化工节能技术之热泵精馏
热
泵技术是一种新的能源技术，我们所熟悉的“泵”是一种可以提高位能的机械设备，比如水泵主要是将水从低位抽到高位，提升了势能。而热泵就是一种将低品位热能通过电能做功提升到可利用的高品位热能的装置。由于所获得的可利用热量远远高于输入系统的能量，因而可以节能。
热泵可以认为是热机的逆过程（关于热机我们会在余热回收中进行更详细的介绍）。热泵技术在建筑采暖等方面有较广泛的应用，热泵精馏只是热泵技术其中的一种应用。
热泵精馏的适用条件
热泵精馏的使用具有一定的要求，包宗宏[1]提出蒸汽压缩式热泵精馏系统适用的三个条件：
（1）塔顶和塔底温差较小的精馏塔；
（2）被分离物质沸点相近的难分离系统；
（3）低压下精馏时塔顶产品需要用冷冻剂冷凝的系统。
同时，也有文献提出当精馏塔塔顶和塔底温差小于36℃，应用蒸汽压缩式热泵精馏可以获得较好的经济效果[2]。
热泵精馏的种类
根据压缩工质的不同，蒸汽压缩式热泵精馏可以分为以塔内物质为循环工质的直接式热泵精馏（开式热泵精馏）以及以外来物质为循环工质的间接式热泵精馏（闭式热泵精馏）。直接式热泵精馏又分为塔顶蒸汽压缩式热泵精馏和塔底液相闪蒸式热泵精馏。
（a）塔顶蒸汽压缩式 （b）塔底液相闪蒸式 （c）间接蒸汽压缩式
不同种类的热泵精馏有不同的使用范围，间接式热泵精馏一般用于塔内物质有腐蚀性或者对温度敏感的情况。例如正丁烷-异丁烷体系的分离，不涉及腐蚀性或对温度敏感的物质，可使用直接式热泵精馏；而第十一届全国大学生化工设计竞赛铜奖得主中国石油大学（华东）的作品当中则由于MDEA富液中含有H2S而在MDEA再生塔上使用了间接式热泵精馏。
热泵精馏的工作方式
由于热泵精馏存在循环，所以在Aspen模拟时也是较为困难的，在模拟之前对其工作方式进行详细的了解是十分必要的，同时抓住影响工艺最关键的指标在模拟与优化中至关重要。这里就直接式热泵精馏进行讲解。
塔顶蒸汽压缩式热泵精馏：塔顶蒸汽通过压缩机C1加压后升温给塔底部分液相加热使其汽化，换热后经过冷凝器H2降温一部分作为产品采出，一部分作为回流液返塔。此工艺对能耗影响最大的指标就是就是压缩机C1的出口压力，升压太小，可能不足以提供塔底再沸所需能量或者换热温差过小；升压太高，不仅耗费压缩机能量，同时冷却器H2的负荷也将上升，所以压缩机的出口压力有一个最佳的值。
塔底液相闪蒸式热泵精馏：塔底液相经过减压阀V2减压降温后与塔顶回流的蒸汽换热使其液化，换热后经过压缩机C2加压至与塔底压力一致进入闪蒸罐F2，气相返回精馏塔T2，液相作为塔底产品采出。工艺能耗最主要的影响因素即为减压阀V2的出口压力，出口压力越接近常压，则出口温度越低，换热器H3换热温差就越大，但是，因为压缩机C2需要将气体升压至原来的压力，所以压缩机的能耗就会增加。所以说，在可行的换热温差下，减压阀V2出口压力越高，能耗越低。
关于热泵精馏的详细模拟请参考孙兰义老师《化工过程模拟实训——AspenPlus教程》（第二版）P336或者包宗宏老师《化工计算与软件应用》P147相关内容，在此就不展示详细步骤。文末给大家一份热泵精馏模拟的源文件（使用Aspen8.6版本，低版本可能打不开），小编能力有限，其中若出现错误还请大家谅解并告知。
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参考文献：
[1] 包宗宏，武文良．化工计算与软件应用[M]．北京：化学工业出版社，2013.5．
[2] 许维秀．热泵技术在精馏中的应用[J]．节能环保，2005，(3)：36-38．
本期编辑：叶阳