化工行業是能耗大戶，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能技術。

熱泵精餾技術的核心是逆向卡諾循環，即把工質通過加壓升溫，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分離過程中取得了較好的節能效果。

熱泵系統的工作原理

熱泵主(zhu)要由壓縮機、膨脹(zhang)閥、蒸發器(qi)和冷(leng)凝器(qi)構成，熱量通(tong)過這四個部件之(zhi)間的循環來實現傳(chuan)遞。

如上圖(tu)所示，來自蒸(zheng)發器(qi)的(de)低(di)溫(wen)(wen)低(di)壓蒸(zheng)氣(qi)經(jing)(jing)壓縮機升(sheng)溫(wen)(wen)升(sheng)壓，達到所需溫(wen)(wen)度(du)和壓力(li)的(de)蒸(zheng)氣(qi)流經(jing)(jing)冷(leng)(leng)凝器(qi)，蒸(zheng)氣(qi)放(fang)出熱量，降溫(wen)(wen)冷(leng)(leng)凝成液(ye)相，經(jing)(jing)節流膨脹后壓力(li)繼續下降。低(di)壓液(ye)相工作(zuo)介質流入蒸(zheng)發器(qi)后，由于沸點(dian)很低(di)，很容(rong)易吸收熱量再(zai)蒸(zheng)發，又形成低(di)溫(wen)(wen)低(di)壓蒸(zheng)氣(qi)。

如果(guo)把蒸發器放入低品位熱(re)(re)源中吸收(shou)熱(re)(re)量，則吸收(shou)了熱(re)(re)量的(de)蒸氣再(zai)進入壓縮機，如此(ci)循環，就能(neng)使(shi)低溫熱(re)(re)量不(bu)斷流到溫度較高的(de)地方，實現熱(re)(re)量的(de)有效回收(shou)利用，其(qi)代價是(shi)不(bu)斷給壓縮機提供機械能(neng)或電能(neng)。

熱泵精餾系統(tong)用“泵”（壓縮(suo)機(ji)）把熱量從低溫(wen)處(chu)送到高溫(wen)處(chu)，在該系統(tong)中壓縮(suo)機(ji)消耗的(de)能(neng)量是唯一(yi)由(you)外(wai)界提供的(de)能(neng)量，它比再沸器直接加(jia)熱消耗的(de)能(neng)量少得多(duo)，一(yi)般只相當(dang)于后(hou)者的(de)20～40%，由(you)此可見(jian)熱泵節約能(neng)耗的(de)作用。

熱泵精餾的適用場合

熱(re)泵(beng)精餾(liu)具有一定的應(ying)用(yong)范圍，需要(yao)根據精餾(liu)塔工藝要(yao)求，通過準確的經濟評比(bi)決定是否使用(yong)熱(re)泵(beng)精餾(liu)：

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濟效果；

⑵塔頂溫度低于環境溫度又高于工質的蒸發溫度，塔底溫度低于工質冷凝溫度的精餾塔；

⑶工質蒸汽冷凝潛熱較大的系統；

⑷被分離物質沸點接近，相對揮發度較小，分離困難，按常規方法，蒸餾塔需要較多的塔盤及較大的回流比，才能得到合格的產品，而且加熱用的蒸汽或冷卻用的循環水都比較多。若采用熱泵技術一般可取得較明顯的經濟效益；

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必須在較高壓力下分離易揮發物質的場合；

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

根據熱泵所消耗的外界(jie)能量不同，熱泵精餾可分為蒸(zheng)汽(qi)加壓方式(shi)和吸收式(shi)兩種類型(xing)。

Ⅰ蒸汽加壓方式

蒸汽加壓(ya)(ya)方(fang)式(shi)熱泵精餾(liu)有(you)兩種(zhong)：蒸汽壓(ya)(ya)縮機方(fang)式(shi)和蒸汽噴(pen)射(she)式(shi)。

