熱泵精餾原理及應(yīng)用
1. 熱泵精餾工作原理
熱泵精餾是把塔頂蒸汽加壓升溫，作為塔底再沸熱源，回收塔頂蒸汽的潛熱。熱泵精餾是通過(guò)外加功將低溫蒸汽提高到更高的品位的熱源，以便于利用其潛熱。我們都知道塔頂和塔底的溫度差是精餾分離的驅(qū)動(dòng)力，如果溫度差過(guò)大，把塔頂蒸汽提高到能被塔釜利用的水平，需要很高的能量，因此熱泵精餾一般適用于塔頂和塔底溫差小的精餾過(guò)程，據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)告，只要塔頂和塔底溫差小于36℃，就可以獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益。目前熱泵精餾已經(jīng)成功應(yīng)用于丙烷-丙烯、乙烷-乙烯和丁烯-2-異丁烷等體系。
2.熱泵精餾的分類
熱泵精餾基本分為以下幾種類型，分別是汽相壓縮式熱泵精餾和吸收式熱泵精餾。汽相壓縮式熱泵精餾又可分為塔頂汽相直接壓縮式、塔底液相閃蒸式和間接蒸汽壓縮式三種類型。以下主要介紹汽相壓縮式熱泵精餾的三種類型。
2.1 塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾
塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾是以塔頂汽相為工質(zhì)，通過(guò)外部壓縮機(jī)提高塔頂汽相的能位，使其可以作為塔底再沸器的高溫 熱源，見(jiàn)圖1。一般塔頂塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾適用于塔頂和塔釜溫差較小，沸點(diǎn)相近的分離體系。
圖1. 塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾
2.2 塔底液相閃蒸式熱泵精餾
塔底液相閃蒸式熱泵精餾（見(jiàn)圖2）是以塔底液相為工質(zhì)，通過(guò)將塔底液相減壓，使之降壓到可以與塔頂汽相進(jìn)行換熱的壓力下，同時(shí)使其氣化，再將其壓縮到與塔底相同的溫度壓力狀態(tài)后送到塔底。它與塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾比較相似，不過(guò)塔底液相閃蒸式熱泵精餾在塔壓比較高時(shí)比較有利，丙烷-丙烯分離系統(tǒng)一般就用這種熱泵精餾形式。
圖2. 塔底液相閃蒸式熱泵精餾
2.3 間接蒸汽壓縮式熱泵精餾
間接蒸汽壓縮式熱泵精餾（見(jiàn)圖3）一般用于塔頂氣體具有腐蝕性組分的情況，它采用單獨(dú)的閉環(huán)工質(zhì)工作。塔頂?shù)钠鄬崃總鹘o工質(zhì)，再經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)加壓后，作為塔底再沸器的加熱熱源。
圖3. 間接蒸汽壓縮式熱泵精餾
3. 熱泵精餾的應(yīng)用
對(duì)于熱泵精餾比較常見(jiàn)的就是丙烷和丙烯體系的分離，Aspen plus的模擬過(guò)程可參考包宗宏老師的《化工計(jì)算與軟件應(yīng)用》的第149頁(yè)，這里我們采用Aspen plus8.4對(duì)苯和甲苯體系的進(jìn)行了塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾，現(xiàn)將模擬過(guò)程和結(jié)果分享給大家。本例主要是分享熱泵精餾的模擬過(guò)程和難點(diǎn)，并不一定適用于工業(yè)實(shí)際，因此勿作他用。
3.1 簡(jiǎn)捷模擬
“假設(shè)有股物流，流量為100kmol/h,摩爾組成為甲苯0.6，苯0.4，分離要求為塔頂苯的摩爾分?jǐn)?shù)為99.8%，塔釜甲苯為99.5%。”
在進(jìn)行熱泵精餾模擬前，我們只知道分離要求，其他操作參數(shù)我們并不知道，而且熱泵精餾涉及到循環(huán)物流的收斂問(wèn)題，增加了其難度。
首先我們可以通過(guò)DSTWU模塊獲得其初步的操作參數(shù)。打開(kāi)軟件后，進(jìn)入物性界面，由于苯和甲苯是均相體系，我們可以選擇WILSON方程，物性界面數(shù)據(jù)全部輸入完畢后，進(jìn)入模擬界面，選擇DSTWU模塊，建立簡(jiǎn)捷塔模塊。
首先我們要輸入進(jìn)料數(shù)據(jù)，假設(shè)泡點(diǎn)進(jìn)料，壓力為1.1bar。
接著我們要輸入塔的操作參數(shù)，我們需要輸入回收率，這里的回收率是指塔頂?shù)哪骋唤M分摩爾流量與進(jìn)料中該組分摩爾流量的比值，因此我們需要進(jìn)行計(jì)算關(guān)鍵組分的回收率，這里只有兩組分，重關(guān)鍵組分是甲苯（A），輕關(guān)鍵組分是苯（B），其回收率分別為
通過(guò)以上可以求出甲苯和苯的回收率分別為0.0013和0.9925。
取回流比為最小回流比的1.2倍
輸入?yún)?shù)如下：
運(yùn)行結(jié)果如下：
物流結(jié)果如下，和要求的物流結(jié)果一致。
3.2 嚴(yán)格模擬
建立嚴(yán)格塔模塊，將簡(jiǎn)捷模擬參數(shù)輸入嚴(yán)格模擬中，
