[0001] 本发明涉及化工处理技术领域，具体涉及一种耦合闭式热泵工艺和装置。

[0002] 粗乙醇精制工艺需要将粗乙醇中含有的水、甲醇、异丙醇等与乙醇沸点相近的组分进行较好地分离，以得到精(电子级)乙醇，其相对挥发度接近于1。精馏过程需要较高的能耗，若采用常规精馏工艺，塔顶气相使用冷却水降温，在低温精馏时甚至需要较昂贵的冷剂，塔釜若采用蒸汽加热，蒸汽消耗量巨大，因此需要采取必要措施节约能耗，降低产品生产成本。

[0003] 在目前精馏系统的节能措施中，热泵精馏是一种十分经济有效的节能措施。申请号为CN202410005202.9的中国专利提出了一种热泵精馏系统和方法，用于降低氚分离的能耗，实现精馏节能。该热泵精馏系统主要通过设置蒸发器、热泵组件实现塔顶冷凝器和塔釜再沸器的换热，蒸汽通过蒸发器与冷却介质换热带走蒸汽热量，冷却介质换热后得到气相工质通过再沸器组件加热塔釜液，实现精馏节能。但该热泵精馏装置存在的缺点是一套热泵装置只能为一个精馏塔提供热量，当精馏塔数量较多时需要适应性设置多套热泵装置，而每套热泵装置均需要消耗能量，这样无疑增加了能量的消耗，增加了设备成本。

[0050] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

[0051] 应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、元件、部件、和/或它们的组合。

[0052] 尽管可以在文中使用术语第一、第二等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或比段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。另外，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0053] 为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“前”、“后”、“中”、“内”、“纵向”、“横向”、“侧”、“竖”、“外”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中机构的不同方位。例如，如果在图中的机构翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。机构可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

[0054] 粗乙醇精制工艺需要将粗乙醇中含有的水、甲醇、异丙醇等与乙醇沸点相近的组分进行较好地分离，以得到精(电子级)乙醇，其相对挥发度接近于1。精馏过程需要较高的能耗，若采用常规精馏工艺，塔顶气相使用冷却水降温，在低温精馏时甚至需要较昂贵的冷剂，塔釜若采用蒸汽加热，蒸汽消耗量巨大，因此需要采取必要措施节约能耗，降低产品生产成本。

[0055] 在目前精馏系统的节能措施中，热泵精馏是一种十分经济有效的节能措施。申请号为CN202410005202.9的中国专利提出了一种热泵精馏系统和方法，用于降低氚分离的能耗，实现精馏节能。该热泵精馏系统主要通过设置蒸发器、热泵组件实现塔顶冷凝器和塔釜再沸器的换热，蒸汽通过蒸发器与冷却介质换热带走蒸汽热量，冷却介质换热后得到气相工质通过再沸器组件加热塔釜液，实现精馏节能。但该热泵精馏装置存在的缺点是一套热泵装置只能为一个精馏塔提供热量，当精馏塔数量较多时需要适应性设置多套热泵装置，而每套热泵装置均需要消耗能量，这样无疑增加了能量的消耗，增加了设备成本。

[0056] 基于此，本发明提供了一种投资低、能耗低、可实现工艺生产过程中双塔或多塔热量循环利用的耦合闭式热泵工艺和装置，将双塔或多塔上的冷凝器及再沸器分别与同一循环泵建立闭式回路，进而可有效降低了双塔或多塔热量循环时的能量消耗。

[0057] 且目前精馏系统(申请号为CN202410005202.9的中国专利)除冷凝器和再沸器外还需要再设置冷凝器进行塔顶蒸汽换热，增加了设备成本。

[0058] 基于此，本发明提供的耦合闭式热泵工艺和装置，将再沸器冷凝后的液相工质循环回输至原有冷凝器作为冷凝介质来使用。

[0059] 下面结合本发明第一方面的耦合闭式热泵装置详细阐述本发明的具体实施例。

[0060] 需要说明的是，本发明第一方面的耦合闭式热泵装置只是本发明的优选实施例，本发明的耦合闭式热泵装置既可采用本发明第一方面的耦合闭式热泵装置，也可采用其他结构，为了方便阐述，下面通过本发明第一方面的耦合闭式热泵装置进行阐述。