①蒸汽壓縮機方式

蒸(zheng)(zheng)汽壓縮機(ji)方式(shi)又可(ke)分(fen)為間接式(shi)、塔頂(ding)氣(qi)體(ti)直接壓縮式(shi)、分(fen)割式(shi)和塔釜液體(ti)閃蒸(zheng)(zheng)再(zai)沸式(shi)流程。

a. 間接式

當塔頂氣體(ti)具有腐蝕(shi)性(xing)或塔頂氣體(ti)為(wei)熱敏性(xing)產品或塔頂產品不(bu)宜壓(ya)縮(suo)時，可以采用(yong)間接式(shi)熱泵(beng)精(jing)餾，見圖1。

▲圖(tu)1 間接式熱泵精餾(liu)流程(cheng)圖(tu)

它主要由精餾塔(ta)、壓(ya)(ya)縮(suo)機、蒸發器(qi)、冷凝器(qi)及節(jie)流閥等組成(cheng)(cheng)。這種流程利用單獨封閉循(xun)環的(de)工質（冷劑）工作：冷劑與塔(ta)頂物料換(huan)熱(re)后吸收熱(re)量(liang)蒸發為氣體(ti)，氣體(ti)經壓(ya)(ya)縮(suo)提高壓(ya)(ya)力和(he)溫度后，送至塔(ta)釜(fu)(fu)加熱(re)釜(fu)(fu)液(ye)，而本身凝結成(cheng)(cheng)液(ye)體(ti)。液(ye)體(ti)經節(jie)流減壓(ya)(ya)后再去(qu)塔(ta)頂換(huan)熱(re)，完(wan)成(cheng)(cheng)一個循(xun)環。

塔(ta)(ta)頂低溫處的熱量，通過冷劑(ji)的媒介(jie)傳遞到塔(ta)(ta)釜高(gao)溫處。在(zai)此(ci)流程中(zhong)，制冷循環中(zhong)的冷劑(ji)冷凝器(qi)與塔(ta)(ta)釜再沸(fei)器(qi)合為一個設備。在(zai)此(ci)設備中(zhong)冷劑(ji)冷凝放熱而釜液吸熱蒸發。

間接式熱泵精餾的特點是：

(1)塔中要分離(li)的產品與冷劑完全隔(ge)離(li)；

(2)可(ke)使用標準精餾系統，易于設(she)計和控制；

(3)與(yu)塔頂氣體(ti)直接壓縮式相(xiang)比較(jiao)，多一個熱(re)交換(huan)器(即蒸發器)，壓縮機需要(yao)克服(fu)較(jiao)高的溫差和(he)壓力差，因(yin)此其(qi)效率較(jiao)低。

考(kao)慮到工質的(de)(de)化(hua)學穩定性(xing)，間接式熱泵精餾應(ying)用的(de)(de)溫度(du)范圍(wei)限制在130℃左右,而許多有機產品(pin)的(de)(de)精餾塔卻在較高的(de)(de)溫度(du)下操作。

與普通(tong)制冷(leng)劑相比，水的化學和熱穩(wen)定(ding)性好，泄(xie)漏時(shi)對(dui)人和臭氧層無負效應，價(jia)格便宜，而且具有(you)極好的傳熱特(te)性，在熱交(jiao)換中所需的換熱面積較小，特(te)別適合精餾塔底溫度較高的精餾系統(tong)。

表1是以水為工質(zhi)，用間接式(shi)(shi)熱(re)泵精(jing)餾分離乙(yi)苯-對二(er)甲苯的節能結果。雖然單(dan)獨工質(zhi)循環式(shi)(shi)熱(re)泵精(jing)餾比常規(gui)精(jing)餾的總投資(zi)費用大，但回(hui)收期短，一(yi)般在一(yi)年之內(nei)。

