化工节能技术 | 热泵精馏原理及应用（附Aspen模拟程序文件）
注：本文主要观点和数据来自冯霄老师的《化工节能原理与技术》和包宗宏老师的《化工计算与软件应用》一书，由于作者水平有限，如果要深入学习，推荐参考这两本书。本文涉及到的模拟均为原创，模拟过程相对比较复杂，希望获取源程序文件学习的同学可以留言回复或者微信后台回复“热泵精馏源文件+个人邮箱”。
前言
化学工业深入我们日常生活的方方面面，影响着我们的生活质量，是国家的重要支柱产业。化学工业的一个重要特点就是高能耗，但对能量的利用效率比较低，在我国能量的利用效率大约是33%，比发达国家约低10%。目前，人们越来越重视节能，国外已经开发并应用了各种节能技术，作为化工专业的我们有必要了解这些节能技术。
目前比较常见的化工节能技术包括热泵精馏、多效蒸发、多效精馏、侧线出料、热偶精馏（隔壁塔）、夹点技术等。科普化工将陆续推出化工节能技术专题系列，与大家一起交流学习。今天推出第一期：热泵精馏原理及应用。
1. 热泵精馏工作原理
热泵精馏是把塔顶蒸汽加压升温，作为塔底再沸热源，回收塔顶蒸汽的潜热。热泵精馏是通过外加功将低温蒸汽提高到更高的品位的热源，以便于利用其潜热。我们都知道塔顶和塔底的温度差是精馏分离的驱动力，如果温度差过大，把塔顶蒸汽提高到能被塔釜利用的水平，需要很高的能量，因此热泵精馏一般适用于塔顶和塔底温差小的精馏过程，据国外文献报告，只要塔顶和塔底温差小于36℃，就可以获得很好的经济效益。目前热泵精馏已经成功应用于丙烷-丙烯、乙烷-乙烯和丁烯-2-异丁烷等体系。
2.热泵精馏的分类
热泵精馏基本分为以下几种类型，分别是汽相压缩式热泵精馏和吸收式热泵精馏。汽相压缩式热泵精馏又可分为塔顶汽相直接压缩式、塔底液相闪蒸式和间接蒸汽压缩式三种类型。以下主要介绍汽相压缩式热泵精馏的三种类型。
2.1 塔顶汽相直接压缩式热泵精馏
塔顶汽相直接压缩式热泵精馏是以塔顶汽相为工质，通过外部压缩机提高塔顶汽相的能位，使其可以作为塔底再沸器的高温 热源，见图1。一般塔顶塔顶汽相直接压缩式热泵精馏适用于塔顶和塔釜温差较小，沸点相近的分离体系。
图1. 塔顶汽相直接压缩式热泵精馏
2.2 塔底液相闪蒸式热泵精馏
塔底液相闪蒸式热泵精馏（见图2）是以塔底液相为工质，通过将塔底液相减压，使之降压到可以与塔顶汽相进行换热的压力下，同时使其气化，再将其压缩到与塔底相同的温度压力状态后送到塔底。它与塔顶汽相直接压缩式热泵精馏比较相似，不过塔底液相闪蒸式热泵精馏在塔压比较高时比较有利，丙烷-丙烯分离系统一般就用这种热泵精馏形式。
图2. 塔底液相闪蒸式热泵精馏
2.3 间接蒸汽压缩式热泵精馏
间接蒸汽压缩式热泵精馏（见图3）一般用于塔顶气体具有腐蚀性组分的情况，它采用单独的闭环工质工作。塔顶的汽相将热量传给工质，再经过压缩机加压后，作为塔底再沸器的加热热源。
图3. 间接蒸汽压缩式热泵精馏
3. 热泵精馏的应用
对于热泵精馏比较常见的就是丙烷和丙烯体系的分离，Aspen plus的模拟过程可参考包宗宏老师的《化工计算与软件应用》的第149页，这里我们采用Aspen plus8.4对苯和甲苯体系的进行了塔顶汽相直接压缩式热泵精馏，现将模拟过程和结果分享给大家。本例主要是分享热泵精馏的模拟过程和难点，并不一定适用于工业实际，因此勿作他用。
3.1 简捷模拟
“假设有股物流，流量为100kmol/h,摩尔组成为甲苯0.6，苯0.4，分离要求为塔顶苯的摩尔分数为99.8%，塔釜甲苯为99.5%。”
在进行热泵精馏模拟前，我们只知道分离要求，其他操作参数我们并不知道，而且热泵精馏涉及到循环物流的收敛问题，增加了其难度。
首先我们可以通过DSTWU模块获得其初步的操作参数。打开软件后，进入物性界面，由于苯和甲苯是均相体系，我们可以选择WILSON方程，物性界面数据全部输入完毕后，进入模拟界面，选择DSTWU模块，建立简捷塔模块。