[0061] 如图1所示，本实施例公开了一种耦合闭式热泵装置，包括冷凝器、第一汇总管路10、分液罐2、热泵压缩机1、再沸器、进料预热器、工质缓冲罐3、第二汇总管路11和循环泵9。
冷凝器、第一汇总管路、分液罐2、热泵压缩机1、再沸器、工质缓冲罐3、第二汇总管路依次连接，冷凝器、第一汇总管路、分液罐2、热泵压缩机1、进料预热器、工质缓冲罐3、第二汇总管路依次连接。

[0062] 冷凝器设置有至少两个，分别设置在不同的精馏塔塔顶，用于冷却精馏塔塔顶的馏出物并产生低温低压蒸汽。冷凝器的壳程用于输送液相工质，冷凝器的管程用于输送精馏塔塔顶的馏出物，冷凝器的壳体内腔与内部管路互不连通。

[0063] 第一汇总管路与至少两个冷凝器的介质输出口连接，用于将不同冷凝器产生的低温低压蒸汽进行汇合。

[0064] 热泵压缩机1与第一汇总管路的输出口连接，用于接收至少两个精馏塔的塔顶冷凝器产生的低温低压蒸汽，并将低温低压蒸汽升温增压为高温高压蒸汽。

[0065] 再沸器设置有至少两个，分别与热泵压缩机1的输出口连接并将高温高压蒸汽冷凝为液相工质。

[0066] 进料预热器设置有至少两个，分别与热泵压缩机1的输出口连接并将高温高压蒸汽冷凝为液相工质。各再沸器和进料预热器分别连接在输送支路上，各输送支路并联设置在热泵压缩机1的输出口与工质缓冲罐3的输入口之间。

[0067] 第二汇总管路与至少两个再沸器和/或至少两个进料预热器的介质输出口连接，且与至少两个冷凝器的介质入口连接，第二汇总管路用于将再沸器和/或进料预热器产生的液相工质汇合。

[0068] 循环泵9设置在第二汇总管路上，用于将第二汇总管路内的液相工质泵送至冷凝器。

[0069] 冷凝器、第一汇总管路、热泵压缩机1、再沸器与第二汇总管路之间构成闭式回路，和/或冷凝器、第一汇总管路、热泵压缩机1、进料预热器与第二汇总管路之间构成闭式回路。

[0070] 上述耦合闭式热泵装置，一组热泵装置可同时耦合双塔或多塔，同时为双塔或多塔之间提供热量，实现双塔或多塔热量循环利用。采用热泵装置回收热量，使塔顶冷凝器与塔釜再沸器的冷凝介质和加热介质实现热量循环利用，并将热泵装置产生的一部分热量用于进料预热器，进一步降低了能量消耗，从而提高了产品的经济效益。

[0071] 耦合闭式热泵装置采用的循环工质为水，也可采用其他介质，此处不对介质的具体组分进行限制。循环工质在封闭回路中循环，不与工艺系统直接接触，避免了循环工质对乙醇产品纯度产生影响。

[0072] 在一些实施例中，耦合闭式热泵装置还包括分液罐2。分液罐2设置在第一汇总管路上，更为具体地，分液罐2设置在塔顶冷凝器冷侧出口与热泵压缩机入口之间。分液罐2用于将第一汇总管路内的低温低压蒸汽进行气液两相分离，分液罐2的顶端为气相输出端，分液罐2的底端为排液端，排液端连接排液管道，排液管道上设置有输送泵。

[0073] 在一些实施例中，耦合闭式热泵装置还包括工质缓冲罐3。工质缓冲罐3设置在第二汇总管路上，更为具体地，工质缓冲罐3设置在塔釜再沸器加热介质出口与循环泵入口之间。工质缓冲罐3用于将第二汇总管路内的液相工质进行缓冲调节。

[0074] 在一些实施例中，耦合闭式热泵装置还包括锅炉给水系统。锅炉给水系统具有第一给水管路和第二给水管路。第一给水管路输送至热泵压缩机1本体，在热泵压缩机1工作的同时使用锅炉水为热泵压缩机1喷水降温，以降低热泵压缩机1功率。第二给水管路输送至工质缓冲罐3对闭式回路进行补水。