▲表1 不同熱(re)泵精餾流程處理乙苯-對(dui)二(er)甲苯溶液的

節能及經濟(ji)效果

b. 塔頂氣體直接壓縮式

塔(ta)(ta)(ta)頂氣(qi)體(ti)直接壓(ya)縮式(shi)熱泵精餾(liu)是(shi)以塔(ta)(ta)(ta)頂氣(qi)體(ti)作為工(gong)質的熱泵，其流(liu)程見圖2，精餾(liu)塔(ta)(ta)(ta)頂氣(qi)體(ti)經壓(ya)縮機壓(ya)縮升溫(wen)后進入塔(ta)(ta)(ta)底再(zai)沸器，冷凝放熱使釜(fu)液再(zai)沸，冷凝液經節流(liu)閥減(jian)壓(ya)降溫(wen)后，一(yi)部(bu)(bu)分(fen)(fen)作為產品(pin)出料，另一(yi)部(bu)(bu)分(fen)(fen)作為精餾(liu)塔(ta)(ta)(ta)頂的回流(liu)。

▲圖2 塔(ta)頂氣體直接壓(ya)縮式熱(re)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(de)載熱(re)介(jie)質(zhi)是現成的(de)；

(2)因(yin)為只需(xu)要一(yi)個熱(re)交換器(即(ji)再沸(fei)器)，壓縮(suo)機的壓縮(suo)比(bi)通(tong)常低于單獨工質循環(huan)式的壓縮(suo)比(bi)；

(3)系統簡單，穩定(ding)可(ke)靠。

塔(ta)頂氣(qi)體直接(jie)壓縮式熱(re)泵精餾(liu)適(shi)合(he)應用(yong)在塔(ta)頂和塔(ta)底溫度(du)接(jie)近，或(huo)(huo)被分離物(wu)質(zhi)(zhi)因沸(fei)點接(jie)近難以分離，必須采用(yong)較大回流比的(de)情況(kuang)下，因此需要消耗大量加熱(re)蒸汽(即高負荷(he)的(de)再沸(fei)器)，或(huo)(huo)在低壓運行(xing)必須采用(yong)冷(leng)凍劑進行(xing)冷(leng)凝。為了使(shi)用(yong)冷(leng)卻水或(huo)(huo)空(kong)氣(qi)作冷(leng)凝介質(zhi)(zhi)，必須在較高塔(ta)壓下分離某(mou)些(xie)易(yi)揮發物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)場合(he)。

塔頂(ding)氣體直(zhi)接壓縮(suo)式熱(re)泵精餾(liu)應用十分廣(guang)泛，如丙(bing)烯-丙(bing)烷的分離采用該流(liu)程，其(qi)熱(re)力學效率可以從(cong)3.6%提(ti)高到8.1%,節能和經濟效益非常(chang)顯著。

某(mou)廠采用熱泵(beng)精餾(liu)的結果見表2，由此可見，當選用熱泵(beng)精餾(liu)時(shi)，能源費用急(ji)劇下(xia)降。此時(shi)，冷(leng)卻水溫度已不再是決(jue)定因素，精餾(liu)塔可在(zai)更低的壓力下(xia)操作，既簡化了分離(li)過(guo)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(jie)能和經濟效果比較

c. 分割式熱泵

分(fen)割式(shi)熱(re)泵(beng)精餾組成及其(qi)流程(cheng)如圖3所示。

▲圖(tu)3 分割式(shi)熱(re)泵精(jing)餾流程圖(tu)

分(fen)割(ge)(ge)式熱(re)泵精(jing)餾流程分(fen)為上(shang)、下兩塔(ta)，上(shang)塔(ta)類(lei)似(si)于直接(jie)式熱(re)泵精(jing)餾，只不過多了一個進料(liao)口；下塔(ta)則(ze)類(lei)似(si)于常規精(jing)餾的提餾段即蒸出塔(ta)，進料(liao)來自上(shang)塔(ta)的釜液，蒸汽(qi)則(ze)進入上(shang)塔(ta)塔(ta)底(di)。分(fen)割(ge)(ge)式熱(re)泵精(jing)餾的節(jie)能效果明顯，投資費用(yong)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)來調節上塔的溫差，從而選擇合適的壓縮機。在實際設計時，分割點濃度的優化是很必要的。