你會(huì)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)格模擬的結(jié)果與簡(jiǎn)捷模擬結(jié)果有些出入，這很正常。為了獲取達(dá)到分離要求的塔的操作參數(shù)，可以使用設(shè)計(jì)規(guī)定這一功能，我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使兩組分在塔頂?shù)幕厥章蔬_(dá)到上述要求，需要調(diào)整的參數(shù)是回流比和D:F的值，通過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定得出的參數(shù)如下
并將這些參數(shù)重新填入嚴(yán)格塔的相應(yīng)的位置，我們可以看到此時(shí)的物流結(jié)果均已達(dá)到要求，嚴(yán)格模擬到此結(jié)束（為了優(yōu)化參數(shù)可以使用靈敏度分析這一功能，此處重在如何由普通的嚴(yán)格精餾轉(zhuǎn)為熱泵精餾，不再介紹靈敏度分析的使用）。
3.3 熱泵精餾模擬
通過(guò)嚴(yán)格模擬得到一些比較精確的參數(shù)，這為熱泵精餾提供了一些操作參數(shù)。由于苯和甲苯是常規(guī)體系，壓力為常壓，可以采用塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾流程，根據(jù)流程圖依次建立這些模塊，如圖。
我們可以看到流程中設(shè)計(jì)到兩大循環(huán)，一是塔頂?shù)幕亓?，二是塔底再沸器的蒸汽循環(huán)，這就增加了模擬的難度。針對(duì)于帶有循環(huán)的模擬，最直接的方法就賦值法，前提是你要有比較精確的初值，而精確的初值的獲取方法是一個(gè)難點(diǎn)。針對(duì)熱泵精餾的模擬，我們需要知道塔頂蒸汽和塔底液相的組成及總量，這個(gè)獲取的方法并不難，可以通過(guò)虛擬物流獲得，下面介紹虛擬物流（Pseudo Stream）的使用。
當(dāng)塔處于物流線連接的狀態(tài)時(shí)，塔的右側(cè)有兩條線，一條是Side Product（側(cè)線出料），另一條是PseudoStream（虛擬物流），二者的區(qū)別是前者是真實(shí)存在的物流線，可以改變塔的組成，后者是虛擬的物流，它是為了方便看某一塔板的汽液相的組成的，并不能改變塔的組成，因此在連接虛擬物流時(shí)一定要注意不要連接錯(cuò)誤。我們需要知道塔頂氣相和塔底液相的流量和組成，因此需要引出兩條虛擬物流，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下。
大家看到這個(gè)設(shè)置或許會(huì)有疑問(wèn)：為什么是第二和第二十六塊塔板？這是因?yàn)樵贏spen plus中，塔頂冷凝器和塔底再沸器各算一塊理論板，而且冷凝器是第一塊理論板，這和我們學(xué)習(xí)的化工原理有一定的出入，并不影響塔的計(jì)算結(jié)果，而我們要查看塔頂?shù)臍庀嗪退滓合?，它們分別位于第二和第二十六塊理論板，因此在進(jìn)行塔的模擬計(jì)算要注意。設(shè)置好虛擬物流后，重新運(yùn)行，我們便可以得到我們想要的結(jié)果。
將這兩條物流結(jié)果復(fù)制到熱泵流程中的塔頂和塔底物流上，自此賦值便完成。接下來(lái)是熱泵流程各模塊參數(shù)的輸入，兩個(gè)分流器的值由嚴(yán)格塔的計(jì)算結(jié)果得出，壓縮機(jī)的壓力我們暫時(shí)無(wú)法計(jì)算，我們可以先估計(jì)一個(gè)壓力，此處輸入5bar，當(dāng)流程打通后，我們可以進(jìn)行調(diào)整。
各單元參數(shù)輸入完畢后，可以運(yùn)行，為了一次打通流程，我們把收斂迭代次數(shù)改為100，如圖
運(yùn)行結(jié)果顯示比較完美，我們可以查看物流結(jié)果是否達(dá)到要求，結(jié)果顯示達(dá)到要求。
以上就是熱泵精餾模擬的全部過(guò)程。
4. 節(jié)能效果比較
根據(jù)對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果，我們很容易看到熱泵精餾具有很好節(jié)能效果。
普通精餾
塔頂冷凝器熱負(fù)荷（kW）
塔底再沸器熱負(fù)荷（kW）
-1151.290
1158.413
熱泵精餾
冷凝器熱負(fù)荷（kW）
壓縮機(jī)熱負(fù)荷（kW）
-252.580
259.313
節(jié)能（%）
78.06
77.61
參考文獻(xiàn):
[1] 馮霄. 化工節(jié)能原理與技術(shù). 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2004.
[2] 包宗宏. 化工計(jì)算與軟件應(yīng)用.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2013.
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