[0075] 在一些实施例中，热泵压缩机1产生的高温高压蒸汽部分传输至蒸汽管网，能够为外部蒸汽管网供给高温高压蒸汽。

[0076] 在一些实施例中，第二汇总管路上还设置有排污管路，排污管道具体设置在位于循环泵9后段的第二汇总管路上，排污管道用于将闭式回路中的污水外排，保证了工质的洁净度。

[0077] 上述一种低投资耦合闭式热泵装置，其主要流程为：循环工质作为塔顶冷凝器冷却介质将塔顶物料冷凝，本身吸收热量蒸发为气态，气相工质进入热泵压缩机1，经所述热泵压缩机1增压升温至塔釜再沸器，加热塔釜物料后放出热量冷凝为液态，重新作为冷却介质冷凝塔顶物料。此外，循环工质经热泵压缩后产生的热量除用于加热塔釜物料外，一部分还引入进料预热器8用于进料预热。

[0078] 下面结合本发明第二方面的耦合闭式热泵工艺详细阐述本发明的具体实施例。

[0079] 需要说明的是，本发明第二方面的耦合闭式热泵工艺只是本发明的优选实施例，本发明的耦合闭式热泵工艺既可采用本发明第二方面的耦合闭式热泵工艺，也可采用其他方法，为了方便阐述，下面通过本发明第二方面的耦合闭式热泵工艺进行阐述。

[0080] 如图1所示，本实施例公开了一种耦合闭式热泵工艺，包括以下步骤：

[0081] S1.将至少两个精馏塔的塔顶冷凝器产生的低温低压蒸汽输送至同一热泵压缩机1，低温低压蒸汽经热泵压缩机1升温增压为高温高压蒸汽。在步骤S1中，将至少两个精馏塔的塔顶冷凝器产生的低温低压蒸汽输送至同一热泵压缩机前，还包括对低温低压蒸汽进行气液两相分离步骤：将至少两个精馏塔的塔顶冷凝器产生的低温低压蒸汽输送至分液罐2进行气液两相分离，经分离后的低温低压蒸汽气相输送至热泵压缩机1。在本实施例中，低温低压蒸汽进行气液分离后再将其气相输送至热泵压缩机1，保证了热泵压缩机1能够正常持续运行。

[0082] S2.高温高压蒸汽一部分被输送至塔釜再沸器和进料预热器作为加热蒸汽，另一部分高温高压蒸汽被输送至界区外蒸汽管网，对蒸汽管网进行蒸汽供给。

[0083] S3.经与再沸器和/或进料预热器换热后的高温高压蒸汽冷凝为液相工质，并在汇总后由循环泵9循环输送至至少两个精馏塔的塔顶冷凝器作为冷凝介质，重新用于冷凝塔顶气相物流，如此循环往复，从而实现热量的充分利用和循环利用，以节约能量消耗，使冷凝器、热泵压缩机1及再沸器形成与精馏塔互不连通的闭式回路，和/或使冷凝器、热泵压缩机1及进料预热器形成与精馏塔互不连通的闭式回路。

[0084] 需要说明的是，本实施例可单独将再沸器与高温高压蒸汽进行换热，也可单独将进料预热器与高温高压蒸汽进行换热，还可同时将再沸器和进料预热器同时与高温高压蒸汽进行换热，具体换热情形可根据实际工况确定。

[0085] 上述耦合闭式热泵工艺，可以根据不同生产工艺的需要，使用单套热泵装置同时耦合多个精馏塔，实现多塔热量循环利用。采用热泵装置回收热量，实现塔顶冷凝器和塔釜再沸器的冷凝介质和汽化介质之间的热量传递，使塔顶冷凝器的冷凝介质与塔釜再沸器的加热介质实现热量循环利用，并将热泵装置产生的一部分热量用于进料预热，进一步降低了工艺生产流程的外部能量消耗，从而提高了产品的经济效益。