首先我们要输入进料数据，假设泡点进料，压力为1.1bar。
接着我们要输入塔的操作参数，我们需要输入回收率，这里的回收率是指塔顶的某一组分摩尔流量与进料中该组分摩尔流量的比值，因此我们需要进行计算关键组分的回收率，这里只有两组分，重关键组分是甲苯（A），轻关键组分是苯（B），其回收率分别为
通过以上可以求出甲苯和苯的回收率分别为0.0013和0.9925。
取回流比为最小回流比的1.2倍
输入参数如下：
运行结果如下：
物流结果如下，和要求的物流结果一致。
3.2 严格模拟
建立严格塔模块，将简捷模拟参数输入严格模拟中，
你会发现严格模拟的结果与简捷模拟结果有些出入，这很正常。为了获取达到分离要求的塔的操作参数，可以使用设计规定这一功能，我们的设计目标是使两组分在塔顶的回收率达到上述要求，需要调整的参数是回流比和D:F的值，通过设计规定得出的参数如下
并将这些参数重新填入严格塔的相应的位置，我们可以看到此时的物流结果均已达到要求，严格模拟到此结束（为了优化参数可以使用灵敏度分析这一功能，此处重在如何由普通的严格精馏转为热泵精馏，不再介绍灵敏度分析的使用）。
3.3 热泵精馏模拟
通过严格模拟得到一些比较精确的参数，这为热泵精馏提供了一些操作参数。由于苯和甲苯是常规体系，压力为常压，可以采用塔顶汽相直接压缩式热泵精馏流程，根据流程图依次建立这些模块，如图。
我们可以看到流程中设计到两大循环，一是塔顶的回流，二是塔底再沸器的蒸汽循环，这就增加了模拟的难度。针对于带有循环的模拟，最直接的方法就赋值法，前提是你要有比较精确的初值，而精确的初值的获取方法是一个难点。针对热泵精馏的模拟，我们需要知道塔顶蒸汽和塔底液相的组成及总量，这个获取的方法并不难，可以通过虚拟物流获得，下面介绍虚拟物流（Pseudo Stream）的使用。
当塔处于物流线连接的状态时，塔的右侧有两条线，一条是Side Product（侧线出料），另一条是PseudoStream（虚拟物流），二者的区别是前者是真实存在的物流线，可以改变塔的组成，后者是虚拟的物流，它是为了方便看某一塔板的汽液相的组成的，并不能改变塔的组成，因此在连接虚拟物流时一定要注意不要连接错误。我们需要知道塔顶气相和塔底液相的流量和组成，因此需要引出两条虚拟物流，相关参数设置如下。
大家看到这个设置或许会有疑问：为什么是第二和第二十六块塔板？这是因为在Aspen plus中，塔顶冷凝器和塔底再沸器各算一块理论板，而且冷凝器是第一块理论板，这和我们学习的化工原理有一定的出入，并不影响塔的计算结果，而我们要查看塔顶的气相和塔底液相，它们分别位于第二和第二十六块理论板，因此在进行塔的模拟计算要注意。设置好虚拟物流后，重新运行，我们便可以得到我们想要的结果。
将这两条物流结果复制到热泵流程中的塔顶和塔底物流上，自此赋值便完成。接下来是热泵流程各模块参数的输入，两个分流器的值由严格塔的计算结果得出，压缩机的压力我们暂时无法计算，我们可以先估计一个压力，此处输入5bar，当流程打通后，我们可以进行调整。
各单元参数输入完毕后，可以运行，为了一次打通流程，我们把收敛迭代次数改为100，如图
运行结果显示比较完美，我们可以查看物流结果是否达到要求，结果显示达到要求。
以上就是热泵精馏模拟的全部过程。
4. 节能效果比较
根据对模拟计算结果，我们很容易看到热泵精馏具有很好节能效果。
|
普通精馏 |
塔顶冷凝器热负荷（kW） |
塔底再沸器热负荷（kW） |
|
-1151.290 |
1158.413 |
|
|
热泵精馏 |
冷凝器热负荷（kW） |
压缩机热负荷（kW） |
|
-252.580 |
259.313 |
|
|
节能（%） |
78.06 |
77.61 |