化⼯⾏业是能耗⼤户，如何降低精馏塔的能耗，充分利⽤低温热源，已成为⼈们普遍关注的问题。热泵精馏（Heat Pump Distillation）是把精馏塔塔顶蒸汽加压升温，使其⽤作塔底再沸器的热源，回收塔顶蒸汽的冷凝潜热，因⽽热泵精馏是⼀种良好的节能技术。 热泵精馏技术的核⼼是逆向卡诺循环，即把⼯质通过加压升温，回收塔顶蒸汽的冷凝潜热，作为塔底再沸器的热源，以达到减少冷热公⽤⼯程⽤量的⽬的。热泵精馏除开⼯阶段外，基本上不需向再沸器提供额外的热量。⾃20世纪80年代末以来，热泵精馏在丙烯、丙烷、⼄醇、醋酸甲酯等实际⼯业分离过程中取得了较好的节能效果。
热泵系统的⼯作原理
热泵主要由压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器构成，热量通过这四个部件之间的循环来实现传递。 如上图所⽰，来⾃蒸发器的低温低压蒸⽓经压缩机升温升压，达到所需温度和压⼒的蒸⽓流经冷凝器，蒸⽓放出热量，降温冷凝成液相，经节流膨胀后压⼒继续下降。低压液相⼯作介质流⼊蒸发器后，由于沸点很低，很容易吸收热量再蒸发，⼜形成低温低压蒸⽓。
如果把蒸发器放⼊低品位热源中吸收热量，则吸收了热量的蒸⽓再进⼊压缩机，如此循环，就能使低温
热量不断流到温度较⾼的地⽅，实现热量的有效回收利⽤，其代价是不断给压缩机提供机械能或电能。
热泵精馏系统⽤“泵”（压缩机）把热量从低温处送到⾼温处，在该系统中压缩机消耗的能量是唯⼀由外界提供的能量，它⽐再沸器直接加热消耗的能量少得多，⼀般只相当于后者的20～40%，由此可见热泵节约能耗的作⽤。
热泵精馏的适⽤场合
热泵精馏具有⼀定的应⽤范围，需要根据精馏塔⼯艺要求，通过准确的经济评⽐决定是否使⽤热泵精馏：
⑴塔顶和塔底温差较⼩。因为压缩机的功耗主要取决于温差，温差越⼤，压缩机的功耗越⼤。据国外⽂献报导，只要塔顶和塔底温差⼩于36℃，就可以获得较好的经济效果；
⑵塔顶温度低于环境温度⼜⾼于⼯质的蒸发温度，塔底温度低于⼯质冷凝温度的精馏塔；
⑶⼯质蒸汽冷凝潜热较⼤的系统；
⑷被分离物质沸点接近，相对挥发度较⼩，分离困难，按常规⽅法，蒸馏塔需要较多的塔盘及较⼤的
回流⽐，才能得到合格的产品，⽽且加热⽤的蒸汽或冷却⽤的循环⽔都⽐较多。若采⽤热泵技术⼀般可取得较明显的经济效益；
⑸冷却⽔不⾜或冷却⽔温偏⾼、价格偏贵，低压运⾏时必须采⽤冷冻剂进⾏冷凝，为了使⽤冷却⽔或空⽓作为冷凝介质必须在较⾼压⼒下分离易挥发物质的场合；
⑹⼯⼚蒸汽供应不⾜或价格偏⾼，有必要减少蒸汽⽤量或取消再沸器时；
⑺⼀般蒸馏塔塔顶温度在38～138℃之间，如果⽤热泵流程对缩短投资回收期有利就可以采⽤，但是如果有较便宜的低压蒸汽和冷却介质来源，⽤热泵流程就不⼀定有利；
⑻蒸馏塔底再沸器温度在300℃以上，采⽤热泵流程往往是不合适的。
热泵精馏的分类
根据热泵所消耗的外界能量不同，热泵精馏可分为蒸汽加压⽅式和吸收式两种类型。
Ⅰ蒸汽加压⽅式
循环流化床锅炉技术蒸汽加压⽅式热泵精馏有两种：蒸汽压缩机⽅式和蒸汽喷射式。
