化工行業(yè)是能耗大戶，如何降低精餾塔的能耗，充分利用低溫熱源，已成為人們普遍關注的問題。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。

熱泵精餾技術的核心是逆向卡諾循環(huán)，即把工質(zhì)通過加壓升溫，回收塔頂蒸汽的冷凝潛熱，作為塔底再沸器的熱源，以達到減少冷熱公用工程用量的目的。熱泵精餾除開工階段外，基本上不需向再沸器提供額外的熱量。自20世紀80年代末以來，熱泵精餾在丙烯、丙烷、乙醇、醋酸甲酯等實際工業(yè)分離過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、膨脹閥、蒸發(fā)器和冷凝器構成，熱量通過這四個部件之間的循環(huán)來實現(xiàn)傳遞。

如上圖所示，來自蒸發(fā)器的低溫低壓蒸氣經(jīng)壓縮機升溫升壓，達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入壓縮機，如此循環(huán)，就能使低溫熱量不斷流到溫度較高的地方，實現(xiàn)熱量的有效回收利用，其代價是不斷給壓縮機提供機械能或電能。

熱泵精餾系統(tǒng)用“泵”（壓縮機）把熱量從低溫處送到高溫處，在該系統(tǒng)中壓縮機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，一般只相當于后者的20～40%，由此可見熱泵節(jié)約能耗的作用。

熱泵精餾的適用場合

熱泵精餾具有一定的應用范圍，需要根據(jù)精餾塔工藝要求，通過準確的經(jīng)濟評比決定是否使用熱泵精餾：

⑴塔頂和塔底溫差較小。因為壓縮機的功耗主要取決于溫差，溫差越大，壓縮機的功耗越大。據(jù)國外文獻報導，只要塔頂和塔底溫差小于36℃，就可以獲得較好的經(jīng)濟效果；

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)沸點接近，相對揮發(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。若采用熱泵技術一般可取得較明顯的經(jīng)濟效益；

⑸冷卻水不足或冷卻水溫偏高、價格偏貴，低壓運行時必須采用冷凍劑進行冷凝，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)的場合；

⑹工廠蒸汽供應不足或價格偏高,有必要減少蒸汽用量或取消再沸器時；

⑺一般蒸餾塔塔頂溫度在38～138℃之間，如果用熱泵流程對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：蒸汽壓縮機方式和蒸汽噴射式。

①蒸汽壓縮機方式

蒸汽壓縮機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，可以采用間接式熱泵精餾，見圖1。

▲圖1 間接式熱泵精餾流程圖

它主要由精餾塔、壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器及節(jié)流閥等組成。這種流程利用單獨封閉循環(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，而本身凝結成液體。液體經(jīng)節(jié)流減壓后再去塔頂換熱，完成一個循環(huán)。

塔頂?shù)蜏靥幍臒崃?，通過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設備。在此設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是：

(1)塔中要分離的產(chǎn)品與冷劑完全隔離；

(2)可使用標準精餾系統(tǒng)，易于設計和控制；

(3)與塔頂氣體直接壓縮式相比較，多一個熱交換器(即蒸發(fā)器)，壓縮機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)的化學穩(wěn)定性，間接式熱泵精餾應用的溫度范圍限制在130℃左右,而許多有機產(chǎn)品的精餾塔卻在較高的溫度下操作。

與普通制冷劑相比，水的化學和熱穩(wěn)定性好，泄漏時對人和臭氧層無負效應，價格便宜，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-對二甲苯的節(jié)能結果。雖然單獨工質(zhì)循環(huán)式熱泵精餾比常規(guī)精餾的總投資費用大，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-對二甲苯溶液的

節(jié)能及經(jīng)濟效果

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，其流程見圖2，精餾塔頂氣體經(jīng)壓縮機壓縮升溫后進入塔底再沸器，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是：

(1)所需的載熱介質(zhì)是現(xiàn)成的；

(2)因為只需要一個熱交換器(即再沸器)，壓縮機的壓縮比通常低于單獨工質(zhì)循環(huán)式的壓縮比；

(3)系統(tǒng)簡單，穩(wěn)定可靠。

塔頂氣體直接壓縮式熱泵精餾適合應用在塔頂和塔底溫度接近，或被分離物質(zhì)因沸點接近難以分離，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(即高負荷的再沸器)，或在低壓運行必須采用冷凍劑進行冷凝。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)的場合。

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

某廠采用熱泵精餾的結果見表2，由此可見，當選用熱泵精餾時，能源費用急劇下降。此時，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，既簡化了分離過程，又降低了設備成本。

▲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，只不過多了一個進料口；下塔則類似于常規(guī)精餾的提餾段即蒸出塔，進料來自上塔的釜液，蒸汽則進入上塔塔底。分割式熱泵精餾的節(jié)能效果明顯，投資費用適中，控制簡單。

分割式熱泵精餾的特點是可通過控制分割點濃度(即下塔進料濃度)來調(diào)節(jié)上塔的溫差，從而選擇合適的壓縮機。在實際設計時，分割點濃度的優(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)濟效果比較

從表3可以看出，分割式可選擇單級壓縮機，其耗電量大大降低；而塔頂直接式就必須選擇昂貴的多級壓縮機。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換熱器，適用場合也基本相同。不過，閃蒸再沸在塔壓高時有利，而塔頂氣體直接壓縮式在塔壓低時更有利。

▲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組成的水蒸氣，其一部分用蒸汽噴射泵加壓升溫，隨驅(qū)動蒸汽一起進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，如果進料預熱需蒸汽量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，用于進料預熱的蒸汽量不變，但由于向蒸汽噴射泵供給驅(qū)動蒸汽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：

(1)新增設備只有蒸汽噴射泵，設備費用低；

(2)蒸汽噴射泵沒有轉動部件，容易維修，而且維修費用低。

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)。由再生器送來的濃溴化鋰溶液在吸收器中遇到從再沸器送來的蒸汽，發(fā)生了強烈的吸收作用，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力。從再生器中蒸發(fā)出來的水蒸氣，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)進入吸收器。由此可見，精餾塔的冷凝器也是熱泵的再沸器，詳見圖6。

▲圖6 吸收式熱泵精餾流程圖

吸收式熱泵按照機內(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熱源驅(qū)動，但不需要外界冷卻水，熱量能得到充分利用，主要應用于產(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，以低溫熱源與冷卻水之間的溫差為推動力，可產(chǎn)生低壓蒸汽。

▲表4 吸收式熱泵的特點

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)動能量及供熱量溫度的差異，使二者應用條件有所不同。

一般在余熱源溫度較低(30～60℃),用熱溫度也較低(60～100℃)時，可用I型熱泵，其COP值可達1.7左右，即消耗1kW驅(qū)動能，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，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，相當于不需要其它代價，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，但避免了使用動力，在動力緊張的情況下，有壓縮式熱泵所不可替代的優(yōu)點。吸收式熱泵的優(yōu)點是：可以利用溫度不高的熱源作為動力，如工廠廢汽、廢熱。除功率不大的溶液泵外沒有轉動部件，設備維修方便，耗電量小，無噪音。缺點是熱效率低，需要較高的投資，使用壽命不長。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)動的情況下，吸收式熱泵的工業(yè)應用才具有較大的吸引力。