化工行業(yè)是能耗大戶，如何降低精餾塔的能耗，充分利用低溫?zé)嵩?，已成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題。熱泵精餾（Heat Pump Distillation）是把精餾塔塔頂蒸汽加壓升溫，使其用作塔底再沸器的熱源，回收塔頂蒸汽的冷凝潛熱，因而熱泵精餾是一種良好的節(jié)能技術(shù)。

熱泵精餾技術(shù)的核心是逆向卡諾循環(huán)，即把工質(zhì)通過(guò)加壓升溫，回收塔頂蒸汽的冷凝潛熱，作為塔底再沸器的熱源，以達(dá)到減少冷熱公用工程用量的目的。熱泵精餾除開(kāi)工階段外，基本上不需向再沸器提供額外的熱量。自20世紀(jì)80年代末以來(lái)，熱泵精餾在丙烯、丙烷、乙醇、醋酸甲酯等實(shí)際工業(yè)分離過(guò)程中取得了較好的節(jié)能效果。

熱泵系統(tǒng)的工作原理

熱泵主要由壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)器和冷凝器構(gòu)成，熱量通過(guò)這四個(gè)部件之間的循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳遞。

如上圖所示，來(lái)自蒸發(fā)器的低溫低壓蒸氣經(jīng)壓縮機(jī)升溫升壓，達(dá)到所需溫度和壓力的蒸氣流經(jīng)冷凝器，蒸氣放出熱量，降溫冷凝成液相，經(jīng)節(jié)流膨脹后壓力繼續(xù)下降。低壓液相工作介質(zhì)流入蒸發(fā)器后，由于沸點(diǎn)很低，很容易吸收熱量再蒸發(fā)，又形成低溫低壓蒸氣。

如果把蒸發(fā)器放入低品位熱源中吸收熱量，則吸收了熱量的蒸氣再進(jìn)入壓縮機(jī)，如此循環(huán)，就能使低溫?zé)崃坎粩嗔鞯綔囟容^高的地方，實(shí)現(xiàn)熱量的有效回收利用，其代價(jià)是不斷給壓縮機(jī)提供機(jī)械能或電能。

熱泵精餾系統(tǒng)用“泵”（壓縮機(jī)）把熱量從低溫處送到高溫處，在該系統(tǒng)中壓縮機(jī)消耗的能量是唯一由外界提供的能量，它比再沸器直接加熱消耗的能量少得多，一般只相當(dāng)于后者的20～40%，由此可見(jiàn)熱泵節(jié)約能耗的作用。

熱泵精餾的適用場(chǎng)合

熱泵精餾具有一定的應(yīng)用范圍，需要根據(jù)精餾塔工藝要求，通過(guò)準(zhǔn)確的經(jīng)濟(jì)評(píng)比決定是否使用熱泵精餾：

⑴塔頂和塔底溫差較小。因?yàn)閴嚎s機(jī)的功耗主要取決于溫差，溫差越大，壓縮機(jī)的功耗越大。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，只要塔頂和塔底溫差小于36℃，就可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效果；

⑵塔頂溫度低于環(huán)境溫度又高于工質(zhì)的蒸發(fā)溫度，塔底溫度低于工質(zhì)冷凝溫度的精餾塔；

⑶工質(zhì)蒸汽冷凝潛熱較大的系統(tǒng)；

⑷被分離物質(zhì)沸點(diǎn)接近，相對(duì)揮發(fā)度較小，分離困難，按常規(guī)方法，蒸餾塔需要較多的塔盤及較大的回流比，才能得到合格的產(chǎn)品，而且加熱用的蒸汽或冷卻用的循環(huán)水都比較多。若采用熱泵技術(shù)一般可取得較明顯的經(jīng)濟(jì)效益；

⑸冷卻水不足或冷卻水溫偏高、價(jià)格偏貴，低壓運(yùn)行時(shí)必須采用冷凍劑進(jìn)行冷凝，為了使用冷卻水或空氣作為冷凝介質(zhì)必須在較高壓力下分離易揮發(fā)物質(zhì)的場(chǎng)合；