分割式熱泵精(jing)餾(liu)適用于分離體系物的相(xiang)圖存在恒濃區和(he)恒稀區的大(da)溫差精(jing)餾(liu)，如乙醇水(shui)溶液、異丙(bing)醇水(shui)溶液等。

表3是某工廠采用常規(gui)精餾、塔頂(ding)直接式(shi)熱泵精餾和分割式(shi)熱泵精餾工藝(yi)處理異丙醇(chun)水溶液的結(jie)果(guo)。

▲表3 不同精餾形式下異丙醇溶液分離的節能和經濟效(xiao)果比(bi)較

從表3可(ke)以看出，分割式可(ke)選(xuan)擇(ze)單級壓(ya)縮機(ji)，其(qi)耗電量(liang)大大降低(di)；而塔頂直接(jie)式就必(bi)須選(xuan)擇(ze)昂(ang)貴的多級壓(ya)縮機(ji)。其(qi)耗電量(liang)幾乎是分割式的2倍(bei)。

d. 閃蒸再沸

閃蒸(zheng)再沸(fei)是熱(re)(re)泵(beng)的一種(zhong)變(bian)型，它以釜液為工質，其流程如圖4所示。與(yu)塔頂(ding)氣(qi)體直接壓縮式相(xiang)(xiang)似，它也比(bi)間接式少一個換熱(re)(re)器，適用場(chang)合也基本相(xiang)(xiang)同。不過，閃蒸(zheng)再沸(fei)在(zai)塔壓高時(shi)有利，而塔頂(ding)氣(qi)體直接壓縮式在(zai)塔壓低(di)時(shi)更有利。

▲圖4 閃蒸再沸式熱泵精餾(liu)流程(cheng)圖

②蒸汽噴射式

圖5是(shi)采用蒸汽(qi)噴射泵方式(shi)的蒸汽(qi)汽(qi)提(ti)減(jian)壓精餾(liu)工(gong)藝流程。在該流程中，塔(ta)頂蒸汽(qi)是(shi)稍含低沸點組(zu)成的水蒸氣(qi)，其一部分用蒸汽(qi)噴射泵加(jia)壓升溫，隨驅(qu)動蒸汽(qi)一起進(jin)入塔(ta)底作為加(jia)熱蒸汽(qi)。

▲圖5 蒸汽噴射(she)式(shi)熱(re)泵精餾流(liu)程圖

在(zai)傳統方式中(zhong)，如(ru)果進料(liao)預(yu)熱需蒸(zheng)(zheng)汽(qi)量10，再沸(fei)器(qi)需蒸(zheng)(zheng)汽(qi)量30，則(ze)共需蒸(zheng)(zheng)汽(qi)量40。而在(zai)采(cai)用(yong)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)噴射式熱泵的精餾中(zhong)，用(yong)于(yu)進料(liao)預(yu)熱的蒸(zheng)(zheng)汽(qi)量不變，但(dan)由于(yu)向蒸(zheng)(zheng)汽(qi)噴射泵供給驅動蒸(zheng)(zheng)汽(qi)15就可(ke)得到用(yong)于(yu)再沸(fei)器(qi)加(jia)熱的蒸(zheng)(zheng)汽(qi)30，故蒸(zheng)(zheng)汽(qi)消耗量是25，可(ke)節(jie)省37.5%的蒸(zheng)(zheng)汽(qi)量，所以(yi)節(jie)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點：

