熱泵精餾原理及應用

發(fā)布日期：22-01-04 16:22　瀏覽次數(shù)：66

熱泵精餾原理及應用

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動力，如果溫度差過大，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程，據(jù)國外文獻報告，只要塔頂和塔底溫差小于36℃，就可以獲得很好的經濟效益。目前熱泵精餾已經成功應用于丙烷-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，通過外部壓縮機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（見圖2）是以塔底液相為工質，通過將塔底液相減壓，使之降壓到可以與塔頂汽相進行換熱的壓力下，同時使其氣化，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，不過塔底液相閃蒸式熱泵精餾在塔壓比較高時比較有利，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，它采用單獨的閉環(huán)工質工作。塔頂?shù)钠鄬崃總鹘o工質，再經過壓縮機加壓后，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. 熱泵精餾的應用

對于熱泵精餾比較常見的就是丙烷和丙烯體系的分離，Aspen plus的模擬過程可參考包宗宏老師的《化工計算與軟件應用》的第149頁，這里我們采用Aspen plus8.4對苯和甲苯體系的進行了塔頂汽相直接壓縮式熱泵精餾，現(xiàn)將模擬過程和結果分享給大家。本例主要是分享熱泵精餾的模擬過程和難點，并不一定適用于工業(yè)實際，因此勿作他用。

3.1 簡捷模擬

“假設有股物流，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數(shù)為99.8%，塔釜甲苯為99.5%?！?/p>

在進行熱泵精餾模擬前，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)物流的收斂問題，增加了其難度。

首先我們可以通過DSTWU模塊獲得其初步的操作參數(shù)。打開軟件后，進入物性界面，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，進入模擬界面，選擇DSTWU模塊，建立簡捷塔模塊。

首先我們要輸入進料數(shù)據(jù)，假設泡點進料，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分摩爾流量與進料中該組分摩爾流量的比值，因此我們需要進行計算關鍵組分的回收率，這里只有兩組分，重關鍵組分是甲苯（A），輕關鍵組分是苯（B），其回收率分別為

通過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：

運行結果如下：

物流結果如下，和要求的物流結果一致。

3.2 嚴格模擬

建立嚴格塔模塊，將簡捷模擬參數(shù)輸入嚴格模擬中，

你會發(fā)現(xiàn)嚴格模擬的結果與簡捷模擬結果有些出入，這很正常。為了獲取達到分離要求的塔的操作參數(shù)，可以使用設計規(guī)定這一功能，我們的設計目標是使兩組分在塔頂?shù)幕厥章蔬_到上述要求，需要調整的參數(shù)是回流比和D:F的值，通過設計規(guī)定得出的參數(shù)如下

并將這些參數(shù)重新填入嚴格塔的相應的位置，我們可以看到此時的物流結果均已達到要求，嚴格模擬到此結束（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格精餾轉為熱泵精餾，不再介紹靈敏度分析的使用）。

3.3 熱泵精餾模擬

通過嚴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計到兩大循環(huán)，一是塔頂?shù)幕亓鳎撬自俜衅鞯恼羝h(huán)，這就增加了模擬的難度。針對于帶有循環(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難點。針對熱泵精餾的模擬，我們需要知道塔頂蒸汽和塔底液相的組成及總量，這個獲取的方法并不難，可以通過虛擬物流獲得，下面介紹虛擬物流（Pseudo Stream）的使用。

當塔處于物流線連接的狀態(tài)時，塔的右側有兩條線，一條是Side Product（側線出料），另一條是PseudoStream（虛擬物流），二者的區(qū)別是前者是真實存在的物流線，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一定要注意不要連接錯誤。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，相關參數(shù)設置如下。

大家看到這個設置或許會有疑問：為什么是第二和第二十六塊塔板？這是因為在Aspen 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，這和我們學習的化工原理有一定的出入，并不影響塔的計算結果，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，因此在進行塔的模擬計算要注意。設置好虛擬物流后，重新運行，我們便可以得到我們想要的結果。

將這兩條物流結果復制到熱泵流程中的塔頂和塔底物流上，自此賦值便完成。接下來是熱泵流程各模塊參數(shù)的輸入，兩個分流器的值由嚴格塔的計算結果得出，壓縮機的壓力我們暫時無法計算，我們可以先估計一個壓力，此處輸入5bar，當流程打通后，我們可以進行調整。

各單元參數(shù)輸入完畢后，可以運行，為了一次打通流程，我們把收斂迭代次數(shù)改為100，如圖

運行結果顯示比較完美，我們可以查看物流結果是否達到要求，結果顯示達到要求。

以上就是熱泵精餾模擬的全部過程。

4. 節(jié)能效果比較

根據(jù)對模擬計算結果，我們很容易看到熱泵精餾具有很好節(jié)能效果。

普通精餾

塔頂冷凝器熱負荷（kW）

塔底再沸器熱負荷（kW）

-1151.290

1158.413

熱泵精餾