些实施例中，所述冷端换热器(105)出口的低压混合工质分为两股，一股所述低压混合工质直接进入所述塔体(106)的精馏段内的低压混合工质换热管(111)释放冷量同时也被待分离物料加热；另一股所述低压混合工质进入所述回热换热器(103)释放冷量用于冷却高压混合工质；然后两股低压混合工质汇合后返回所述压缩机(101)。

在其中一些实施例中，所述回热换热器(103)嵌入所述塔体(106)内，可直接与上述物料发生换热。

在其中一些实施例中，所述回热换热器(103)为逆流间壁式换热器，所述高压混合工质和所述低压混合工质直接进行间壁式回热换热。

另外，本申请还提供了一种耦合回热式混合工质热泵的精馏塔，包括：压缩机(101)、后冷却器(102)、节流元件(104)、冷端换热器(105)、塔体(106)、回流分配器(107)、高压混合工质换热管(110)和低压混合工质换热管(111)，所述高压混合工质换热管(110)和低压混合工质换热管(111)设置于所述塔体(106)，其中：

混合工质经所述压缩机(101)增压后形成的高压混合工质进入所述后冷却器(102)，所述高压混合工质在所述后冷却器(102)进行冷却过程中释放的热量用于再沸过程，然后经所述后冷却器(102)的出口进入所述高压混合工质换热管(110)，所述高压混合工质在所述高压混合工质换热管(110)中被低压混合工质冷却后，经所述节流元(104)降温降压形成低压混合工质，所述低压混合工质进入所述冷端换热器(105)为塔顶冷凝提供冷量，然后经所述冷端换热器(105)的出口进入所述低压混合工质换热管(111)，并经过所述低压混合工质换热管(111)释放冷量后返回至所述压缩机(101)完成循环；

本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：

本申请提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔，采用回热式混合工质热泵同时为精馏塔塔顶提供冷量和塔底提供热量，能适应较大精馏塔塔顶与塔底温差，无需额外从外界输入冷量和热量，可大幅降低精馏工艺能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例1提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的结构示意图。

图2为本申请实施例2提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的结构示意图。

图3为本申请实施例3提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的结构示意图。

图4为本申请实施例4提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的结构示意图。

图5为本申请实施例5提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的结构示意图。

图6为本发明实施例6提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。

实施例1

请参阅图1，为本实施例提供的一种耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的结构示意图，包括：压缩机(101)、后冷却器(102)、回热换热器(103)、节流元件(104)、冷端换热器(105)、塔体(106)和回流分配器(107)。

在本实施例中，所述后冷却器(102)承担精馏塔再沸器的功能，所述冷端换热器(105)承担精馏塔塔顶冷凝器的功能，所述塔体(106)可采用板式塔结构或填料塔结构；待分离物料子进料口进入所述塔体(106)，进料口之上为所述塔体(106)的精馏段，进料口之下为所述塔体(106)的提馏段。

在本实施例中，所述压缩机(101)、后冷却器(102)、回热换热器(103)、节流元件(104)、冷端换热器(105)构成混合工质回热式热泵循环；所述塔体(106)、后冷却器(102)、冷端换热器(105)和回流分配器107构成精馏塔。

本发明上述实施例1提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的工作方式如下：

在本实施例中，所述混合工质为多元混合物，其组元包括但不限于下列物质中的几种：氮气、甲烷、四氟化碳、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、R23、R41、R116、R32、R125、R143a、R22、R218、R1234yf、R1234ze(E)、R1234ze(Z)、R134a、R152a、R227ea、R236fa、R236ea、R245fa、R245ca、R356mfc、R4310mee。

本发明上述实施例1提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔，采用回热式混合工质热泵同时为精馏塔塔顶提供冷量和塔底提供热量，能适应较大精馏塔塔顶与塔底温差，无需额外从外界输入冷量和热量，可大幅降低精馏工艺能耗。

实施例2

请参阅图2，为本实施例2提供的一种耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的结构示意图，为方便说明，以下仅说明相关的附图。