(1)新增設備(bei)只(zhi)有蒸汽噴射泵，設備(bei)費用低；

(2)蒸汽噴射泵沒(mei)有(you)轉(zhuan)動部件(jian)，容易維修(xiu)，而且維修(xiu)費用低。

蒸(zheng)(zheng)汽(qi)噴射式熱泵(beng)精餾如果在(zai)大壓縮比或高真空(kong)度條件下操(cao)作，蒸(zheng)(zheng)汽(qi)噴射泵(beng)的驅動蒸(zheng)(zheng)汽(qi)量(liang)增(zeng)大，再循環效果顯著下降。因此，這種方式的熱泵(beng)精餾適(shi)合應用在(zai)：

(1)精餾(liu)塔塔底和塔頂的壓差不大；

(2)減壓(ya)精餾的真空度(du)比較低的情況下。

Ⅱ 吸收式

吸(xi)收式熱泵由吸(xi)收器(qi)(qi)、再(zai)生(sheng)(sheng)器(qi)(qi)、冷卻器(qi)(qi)和(he)再(zai)沸(fei)器(qi)(qi)等設備(bei)組成，常用溴化(hua)鋰(li)水(shui)溶液(ye)或(huo)氯(lv)化(hua)鈣水(shui)溶液(ye)為工質。由再(zai)生(sheng)(sheng)器(qi)(qi)送來的(de)濃溴化(hua)鋰(li)溶液(ye)在吸(xi)收器(qi)(qi)中遇到從再(zai)沸(fei)器(qi)(qi)送來的(de)蒸汽，發生(sheng)(sheng)了強烈的(de)吸(xi)收作用，不但升溫而且(qie)放出(chu)熱量，該熱量(liang)即可用于精餾塔蒸(zheng)(zheng)發器，實際上(shang)熱泵的(de)吸收器即為(wei)精餾塔的(de)蒸(zheng)(zheng)發器。

濃溴(xiu)化鋰溶(rong)液吸收了蒸(zheng)汽之后，濃度變稀，即送再(zai)生器蒸(zheng)濃。再(zai)生器所耗用的熱能是熱(re)泵的(de)原動力。從(cong)再(zai)生器(qi)中(zhong)蒸發出來(lai)的(de)水(shui)蒸氣，在冷(leng)(leng)卻器(qi)中(zhong)冷(leng)(leng)卻、冷(leng)(leng)凝(ning)，而后(hou)送入精餾(liu)塔冷(leng)(leng)凝(ning)器(qi)，在此冷(leng)(leng)凝(ning)器(qi)中(zhong)，塔頂餾(liu)出物被(bei)冷(leng)(leng)凝(ning)，而水(shui)又重新蒸發進入吸收器(qi)。由此可(ke)見(jian)，精餾(liu)塔的(de)冷(leng)(leng)凝(ning)器(qi)也是熱(re)泵的(de)再(zai)沸(fei)器(qi)，詳(xiang)見(jian)圖6。

▲圖(tu)6 吸收式熱(re)泵精餾流(liu)程圖(tu)

吸收式熱泵按照機內(nei)循環方向的不(bu)同可分為：

冷(leng)凝(ning)(ning)器(qi)壓力(li)大于蒸發器(qi)壓力(li)的第一類吸收(shou)(shou)式(shi)熱(re)(re)(re)泵(beng)(beng)(Ⅰ型)和(he)蒸發器(qi)壓力(li)高(gao)于冷(leng)凝(ning)(ning)器(qi)壓力(li)的第二類吸收(shou)(shou)式(shi)熱(re)(re)(re)泵(beng)(beng)(Ⅱ型)。第一類吸收(shou)(shou)式(shi)熱(re)(re)(re)泵(beng)(beng)需要高(gao)溫熱(re)(re)(re)源(yuan)驅動，但不(bu)需要外界冷(leng)卻水(shui)，熱(re)(re)(re)量能得到充分利用(yong)，主要應用(yong)于產(chan)生熱(re)(re)(re)水(shui)；第二類吸收(shou)(shou)式(shi)熱(re)(re)(re)泵(beng)(beng)可利用(yong)低品位(wei)熱(re)(re)(re)能直接驅動，以低溫熱(re)(re)(re)源(yuan)與冷(leng)卻水(shui)之(zhi)間(jian)的溫差為推動力(li)，可產(chan)生低壓蒸汽。