①蒸汽压缩机⽅式
蒸汽压缩机⽅式⼜可分为间接式、塔顶⽓体直接压缩式、分割式和塔釜液体闪蒸再沸式流程。
a. 间接式
当塔顶⽓体具有腐蚀性或塔顶⽓体为热敏性产品或塔顶产品不宜压缩时，可以采⽤间接式热泵精馏，见图1。
▲图1 间接式热泵精馏流程图
它主要由精馏塔、压缩机、蒸发器、冷凝器及节流阀等组成。这种流程利⽤单独封闭循环的⼯质（冷剂）⼯作：冷剂与塔顶物料换热后吸收热量蒸发为⽓体，⽓体经压缩提⾼压⼒和温度后，送⾄塔釜加热釜液，⽽本⾝凝结成液体。液体经节流减压后再去塔顶换热，完成⼀个循环。
塔顶低温处的热量，通过冷剂的媒介传递到塔釜⾼温处。在此流程中，制冷循环中的冷剂冷凝器与塔釜再沸器合为⼀个设备。在此设备中冷剂冷凝放热⽽釜液吸热蒸发。
间接式热泵精馏的特点是：
(1)塔中要分离的产品与冷剂完全隔离；
(2)可使⽤标准精馏系统，易于设计和控制；
(3)与塔顶⽓体直接压缩式相⽐较，多⼀个热交换器(即蒸发器)，压缩机需要克服较⾼的温差和压⼒差，因此其效率较低。卫生间新型地漏
考虑到⼯质的化学稳定性，间接式热泵精馏应⽤的温度范围限制在130℃左右,⽽许多有机产品的精馏塔却在较⾼的温度下操作。
与普通制冷剂相⽐，⽔的化学和热稳定性好，泄漏时对⼈和臭氧层⽆负效应，价格便宜，⽽且具有极好的传热特性，在热交换中所需的换热⾯积较⼩，特别适合精馏塔底温度较⾼的精馏系统。
表1是以⽔为⼯质，⽤间接式热泵精馏分离⼄苯-对⼆甲苯的节能结果。虽然单独⼯质循环式热泵精馏⽐常规精馏的总投资费⽤⼤，但回收期短，⼀般在⼀年之内。
▲表1 不同热泵精馏流程处理⼄苯-对⼆甲苯溶液的
节能及经济效果
b. 塔顶⽓体直接压缩式
塔顶⽓体直接压缩式热泵精馏是以塔顶⽓体作为⼯质的热泵，其流程见图2，精馏塔顶⽓体经压缩机压缩升温后进⼊塔底再沸器，冷凝放热使釜液再沸，冷凝液经节流阀减压降温后，⼀部分作为产品出料，另⼀部分作为精馏塔顶的回流。
▲图2 塔顶⽓体直接压缩式热泵精馏流程图长春密刺
塔顶⽓体直接压缩式热泵精馏的特点是：
(1)所需的载热介质是现成的；
(2)因为只需要⼀个热交换器(即再沸器)，压缩机的压缩⽐通常低于单独⼯质循环式的压缩⽐；
(3)系统简单，稳定可靠。
塔顶⽓体直接压缩式热泵精馏适合应⽤在塔顶和塔底温度接近，或被分离物质因沸点接近难以分离，必须采⽤较⼤回流⽐的情况下，因此需要消耗⼤量加热蒸汽(即⾼负荷的再沸器)，或在低压运⾏必须采⽤冷冻剂进⾏冷凝。为了使⽤冷却⽔或空⽓作冷凝介质，必须在较⾼塔压下分离某些易挥发物质的场合。
塔顶⽓体直接压缩式热泵精馏应⽤⼗分⼴泛，如丙烯-丙烷的分离采⽤该流程，其热⼒学效率可以从3.6%提⾼到8.1%，节能和经济效益⾮常显著。
某⼚采⽤热泵精馏的结果见表2，由此可见，当选⽤热泵精馏时，能源费⽤急剧下降。此时，冷却⽔温度已不再是决定因素，精馏塔可在更低的压⼒下操作，既简化了分离过程，⼜降低了设备成本。
▲表2 不同精馏形式下丙烯-丙烷分离的节能和经济效果⽐较
c. 分割式热泵
分割式热泵精馏组成及其流程如图3所⽰。