⑹工廠蒸汽供應(yīng)不足或價(jià)格偏高,有必要減少蒸汽用量或取消再沸器時(shí)；

⑺一般蒸餾塔塔頂溫度在38～138℃之間，如果用熱泵流程對(duì)縮短投資回收期有利就可以采用，但是如果有較便宜的低壓蒸汽和冷卻介質(zhì)來(lái)源，用熱泵流程就不一定有利；

⑻蒸餾塔底再沸器溫度在300℃以上，采用熱泵流程往往是不合適的。

熱泵精餾的分類

根據(jù)熱泵所消耗的外界能量不同，熱泵精餾可分為蒸汽加壓方式和吸收式兩種類型。

Ⅰ蒸汽加壓方式

蒸汽加壓方式熱泵精餾有兩種：蒸汽壓縮機(jī)方式和蒸汽噴射式。

①蒸汽壓縮機(jī)方式

蒸汽壓縮機(jī)方式又可分為間接式、塔頂氣體直接壓縮式、分割式和塔釜液體閃蒸再沸式流程。

a. 間接式

當(dāng)塔頂氣體具有腐蝕性或塔頂氣體為熱敏性產(chǎn)品或塔頂產(chǎn)品不宜壓縮時(shí)，可以采用間接式熱泵精餾，見(jiàn)圖1。

▲圖1 間接式熱泵精餾流程圖

它主要由精餾塔、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器及節(jié)流閥等組成。這種流程利用單獨(dú)封閉循環(huán)的工質(zhì)（冷劑）工作：冷劑與塔頂物料換熱后吸收熱量蒸發(fā)為氣體，氣體經(jīng)壓縮提高壓力和溫度后，送至塔釜加熱釜液，而本身凝結(jié)成液體。液體經(jīng)節(jié)流減壓后再去塔頂換熱，完成一個(gè)循環(huán)。

塔頂?shù)蜏靥幍臒崃?，通過(guò)冷劑的媒介傳遞到塔釜高溫處。在此流程中，制冷循環(huán)中的冷劑冷凝器與塔釜再沸器合為一個(gè)設(shè)備。在此設(shè)備中冷劑冷凝放熱而釜液吸熱蒸發(fā)。

間接式熱泵精餾的特點(diǎn)是：

(1)塔中要分離的產(chǎn)品與冷劑完全隔離；

(2)可使用標(biāo)準(zhǔn)精餾系統(tǒng)，易于設(shè)計(jì)和控制；

(3)與塔頂氣體直接壓縮式相比較，多一個(gè)熱交換器(即蒸發(fā)器)，壓縮機(jī)需要克服較高的溫差和壓力差，因此其效率較低。

考慮到工質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性，間接式熱泵精餾應(yīng)用的溫度范圍限制在130℃左右,而許多有機(jī)產(chǎn)品的精餾塔卻在較高的溫度下操作。

與普通制冷劑相比，水的化學(xué)和熱穩(wěn)定性好，泄漏時(shí)對(duì)人和臭氧層無(wú)負(fù)效應(yīng)，價(jià)格便宜，而且具有極好的傳熱特性，在熱交換中所需的換熱面積較小，特別適合精餾塔底溫度較高的精餾系統(tǒng)。

表1是以水為工質(zhì)，用間接式熱泵精餾分離乙苯-對(duì)二甲苯的節(jié)能結(jié)果。雖然單獨(dú)工質(zhì)循環(huán)式熱泵精餾比常規(guī)精餾的總投資費(fèi)用大，但回收期短，一般在一年之內(nèi)。

▲表1 不同熱泵精餾流程處理乙苯-對(duì)二甲苯溶液的

節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效果

b. 塔頂氣體直接壓縮式

塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾是以塔頂氣體作為工質(zhì)的熱泵，其流程見(jiàn)圖2，精餾塔頂氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮升溫后進(jìn)入塔底再沸器，冷凝放熱使釜液再沸，冷凝液經(jīng)節(jié)流閥減壓降溫后，一部分作為產(chǎn)品出料，另一部分作為精餾塔頂?shù)幕亓鳌?/span>

