熱泵精餾原理及應用
1. 熱(re)泵精餾工作原(yuan)理
熱(re)泵(beng)(beng)精(jing)餾(liu)(liu)是把塔(ta)(ta)頂(ding)蒸汽(qi)(qi)加壓升溫(wen)，作為塔(ta)(ta)底(di)再沸熱(re)源，回收塔(ta)(ta)頂(ding)蒸汽(qi)(qi)的(de)(de)(de)潛熱(re)。熱(re)泵(beng)(beng)精(jing)餾(liu)(liu)是通過(guo)外(wai)加功將低(di)溫(wen)蒸汽(qi)(qi)提高到(dao)更高的(de)(de)(de)品位的(de)(de)(de)熱(re)源，以(yi)便于(yu)(yu)(yu)利(li)用(yong)(yong)(yong)其潛熱(re)。我們都知道塔(ta)(ta)頂(ding)和塔(ta)(ta)底(di)的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)差(cha)(cha)(cha)是精(jing)餾(liu)(liu)分離(li)的(de)(de)(de)驅(qu)動力，如果溫(wen)度(du)(du)差(cha)(cha)(cha)過(guo)大(da)，把塔(ta)(ta)頂(ding)蒸汽(qi)(qi)提高到(dao)能被塔(ta)(ta)釜利(li)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)水平(ping)，需(xu)要很(hen)高的(de)(de)(de)能量，因此熱(re)泵(beng)(beng)精(jing)餾(liu)(liu)一(yi)般(ban)適用(yong)(yong)(yong)于(yu)(yu)(yu)塔(ta)(ta)頂(ding)和塔(ta)(ta)底(di)溫(wen)差(cha)(cha)(cha)小的(de)(de)(de)精(jing)餾(liu)(liu)過(guo)程，據國外(wai)文獻(xian)報告，只要塔(ta)(ta)頂(ding)和塔(ta)(ta)底(di)溫(wen)差(cha)(cha)(cha)小于(yu)(yu)(yu)36℃，就(jiu)可以(yi)獲得(de)很(hen)好的(de)(de)(de)經濟效益。目前熱(re)泵(beng)(beng)精(jing)餾(liu)(liu)已經成功應(ying)用(yong)(yong)(yong)于(yu)(yu)(yu)丙烷(wan)(wan)-丙烯(xi)(xi)、乙(yi)烷(wan)(wan)-乙(yi)烯(xi)(xi)和丁烯(xi)(xi)-2-異丁烷(wan)(wan)等體系(xi)。
2.熱泵精餾的分類
熱(re)(re)泵精餾(liu)基本分為(wei)以(yi)下幾種(zhong)類(lei)型，分別(bie)是(shi)汽相(xiang)壓(ya)(ya)縮式(shi)熱(re)(re)泵精餾(liu)和(he)(he)吸(xi)收式(shi)熱(re)(re)泵精餾(liu)。汽相(xiang)壓(ya)(ya)縮式(shi)熱(re)(re)泵精餾(liu)又可分為(wei)塔(ta)頂汽相(xiang)直接壓(ya)(ya)縮式(shi)、塔(ta)底液相(xiang)閃蒸(zheng)式(shi)和(he)(he)間接蒸(zheng)汽壓(ya)(ya)縮式(shi)三(san)種(zhong)類(lei)型。以(yi)下主要介紹汽相(xiang)壓(ya)(ya)縮式(shi)熱(re)(re)泵精餾(liu)的三(san)種(zhong)類(lei)型。
2.1 塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾
塔(ta)(ta)(ta)頂(ding)(ding)汽相(xiang)直(zhi)接(jie)壓縮式(shi)熱泵精(jing)餾是以塔(ta)(ta)(ta)頂(ding)(ding)汽相(xiang)為(wei)(wei)工質，通(tong)過外部壓縮機提高塔(ta)(ta)(ta)頂(ding)(ding)汽相(xiang)的能位(wei)，使其可(ke)以作為(wei)(wei)塔(ta)(ta)(ta)底再沸(fei)器的高溫 熱源(yuan)，見圖1。一般塔(ta)(ta)(ta)頂(ding)(ding)塔(ta)(ta)(ta)頂(ding)(ding)汽相(xiang)直(zhi)接(jie)壓縮式(shi)熱泵精(jing)餾適用于塔(ta)(ta)(ta)頂(ding)(ding)和塔(ta)(ta)(ta)釜溫差較小，沸(fei)點相(xiang)近(jin)的分離體系。
圖(tu)1. 塔(ta)頂汽相直接壓(ya)縮(suo)式熱(re)泵精餾
2.2 塔底(di)液相(xiang)閃蒸式熱泵(beng)精(jing)餾