▲图3 分割式热泵精馏流程图
分割式热泵精馏流程分为上、下两塔，上塔类似于直接式热泵精馏，只不过多了⼀个进料⼝；下塔则类似于常规精馏的提馏段即蒸出塔，进料来⾃上塔的釜液，蒸汽则进⼊上塔塔底。分割式热泵精馏的节能效果明显，投资费⽤适中，控制简单。
分割式热泵精馏的特点是可通过控制分割点浓度(即下塔进料浓度)来调节上塔的温差，从⽽选择合适的压缩机。在实际设计时，分割点浓度的优化是很必要的。
分割式热泵精馏适⽤于分离体系物的相图存在恒浓区和恒稀区的⼤温差精馏，如⼄醇⽔溶液、异丙醇⽔溶液等。
表3是某⼯⼚采⽤常规精馏、塔顶直接式热泵精馏和分割式热泵精馏⼯艺处理异丙醇⽔溶液的结果。
▲表3 不同精馏形式下异丙醇溶液分离的节能和经济效果⽐较
从表3可以看出，分割式可选择单级压缩机，其耗电量⼤⼤降低；⽽塔顶直接式就必须选择昂贵的多级压缩机。其耗电量⼏乎是分割式的2倍。
d. 闪蒸再沸
空气热源泵
闪蒸再沸是热泵的⼀种变型，它以釜液为⼯质，其流程如图4所⽰。与塔顶⽓体直接压缩式相似，它也⽐间接式少⼀个换热器，适⽤场合也基本相同。不过，闪蒸再沸在塔压⾼时有利，⽽塔顶⽓体直接压缩式在塔压低时更有利。
▲图4 闪蒸再沸式热泵精馏流程图
②蒸汽喷射式
图5是采⽤蒸汽喷射泵⽅式的蒸汽汽提减压精馏⼯艺流程。在该流程中，塔顶蒸汽是稍含低沸点组成的⽔蒸⽓，其⼀部分⽤蒸汽喷射泵加压升温，随驱动蒸汽⼀起进⼊塔底作为加热蒸汽。
▲图5 蒸汽喷射式热泵精馏流程图
接线排
在传统⽅式中，如果进料预热需蒸汽量10，再沸器需蒸汽量30，则共需蒸汽量40。⽽在采⽤蒸汽喷射式热泵的精馏中，⽤于进料预热的蒸汽量不变，但由于向蒸汽喷射泵供给驱动蒸汽15就可得到⽤于再沸器加热的蒸汽30，故蒸汽消耗量是25，可节省37.5%的蒸汽量，所以节能效果⼗分显著。
采⽤蒸汽喷射泵⽅式的热泵精馏具有如下优点：
(1)新增设备只有蒸汽喷射泵，设备费⽤低；
(2)蒸汽喷射泵没有转动部件，容易维修，⽽且维修费⽤低。
蒸汽喷射式热泵精馏如果在⼤压缩⽐或⾼真空度条件下操作，蒸汽喷射泵的驱动蒸汽量增⼤，再循环效果显著下降。因此，这种⽅式的热泵精馏适合应⽤在：
(1)精馏塔塔底和塔顶的压差不⼤；
(2)减压精馏的真空度⽐较低的情况下。
Ⅱ吸收式
吸收式热泵由吸收器、再⽣器、冷却器和再沸器等设备组成，常⽤溴化锂⽔溶液或氯化钙⽔溶液为⼯
质。由再⽣器送来的浓溴化锂溶液在吸收器中遇到从再沸器送来的蒸汽，发⽣了强烈的吸收作⽤，不但升温⽽且放出热量<Q吸>，该热量即可⽤于精馏塔蒸发器，实际上热泵的吸收器即为精馏塔的蒸发器。
浓溴化锂溶液吸收了蒸汽之后，浓度变稀，即送再⽣器蒸浓。再⽣器所耗⽤的热能<Q⽣>是热泵的原动⼒。从再⽣器中蒸发出来的⽔蒸⽓，在冷却器中冷却、冷凝，⽽后送⼊精馏塔冷凝器，在此冷凝器中，塔顶馏出物被冷凝，⽽⽔⼜重新蒸发进⼊吸收器。由此可见，精馏塔的冷凝器也是热泵的再沸器，详见图6。
▲图6 吸收式热泵精馏流程图
吸收式热泵按照机内循环⽅向的不同可分为：