与上述实施例1不同之处在于，所述冷端换热器(105)还连接有附加冷源(108)，所述后冷却器(102)连接有附加热源(109)，用于辅助调节精馏过程，提高工艺参数控制精度。

其它结构及其实现方式可参考实施例1，这里不再赘述。

本发明上述实施例2提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔，采用回热式混合工质热泵同时为精馏塔塔顶提供冷量和塔底提供热量，能适应较大精馏塔塔顶与塔底温差，无需额外从外界输入冷量和热量，可大幅降低精馏工艺能耗。

实施例3

请参阅图3，为本实施例3提供的一种耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的结构示意图，为方便说明，以下仅说明相关的附图。

与上述实施例1不同之处在于，本实施例3提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔，所述后冷却器(102)出口的高压混合工质分为两股，一股所述高压混合工质直接进入所述塔体(106)的提馏段内的高压混合工质换热管(110)释放热量且同时也被所述待分离物料冷却；另一股所述高压混合工质进入所述回热换热器(103)被所述低压混合工质冷却；然后两股高压混合工质汇合后节流形成低压混合工质。

其它结构及其实现方式可参考实施例1，这里不再赘述。

本发明上述实施例3提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔，采用回热式混合工质热泵同时为精馏塔塔顶提供冷量和塔底提供热量，能适应较大精馏塔塔顶与塔底温差，无需额外从外界输入冷量和热量，可大幅降低精馏工艺能耗。

实施例4

请参阅图4，为本发明实施例1提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的示意图，为方便说明，以下仅说明相关的附图。

与上述实施例1不同之处在于，在本实施例中，所述冷端换热器(105)出口的低压混合工质分为两股，一股所述低压混合工质直接进入所述塔体(106)的精馏段内的低压混合工质换热管(111)释放冷量同时也被待分离物料加热；另一股所述低压混合工质进入所述回热换热器(103)释放冷量用于冷却高压混合工质；然后两股低压混合工质汇合后返回所述压缩机(101)。

其它结构及其实现方式可参考实施例1，这里不再赘述。

本发明上述实施例4提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔，采用回热式混合工质热泵同时为精馏塔塔顶提供冷量和塔底提供热量，能适应较大精馏塔塔顶与塔底温差，无需额外从外界输入冷量和热量，可大幅降低精馏工艺能耗。

实施例5

请参阅图5，为本发明实施例5提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的结构示意图，为方便说明，以下仅说明相关的附图。

在本实施例中，所述回热换热器(103)嵌入所述塔体(106)内，可直接与上述物料发生换热。

进一步地，所述回热换热器(103)为逆流间壁式换热器，所述高压混合工质和所述低压混合工质直接进行间壁式回热换热。

其他的工作方式可参照实施例1，这里不再赘述。

本发明上述实施例5提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔，采用回热式混合工质热泵同时为精馏塔塔顶提供冷量和塔底提供热量，能适应较大精馏塔塔顶与塔底温差，无需额外从外界输入冷量和热量，可大幅降低精馏工艺能耗。

实施例6

请参阅图6，为本发明实施例6提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔的结构示意图，为方便说明，以下仅说明相关的附图。

在本实施例中，所述耦合回热式混合工质热泵的精馏塔包括压缩机(101)、后冷却器(102)、节流元件(104)、冷端换热器(105)、塔体(106)、回流分配器(107)、高压混合工质换热管(110)和低压混合工质换热管(111)，所述高压混合工质换热管(110)和低压混合工质换热管(111)设置于所述塔体(106)，其中：

本发明上述实施例6提供的耦合回热式混合工质热泵的精馏塔，采用回热式混合工质热泵同时为精馏塔塔顶提供冷量和塔底提供热量，能适应较大精馏塔塔顶与塔底温差，无需额外从外界输入冷量和热量，可大幅降低精馏工艺能耗。

可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，仅具体描述了本申请的技术原理，这些描述只是为了解释本申请的原理，不能以任何方式解释为对本申请保护范围的限制。基于此处解释，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本申请的其他具体实施方式，均应包含在本申请的保护范围之内。

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该技术已申请专利。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
专利发明人：
专利申请人：中国科学院理化技术研究所;