塔(ta)底液相(xiang)(xiang)(xiang)閃蒸式(shi)熱(re)泵(beng)(beng)精(jing)餾（見圖2）是以(yi)塔(ta)底液相(xiang)(xiang)(xiang)為工質，通過將(jiang)塔(ta)底液相(xiang)(xiang)(xiang)減壓(ya)，使之降壓(ya)到(dao)可以(yi)與塔(ta)頂汽(qi)相(xiang)(xiang)(xiang)進行(xing)換熱(re)的壓(ya)力(li)下(xia)，同時使其(qi)氣化(hua)，再將(jiang)其(qi)壓(ya)縮到(dao)與塔(ta)底相(xiang)(xiang)(xiang)同的溫度壓(ya)力(li)狀態后送到(dao)塔(ta)底。它與塔(ta)頂汽(qi)相(xiang)(xiang)(xiang)直接壓(ya)縮式(shi)熱(re)泵(beng)(beng)精(jing)餾比較相(xiang)(xiang)(xiang)似，不過塔(ta)底液相(xiang)(xiang)(xiang)閃蒸式(shi)熱(re)泵(beng)(beng)精(jing)餾在塔(ta)壓(ya)比較高時比較有(you)利，丙烷-丙烯分離系統一(yi)般就用這種熱(re)泵(beng)(beng)精(jing)餾形(xing)式(shi)。
圖2. 塔(ta)底液相(xiang)閃蒸式熱(re)泵精餾
2.3 間(jian)接(jie)蒸汽壓縮式熱泵精餾
間(jian)接(jie)蒸汽壓(ya)縮(suo)式熱(re)(re)泵精餾（見(jian)圖3）一(yi)般用于塔(ta)頂氣(qi)體具有腐蝕(shi)性組(zu)分的(de)情況，它采用單獨的(de)閉(bi)環工質工作。塔(ta)頂的(de)汽相將(jiang)熱(re)(re)量傳給工質，再經過(guo)壓(ya)縮(suo)機(ji)加壓(ya)后(hou)，作為塔(ta)底再沸器(qi)的(de)加熱(re)(re)熱(re)(re)源。
圖3. 間接蒸汽壓縮式熱泵精餾
3. 熱泵精(jing)餾的應用
對于(yu)熱(re)泵精餾(liu)比較常見的(de)(de)(de)就是(shi)丙(bing)烷和丙(bing)烯(xi)體(ti)系的(de)(de)(de)分離，Aspen plus的(de)(de)(de)模擬過程可參考(kao)包宗(zong)宏老師的(de)(de)(de)《化(hua)工計(ji)算與軟件應用》的(de)(de)(de)第149頁，這里我們采用Aspen plus8.4對苯和甲苯體(ti)系的(de)(de)(de)進行了塔頂汽相直接壓縮(suo)式(shi)熱(re)泵精餾(liu)，現將模擬過程和結果分享給(gei)大(da)家。本例主要是(shi)分享熱(re)泵精餾(liu)的(de)(de)(de)模擬過程和難點，并不一定(ding)適(shi)用于(yu)工業實(shi)際，因此(ci)勿作他用。
3.1 簡捷模擬
“假設有股(gu)物流，流量為(wei)100kmol/h,摩爾組成為(wei)甲苯0.6，苯0.4，分離要求為(wei)塔頂苯的摩爾分數為(wei)99.8%，塔釜甲苯為(wei)99.5%。”
在進行熱泵(beng)精(jing)餾模擬前，我們只知道分(fen)離要求(qiu)，其他操作參數我們并不知道，而(er)且熱泵(beng)精(jing)餾涉及到循環物流的收斂問(wen)題(ti)，增加(jia)了其難度(du)。
首先(xian)我們可以通過DSTWU模塊獲(huo)得其初步的操作(zuo)參數。打開軟(ruan)件后，進(jin)入(ru)物性界(jie)面，由于苯(ben)和甲(jia)苯(ben)是均相體系，我們可以選擇WILSON方程，物性界(jie)面數據全部輸入(ru)完(wan)畢(bi)后，進(jin)入(ru)模擬(ni)界(jie)面，選擇DSTWU模塊，建立簡(jian)捷塔(ta)模塊。
首先我們(men)要輸入進料數據，假設(she)泡點(dian)進料，壓力為1.1bar。
接著我們要(yao)輸入塔(ta)的(de)操作(zuo)參(can)數，我們需(xu)要(yao)輸入回(hui)(hui)收(shou)率(lv)(lv)，這里(li)的(de)回(hui)(hui)收(shou)率(lv)(lv)是指塔(ta)頂(ding)的(de)某一組(zu)分(fen)(fen)(fen)摩爾流量與進料中該組(zu)分(fen)(fen)(fen)摩爾流量的(de)比值，因此我們需(xu)要(yao)進行計算關(guan)(guan)(guan)鍵(jian)(jian)組(zu)分(fen)(fen)(fen)的(de)回(hui)(hui)收(shou)率(lv)(lv)，這里(li)只有兩組(zu)分(fen)(fen)(fen)，重關(guan)(guan)(guan)鍵(jian)(jian)組(zu)分(fen)(fen)(fen)是甲苯（A），輕關(guan)(guan)(guan)鍵(jian)(jian)組(zu)分(fen)(fen)(fen)是苯（B），其回(hui)(hui)收(shou)率(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)別為