[0086] 上述耦合闭式热泵工艺，闭式回路中的工质不与工艺物料接触，对产品纯度不产生任何影响。

[0087] 在步骤S2中，经与再沸器和/或进料预热器换热后的高温高压蒸汽冷凝为液相工质，并由循环泵循环输送至至少两个精馏塔的塔顶冷凝器重新作为冷凝介质冷凝塔顶气相物流前，还包括对高温高压蒸汽冷凝为的液相工质进行缓冲调节的步骤：经与再沸器和/或进料预热器换热后的高温高压蒸汽冷凝为液相工质后，输入至工质缓冲罐3储存，循环泵将工质缓冲罐3中的液相工质循环输送至至少两个精馏塔的塔顶冷凝器。在本实施例中，工质缓冲罐3能够调节液相工质的压力、温度和流量，确保正产过程的稳定性。通过工质缓冲罐3对各再沸器和/或进料预热器产生的液相工质进行储存，并根据精馏塔的工况，通过循环泵9重新分配给各冷凝器。

[0088] 闭式回路中的工质在经气液分离、部分输入至蒸汽管网及排污过程中，会存在损失，为了弥补闭式回路中工质的损失，上述耦合闭式热泵工艺还包括为闭式回路进行补水的步骤：引入一股锅炉给水至工质缓冲罐3，将锅炉给水作为补给水输入闭式回路，保证闭式回路中的工质能够处于正常的循环流动状态。同时工质缓冲罐出口设置一股排污水，用于进行工质缓冲罐3的排污操作。

[0089] 上述耦合闭式热泵工艺还包括对热泵压缩机1进行降温的步骤：引入一股锅炉给水至热泵压缩机1的本体，利用锅炉水对热泵压缩机1进行降温，降低了热泵压缩机1功率，进一步降低了用电消耗。

[0090] 上述耦合闭式热泵工艺，还包括对不同精馏塔上的冷凝器、再沸器进行流量控制的方法，包括以下步骤：因各精馏塔上的冷凝器产生的低温低压蒸汽共同汇入至同一个热泵压缩机进行加压，使各低温低压蒸汽进行汇合，热泵压缩机在进行高温高压蒸汽输出时，可根据工况去调节输入至各精馏塔上的再沸器的高温高压蒸汽量。具体地，通过调节各再沸器和/或进料预热器支路上的流量阀进行实现。当某一精馏塔所需加热的塔内液体和/或原料量较小时，可相应地向该精馏塔的再沸器和/或进料预热器通入较少的高温高压蒸汽。同理，当某一精馏塔所需加热的塔内液体和/或原料量较大时，可相应地向该精馏塔的再沸器和/或进料预热器通入较多的高温高压蒸汽。

[0091] 同理，各再沸器和/或进料预热器将高温高压蒸汽冷凝后的液相工质在工质缓冲罐3汇合后，可根据工况去调节输入至各精馏塔上的冷凝器的液相工质量。具体地，通过调节各冷凝器支路上的流量阀进行实现。当某一精馏塔所需液相工质量较小时，可相应地向该精馏塔的冷凝器通入较少的液相工质。同理，当某一精馏塔所需加热的液相工质量较大时，可相应地向该精馏塔的冷凝器通入较多的液相工质。

[0092] 如图1所示，以精馏塔设置两个为例，冷凝器设置有两个，分别为第一精馏塔冷凝器4和第二精馏塔冷凝器5，第一精馏塔冷凝器4和第二精馏塔冷凝器5分别设置在不同的精馏塔上。再沸器设置有两个，分别为第一精馏塔再沸器6和第二精馏塔再沸器7，第一精馏塔再沸器6和第二精馏塔再沸器7分别设置在不同的精馏塔上。两个精馏塔的顶部输出馏出物，并与第一精馏塔冷凝器4和第二精馏塔冷凝器5进行热交换。第一精馏塔冷凝器4和第二精馏塔冷凝器5产生的低温低压蒸汽进入分液罐2进行气液两相分离后，气相介质汇入第一汇总管路，由同一热泵压缩机1增压为高温高压蒸汽，由热泵压缩机分别输送至第一精馏塔再沸器、第二精馏塔再沸器、进料预热器作为汽化介质加热塔釜物料和预热原料乙醇，其自身被冷凝为液相，进入工质缓冲罐储存，由循环泵输送至第一精馏塔冷凝器4和第二精馏塔冷凝器5作为冷凝介质冷凝塔顶气相物流，其自身被汽化为低温低压蒸汽，由热泵压缩机再次升温增压，如此循环往复，实现整个工艺流程的热量循环。