▲圖2 塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾流程圖

塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾的特點(diǎn)是：

(1)所需的載熱介質(zhì)是現(xiàn)成的；

(2)因?yàn)橹恍枰粋€(gè)熱交換器(即再沸器)，壓縮機(jī)的壓縮比通常低于單獨(dú)工質(zhì)循環(huán)式的壓縮比；

(3)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠。

塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾適合應(yīng)用在塔頂和塔底溫度接近，或被分離物質(zhì)因沸點(diǎn)接近難以分離，必須采用較大回流比的情況下，因此需要消耗大量加熱蒸汽(即高負(fù)荷的再沸器)，或在低壓運(yùn)行必須采用冷凍劑進(jìn)行冷凝。為了使用冷卻水或空氣作冷凝介質(zhì)，必須在較高塔壓下分離某些易揮發(fā)物質(zhì)的場(chǎng)合。

塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾應(yīng)用十分廣泛，如丙烯-丙烷的分離采用該流程，其熱力學(xué)效率可以從3.6%提高到8.1%,節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

某廠采用熱泵精餾的結(jié)果見(jiàn)表2，由此可見(jiàn)，當(dāng)選用熱泵精餾時(shí)，能源費(fèi)用急劇下降。此時(shí)，冷卻水溫度已不再是決定因素，精餾塔可在更低的壓力下操作，既簡(jiǎn)化了分離過(guò)程，又降低了設(shè)備成本。

▲表2 不同精餾形式下丙烯-丙烷分離的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效果比較

c. 分割式熱泵

分割式熱泵精餾組成及其流程如圖3所示。

▲圖3 分割式熱泵精餾流程圖

分割式熱泵精餾流程分為上、下兩塔，上塔類似于直接式熱泵精餾，只不過(guò)多了一個(gè)進(jìn)料口；下塔則類似于常規(guī)精餾的提餾段即蒸出塔，進(jìn)料來(lái)自上塔的釜液，蒸汽則進(jìn)入上塔塔底。分割式熱泵精餾的節(jié)能效果明顯，投資費(fèi)用適中，控制簡(jiǎn)單。

分割式熱泵精餾的特點(diǎn)是可通過(guò)控制分割點(diǎn)濃度(即下塔進(jìn)料濃度)來(lái)調(diào)節(jié)上塔的溫差，從而選擇合適的壓縮機(jī)。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，分割點(diǎn)濃度的優(yōu)化是很必要的。

分割式熱泵精餾適用于分離體系物的相圖存在恒濃區(qū)和恒稀區(qū)的大溫差精餾，如乙醇水溶液、異丙醇水溶液等。

表3是某工廠采用常規(guī)精餾、塔頂直接式熱泵精餾和分割式熱泵精餾工藝處理異丙醇水溶液的結(jié)果。

▲表3 不同精餾形式下異丙醇溶液分離的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效果比較

從表3可以看出，分割式可選擇單級(jí)壓縮機(jī)，其耗電量大大降低；而塔頂直接式就必須選擇昂貴的多級(jí)壓縮機(jī)。其耗電量幾乎是分割式的2倍。

d. 閃蒸再沸

閃蒸再沸是熱泵的一種變型，它以釜液為工質(zhì)，其流程如圖4所示。與塔頂氣體直接壓縮式相似，它也比間接式少一個(gè)換熱器，適用場(chǎng)合也基本相同。不過(guò)，閃蒸再沸在塔壓高時(shí)有利，而塔頂氣體直接壓縮式在塔壓低時(shí)更有利。

▲圖4 閃蒸再沸式熱泵精餾流程圖

②蒸汽噴射式

圖5是采用蒸汽噴射泵方式的蒸汽汽提減壓精餾工藝流程。在該流程中，塔頂蒸汽是稍含低沸點(diǎn)組成的水蒸氣，其一部分用蒸汽噴射泵加壓升溫，隨驅(qū)動(dòng)蒸汽一起進(jìn)入塔底作為加熱蒸汽。

▲圖5 蒸汽噴射式熱泵精餾流程圖

在傳統(tǒng)方式中，如果進(jìn)料預(yù)熱需蒸汽量10，再沸器需蒸汽量30，則共需蒸汽量40。而在采用蒸汽噴射式熱泵的精餾中，用于進(jìn)料預(yù)熱的蒸汽量不變，但由于向蒸汽噴射泵供給驅(qū)動(dòng)蒸汽15就可得到用于再沸器加熱的蒸汽30，故蒸汽消耗量是25，可節(jié)省37.5%的蒸汽量，所以節(jié)能效果十分顯著。