通過以上可以求(qiu)出甲苯和(he)苯的回收率分別為0.0013和(he)0.9925。
取回流比(bi)為最小回流比(bi)的(de)1.2倍
輸入參數如下：
運行結果如下：
物(wu)(wu)流結果(guo)如下，和(he)要求的物(wu)(wu)流結果(guo)一致。
3.2 嚴格模擬
建立嚴格塔模塊，將簡(jian)捷模擬參數輸入嚴格模擬中，
你會發現嚴(yan)格模擬的(de)(de)結(jie)(jie)果(guo)與簡(jian)捷模擬結(jie)(jie)果(guo)有(you)些出(chu)入，這(zhe)很正常。為了獲取(qu)達(da)到分離(li)要(yao)(yao)求(qiu)的(de)(de)塔的(de)(de)操作參(can)數，可(ke)以使用設計(ji)規定(ding)這(zhe)一功(gong)能，我(wo)們的(de)(de)設計(ji)目標(biao)是使兩組(zu)分在塔頂的(de)(de)回(hui)收率達(da)到上述要(yao)(yao)求(qiu)，需要(yao)(yao)調(diao)整的(de)(de)參(can)數是回(hui)流比和(he)D:F的(de)(de)值(zhi)，通過設計(ji)規定(ding)得出(chu)的(de)(de)參(can)數如下
并將這(zhe)些(xie)參數重新填入(ru)嚴格(ge)塔的(de)相應(ying)的(de)位(wei)置，我們可以看到此時的(de)物流結果均(jun)已(yi)達到要求(qiu)，嚴格(ge)模擬到此結束(shu)（為了(le)優化參數可以使(shi)用靈(ling)敏度(du)分析(xi)這(zhe)一功能，此處重在(zai)如何由普通的(de)嚴格(ge)精餾轉為熱泵(beng)精餾，不再(zai)介紹靈(ling)敏度(du)分析(xi)的(de)使(shi)用）。
3.3 熱泵精餾模擬(ni)
通過嚴格模擬得到一(yi)些比較(jiao)精確的(de)參數(shu)，這(zhe)為熱泵精餾提(ti)供了一(yi)些操作參數(shu)。由于苯(ben)和甲苯(ben)是常規體系，壓(ya)力(li)為常壓(ya)，可以(yi)采用塔(ta)頂(ding)汽相直接壓(ya)縮式(shi)熱泵精餾流程，根據(ju)流程圖(tu)依次建立這(zhe)些模塊，如圖(tu)。
我(wo)們(men)(men)可(ke)以看到(dao)流(liu)程中設計到(dao)兩大(da)循環，一是(shi)塔(ta)頂的(de)(de)(de)回流(liu)，二是(shi)塔(ta)底再沸器的(de)(de)(de)蒸汽(qi)循環，這就增加了模擬的(de)(de)(de)難(nan)(nan)度。針對于帶(dai)有(you)循環的(de)(de)(de)模擬，最直接(jie)的(de)(de)(de)方(fang)法就賦值法，前提是(shi)你要有(you)比較精(jing)(jing)確的(de)(de)(de)初值，而精(jing)(jing)確的(de)(de)(de)初值的(de)(de)(de)獲取方(fang)法是(shi)一個(ge)難(nan)(nan)點。針對熱(re)泵精(jing)(jing)餾(liu)的(de)(de)(de)模擬，我(wo)們(men)(men)需要知道塔(ta)頂蒸汽(qi)和塔(ta)底液相的(de)(de)(de)組成及總量，這個(ge)獲取的(de)(de)(de)方(fang)法并不(bu)難(nan)(nan)，可(ke)以通過(guo)虛(xu)(xu)擬物流(liu)獲得(de)，下面介紹虛(xu)(xu)擬物流(liu)（Pseudo Stream）的(de)(de)(de)使用。
當塔處于物(wu)(wu)流(liu)(liu)線(xian)(xian)連(lian)接(jie)的(de)(de)狀態時，塔的(de)(de)右側(ce)有兩條(tiao)(tiao)線(xian)(xian)，一條(tiao)(tiao)是(shi)(shi)(shi)Side Product（側(ce)線(xian)(xian)出(chu)料），另(ling)一條(tiao)(tiao)是(shi)(shi)(shi)PseudoStream（虛擬物(wu)(wu)流(liu)(liu)），二者(zhe)的(de)(de)區別是(shi)(shi)(shi)前(qian)者(zhe)是(shi)(shi)(shi)真實存(cun)在的(de)(de)物(wu)(wu)流(liu)(liu)線(xian)(xian)，可以改變塔的(de)(de)組(zu)成，后(hou)者(zhe)是(shi)(shi)(shi)虛擬的(de)(de)物(wu)(wu)流(liu)(liu)，它是(shi)(shi)(shi)為了方便看某(mou)一塔板的(de)(de)汽液(ye)相(xiang)的(de)(de)組(zu)成的(de)(de)，并不能改變塔的(de)(de)組(zu)成，因(yin)(yin)此在連(lian)接(jie)虛擬物(wu)(wu)流(liu)(liu)時一定要(yao)注意不要(yao)連(lian)接(jie)錯(cuo)誤。