[0093] 其中，循环泵出口的液相，分别经过第一精馏塔冷凝器4和第二精馏塔冷凝器5回收热量，被汽化，然后经过分液罐进入到热泵压缩机1，经热泵压缩机1增压后，作为第一精馏塔再沸器和第二精馏塔再沸器的热源，自身被冷凝后，进入到缓冲罐中被循环利用。

[0094] 实施例1

[0095] 在实施例1中，基于处理能力为10万吨/年精乙醇装置，流量为13898kg/h，质量组成为：水2.4384％，乙醇97.4710％，其它轻重组分0.0906％。

[0096] 如图1所示，第一精馏塔的塔顶冷凝器产生的低温低压蒸汽(流量为44129kg/h，温度111.2℃，压力0.048MPaG)和第二精馏塔的塔顶冷凝器产生的低温低压蒸汽(流量为39380kg/h，温度111.2℃，压力0.048MPaG)经分液罐2由热泵压缩机1压缩为高温高压蒸汽(温度150℃，压力0.28MPaG)，分别输送至第一精馏塔的再沸器(流量为42975kg/h，温度
148.9℃，压力0.25MPaG)、第二精馏塔的再沸器(流量为38112kg/h，温度148.9℃，压力
0.25MPaG)和进料预热器8(流量为1549kg/h，温度148.9℃，压力0.25MPaG)用于加热工艺物料；另一部分被输送至界区外蒸汽管网(流量为7946kg/h，温度149.7℃，压力0.27MPaG)。高温高压蒸汽作为塔釜再沸器和进料预热器的加热介质加热工艺物料后自身被冷凝为液体，第一精馏塔再沸器6、第二精馏塔再沸器7和进料预热器8热侧出口液体(温度134℃，压力
0.22MPaG)，进入工质缓冲罐3储存，经循环泵分别输送至第一精馏塔冷凝器4(温度112.6℃，压力0.055MPaG)和第二精馏塔冷凝器5(温度112.6℃，压力0.055MPaG)作为塔顶冷凝器冷却介质用于冷凝塔顶工艺物料，自身被汽化为低温低压蒸汽，进入分液罐2再次经热泵压缩机1升温增压，如此循环往复，实现整个工艺流程的热量循环和利用。

[0097] 在此过程中，来自界区的新鲜锅炉给水一部分用于压缩机喷水降温(流量为7074kg/h，温度137℃，压力2MPaG)，以降低压缩机功率；另一部分输送至工质缓冲罐(流量为2200kg/h，温度135.9℃，压力0.22MPaG)，同时通过排污泵连续排污(流量为1328kg/h，温度134.1℃，压力0.39MPaG)，以保证工质洁净度。

[0098] 对比例1

[0099] 除不采用热泵装置进行热量循环外，其余内容与实施例1相同。

[0100] 对比例2

[0101] 除采用两套热泵装置进行热量循环外，其余内容与实施例1相同。

[0102] 本发明实施例1及对比例1和对比例2所用循环水、蒸汽、折合能耗及设备投资对比情况如下表1所示。

[0103] 表1

[0104]序号 项目 单位 实施例1 对比例1 对比例2
1 循环水 t/h 52 4350 52
2 蒸汽 t/h ‑7.95 81.1 ‑7.95
3 电 KW h 5634 ‑ 5634
4 设备投资 万元 2400 ‑ 3700

[0105] 从以上表1可以看出，在不使用热泵装置进行热量循环的情况下，循环水消耗量和蒸汽消耗量巨大，相较于对比例1，本发明实施例1循环水消耗降低了98.8％，副产蒸汽7.95t/h，节能效果显著。

[0106] 从以上表1可以看出，在采用2套热泵装置进行热量循环时，相较于单套热泵装置，设备投资增加了54％。

[0107] 由此可知，本发明采用的单套热泵装置耦合双塔热量循环利用既做到了节约能耗，也降低了设备投资，降低了产品生产成本。

[0108] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。