▲表4 吸收式熱泵的特點

由(you)表4可看出：I型吸(xi)收(shou)式熱(re)(re)泵(beng)與Ⅱ型吸(xi)收(shou)式熱(re)(re)泵(beng)雖是吸(xi)收(shou)式熱(re)(re)泵(beng)的兩大分支，二者(zhe)原理相似(si)，但由(you)于驅動能量及供熱(re)(re)量溫度(du)的差異，使二者(zhe)應用條件(jian)有所不同(tong)。

一(yi)般在余(yu)熱(re)源(yuan)溫(wen)(wen)度較(jiao)(jiao)(jiao)低(30～60℃),用(yong)(yong)(yong)(yong)熱(re)溫(wen)(wen)度也(ye)較(jiao)(jiao)(jiao)低(60～100℃)時(shi)，可(ke)(ke)用(yong)(yong)(yong)(yong)I型熱(re)泵(beng)(beng)，其COP值可(ke)(ke)達1.7左(zuo)右(you)，即消耗1kW驅動能，可(ke)(ke)以獲得1.7kW的可(ke)(ke)用(yong)(yong)(yong)(yong)熱(re)。而在余(yu)熱(re)源(yuan)溫(wen)(wen)度較(jiao)(jiao)(jiao)高(60～100℃)需要的供熱(re)溫(wen)(wen)度也(ye)較(jiao)(jiao)(jiao)高(100～150℃)時(shi)，可(ke)(ke)用(yong)(yong)(yong)(yong)Ⅱ型熱(re)泵(beng)(beng)，其COP值約為0.5，即每供給(gei)熱(re)泵(beng)(beng)1kW的低溫(wen)(wen)余(yu)熱(re)，可(ke)(ke)以獲得1.5kW溫(wen)(wen)度較(jiao)(jiao)(jiao)高的可(ke)(ke)用(yong)(yong)(yong)(yong)熱(re)，相當于不需要其它代價，就可(ke)(ke)以將(jiang)低溫(wen)(wen)余(yu)熱(re)的一(yi)半左(zuo)右(you)回收利用(yong)(yong)(yong)(yong)。

吸(xi)收式(shi)熱(re)泵(beng)與壓(ya)縮(suo)式(shi)熱(re)泵(beng)相比，雖然供(gong)熱(re)系數(shu)COP較小，但避免了(le)使(shi)用(yong)動力(li)，在動力(li)緊張(zhang)的(de)情況下(xia)，有壓(ya)縮(suo)式(shi)熱(re)泵(beng)所不(bu)(bu)可替代的(de)優(you)點(dian)。吸(xi)收式(shi)熱(re)泵(beng)的(de)優(you)點(dian)是：可以利用(yong)溫度不(bu)(bu)高的(de)熱(re)源作為(wei)動力(li)，如工(gong)廠廢(fei)汽、廢(fei)熱(re)。除功率(lv)(lv)不(bu)(bu)大的(de)溶液(ye)泵(beng)外沒(mei)有轉動部(bu)件，設備維修方便，耗電量小，無噪音。缺點(dian)是熱(re)效(xiao)率(lv)(lv)低，需要較高的(de)投資，使(shi)用(yong)壽命不(bu)(bu)長。因(yin)此(ci)只有在產(chan)熱(re)量很大、而溫度提升要求不(bu)(bu)高，并且可用(yong)廢(fei)熱(re)直接驅動的(de)情況下(xia)，吸(xi)收式(shi)熱(re)泵(beng)的(de)工(gong)業應(ying)用(yong)才具有較大的(de)吸(xi)引力(li)。