我(wo)們需要(yao)知(zhi)道塔頂氣(qi)相(xiang)和(he)塔底(di)液(ye)相(xiang)的(de)(de)流(liu)(liu)量(liang)和(he)組(zu)成，因(yin)(yin)此需要(yao)引(yin)出(chu)兩條(tiao)(tiao)虛擬物(wu)(wu)流(liu)(liu)，相(xiang)關(guan)參數設置(zhi)如下。
大家(jia)看到這個(ge)設置或許(xu)會有(you)疑問：為(wei)(wei)什么是(shi)(shi)第(di)二和(he)第(di)二十六塊(kuai)(kuai)塔(ta)板(ban)？這是(shi)(shi)因為(wei)(wei)在Aspen plus中，塔(ta)頂冷凝器(qi)(qi)和(he)塔(ta)底(di)再沸器(qi)(qi)各算一(yi)塊(kuai)(kuai)理論板(ban)，而(er)(er)且冷凝器(qi)(qi)是(shi)(shi)第(di)一(yi)塊(kuai)(kuai)理論板(ban)，這和(he)我(wo)們學(xue)習(xi)的(de)(de)(de)(de)化工(gong)原理有(you)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)出入(ru)，并不(bu)影響(xiang)塔(ta)的(de)(de)(de)(de)計(ji)算結果，而(er)(er)我(wo)們要(yao)查看塔(ta)頂的(de)(de)(de)(de)氣相和(he)塔(ta)底(di)液相，它們分別(bie)位于第(di)二和(he)第(di)二十六塊(kuai)(kuai)理論板(ban)，因此在進(jin)行塔(ta)的(de)(de)(de)(de)模擬(ni)計(ji)算要(yao)注(zhu)意。設置好虛擬(ni)物(wu)流后，重(zhong)新運(yun)行，我(wo)們便可(ke)以得到我(wo)們想要(yao)的(de)(de)(de)(de)結果。
將這兩條物流結(jie)果(guo)復制到(dao)熱泵流程(cheng)中(zhong)的(de)塔頂和塔底物流上，自此賦值便(bian)完成。接下來(lai)是(shi)熱泵流程(cheng)各(ge)模塊(kuai)參(can)數(shu)的(de)輸入，兩個分(fen)流器的(de)值由嚴(yan)格塔的(de)計算結(jie)果(guo)得出(chu)，壓(ya)(ya)縮機(ji)的(de)壓(ya)(ya)力我(wo)(wo)們暫時無法計算，我(wo)(wo)們可以先(xian)估計一(yi)個壓(ya)(ya)力，此處輸入5bar，當流程(cheng)打(da)通后，我(wo)(wo)們可以進(jin)行調整。
各單元參數輸(shu)入完(wan)畢后，可(ke)以(yi)運行，為(wei)了一(yi)次(ci)打通流程，我們把(ba)收斂迭(die)代次(ci)數改(gai)為(wei)100，如圖
運(yun)行結(jie)果顯示比(bi)較完美，我(wo)們可(ke)以查(cha)看物流結(jie)果是否達到要求(qiu)，結(jie)果顯示達到要求(qiu)。
以上就是(shi)熱泵精餾模擬的全部過程(cheng)。
4. 節能效果比較
根據(ju)對模(mo)擬(ni)計算結果(guo)，我們很容易看到(dao)熱(re)泵精餾具(ju)有很好節能效果(guo)。
普通精餾
塔頂冷(leng)凝器熱負(fu)荷（kW）
塔底(di)再沸器熱負荷(he)（kW）
-1151.290
1158.413
熱泵精餾
冷凝器熱負荷(he)（kW）
壓縮機熱(re)負(fu)荷（kW）
-252.580
259.313
節能（%）
78.06
77.61
參考文獻:
[1] 馮(feng)霄(xiao). 化工節(jie)能原理與技(ji)術. 北(bei)京: 化學(xue)工業出版社(she)，2004.
[2] 包宗宏(hong). 化工計算與軟件應(ying)用.北京: 化學工業出版社，2013.
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