冷凝器压⼒⼤于蒸发器压⼒的第⼀类吸收式热泵(Ⅰ型)和蒸发器压⼒⾼于冷凝器压⼒的第⼆类吸收式热泵(Ⅱ型)。第⼀类吸收式热泵需要⾼温热源驱动，但不需要外界冷却⽔，热量能得到充分利⽤，主要应⽤于产⽣热⽔；第⼆类吸收式热泵可利⽤低品位热能直接驱动，以低温热源与冷却⽔之间的温差为推动⼒，可产⽣低压蒸汽。
▲表4 吸收式热泵的特点
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由表4可看出：I型吸收式热泵与Ⅱ型吸收式热泵虽是吸收式热泵的两⼤分⽀，⼆者原理相似，但由于驱动能量及供热量温度的差异，使⼆者应⽤条件有所不同。
⼀般在余热源温度较低(30～60℃),⽤热温度也较低(60～100℃)时，可⽤I型热泵，其COP值可达1.7左右，即消耗1kW 驱动能，可以获得1.7kW的可⽤热。⽽在余热源温度较⾼(60～100℃)需要的供热温度也较⾼(100～150℃)时，可⽤Ⅱ型热泵，其COP值约为0.5，即每供给热泵1kW的低温余热，可以获得1.5kW温度较⾼的可⽤热，相当于不需要其它代价，就可以将低温余热的⼀半左右回收利⽤。
吸收式热泵与压缩式热泵相⽐，虽然供热系数COP较⼩，但避免了使⽤动⼒，在动⼒紧张的情况下，有压缩式热泵所不可替代的优点。吸收式热泵的优点是：可以利⽤温度不⾼的热源作为动⼒，如⼯⼚废汽、废热。除功率不⼤的溶液泵外没有转动部件，设备维修⽅便，耗电量⼩，⽆噪⾳。缺点是热效率低，需要较⾼的投资，使⽤寿命不长。因此只有在产热量很⼤、⽽温度提升要求不⾼，并且可⽤废热直接驱动的情况下，吸收式热泵的⼯业应⽤才具有较⼤的吸引⼒。以下是吸收式热泵的应⽤举例。
是吸收式热泵的应⽤举例。
⽇本某化⼯⼚⽤Ⅱ型热泵回收精馏塔有机蒸汽的余热8.5t/h。80℃的有机余热蒸汽进⼊热泵的发⽣器和蒸发器，由吸收器将100℃的热⽔加热到125℃，经闪蒸获得1kg/cm2(表压)120℃的蒸汽4.25t/h，热泵⼀年运⾏以8000h计算，则可节约蒸汽34000t。
上海通⽤机械研究所为上海酒精⼚研制Ⅱ型热泵回收蒸馏塔顶76℃酒精蒸汽23222kW功能量，产⽣0.5kg/cm2 (表压)的蒸汽1.8t/h。据估算热泵每年收利15万元，装置费⽤的回收期约为1.5年。
上海交通⼤学为上海溶剂⼚研制LiBr/H2O⾼温吸收式热泵，回收溶剂⽣产过程的7547kW103℃余热，产⽣1kg/cm2(表压)的蒸汽0.5t/h。据估算的热泵每年收益约8万元，装置费⽤回收期约三年。可见⽬前我国在能源价格偏低的情况下，采⽤Ⅱ型热泵节能，仍有⼀定的经济效益。
综上所述，热泵精馏确实是⼀种⾼效的节能技术，但需要注意的是，在选择精馏⽅案时除应考虑能源费⽤外，还应考虑其设备投资费⽤等因素对其经济合理性进⾏综合评价。在实际设计中，可把前⾯介绍的⼏种典型流程加以改进，以拓展热泵精馏的应⽤范围，⽽且要进⾏优化设计，以便获得节能效果和经济效益最佳的热泵精馏⽅案。
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