采用蒸汽噴射泵方式的熱泵精餾具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)新增設(shè)備只有蒸汽噴射泵，設(shè)備費(fèi)用低；

(2)蒸汽噴射泵沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，容易維修，而且維修費(fèi)用低。

蒸汽噴射式熱泵精餾如果在大壓縮比或高真空度條件下操作，蒸汽噴射泵的驅(qū)動(dòng)蒸汽量增大，再循環(huán)效果顯著下降。因此，這種方式的熱泵精餾適合應(yīng)用在：

(1)精餾塔塔底和塔頂?shù)膲翰畈淮螅?/span>

(2)減壓精餾的真空度比較低的情況下。

Ⅱ 吸收式

吸收式熱泵由吸收器、再生器、冷卻器和再沸器等設(shè)備組成，常用溴化鋰水溶液或氯化鈣水溶液為工質(zhì)。由再生器送來(lái)的濃溴化鋰溶液在吸收器中遇到從再沸器送來(lái)的蒸汽，發(fā)生了強(qiáng)烈的吸收作用，不但升溫而且放出熱量，該熱量即可用于精餾塔蒸發(fā)器，實(shí)際上熱泵的吸收器即為精餾塔的蒸發(fā)器。

濃溴化鋰溶液吸收了蒸汽之后，濃度變稀，即送再生器蒸濃。再生器所耗用的熱能是熱泵的原動(dòng)力。從再生器中蒸發(fā)出來(lái)的水蒸氣，在冷卻器中冷卻、冷凝，而后送入精餾塔冷凝器，在此冷凝器中，塔頂餾出物被冷凝，而水又重新蒸發(fā)進(jìn)入吸收器。由此可見(jiàn)，精餾塔的冷凝器也是熱泵的再沸器，詳見(jiàn)圖6。

▲圖6 吸收式熱泵精餾流程圖

吸收式熱泵按照機(jī)內(nèi)循環(huán)方向的不同可分為：

冷凝器壓力大于蒸發(fā)器壓力的第一類吸收式熱泵(Ⅰ型)和蒸發(fā)器壓力高于冷凝器壓力的第二類吸收式熱泵(Ⅱ型)。第一類吸收式熱泵需要高溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)，但不需要外界冷卻水，熱量能得到充分利用，主要應(yīng)用于產(chǎn)生熱水；第二類吸收式熱泵可利用低品位熱能直接驅(qū)動(dòng)，以低溫?zé)嵩磁c冷卻水之間的溫差為推動(dòng)力，可產(chǎn)生低壓蒸汽。

▲表4 吸收式熱泵的特點(diǎn)

由表4可看出：I型吸收式熱泵與Ⅱ型吸收式熱泵雖是吸收式熱泵的兩大分支，二者原理相似，但由于驅(qū)動(dòng)能量及供熱量溫度的差異，使二者應(yīng)用條件有所不同。

一般在余熱源溫度較低(30～60℃),用熱溫度也較低(60～100℃)時(shí)，可用I型熱泵，其COP值可達(dá)1.7左右，即消耗1kW驅(qū)動(dòng)能，可以獲得1.7kW的可用熱。而在余熱源溫度較高(60～100℃)需要的供熱溫度也較高(100～150℃)時(shí)，可用Ⅱ型熱泵，其COP值約為0.5，即每供給熱泵1kW的低溫余熱，可以獲得1.5kW溫度較高的可用熱，相當(dāng)于不需要其它代價(jià)，就可以將低溫余熱的一半左右回收利用。

吸收式熱泵與壓縮式熱泵相比，雖然供熱系數(shù)COP較小，但避免了使用動(dòng)力，在動(dòng)力緊張的情況下，有壓縮式熱泵所不可替代的優(yōu)點(diǎn)。吸收式熱泵的優(yōu)點(diǎn)是：可以利用溫度不高的熱源作為動(dòng)力，如工廠廢汽、廢熱。除功率不大的溶液泵外沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，設(shè)備維修方便，耗電量小，無(wú)噪音。缺點(diǎn)是熱效率低，需要較高的投資，使用壽命不長(zhǎng)。因此只有在產(chǎn)熱量很大、而溫度提升要求不高，并且可用廢熱直接驅(qū)動(dòng)的情況下，吸收式熱泵的工業(yè)應(yīng)用才具有較大的吸引力。