酒精精餾中的熱泵應用探討

摘 要：文章結合工作經驗，分析分割式熱泵精餾可行性及其實際應用特點。希望通過文章的介紹，可以為相關的工作人員提供幫助和借鑒。

關鍵詞：酒精精餾；分割式熱泵精餾；應用

精餾化工行業作為能耗大戶，其有效的節能方式方法得到各方關注，其中熱泵精餾是目前節能效果最小、最具應用前景的酒精精餾系統。酒精工業化工行業中消耗熱能較多的行業，而生產酒精整個階段中精餾工序則是主要耗用熱能的部位。幾乎有生產所需50%的水與67%的煤都消耗在精餾工序中，所以精餾工序中的能量回收工作對本工業的污染控制、能量節約等方面都有著十分關鍵的意義。

當前全球的酒精精餾行業均沒有研發出可以完全有效解決酒精精餾耗能問題的技術，而此方面技術也是我們國家科研攻關的重點。德國著名化工企業赫斯特公司成功研發出酒精精餾生產技術，有效降低了精餾工序所消耗的能量，然而酒精精餾技術的關鍵在于繁雜的精餾操作控制技術，且還需要重新排序精餾塔。The University of TokyoI SSP成功攻克了特殊膜分離酒精技術難題，然而此項技術需要花費數額巨大的錢財進行裝置的添置且當前還沒有應用于實際應用，還僅處在實驗驗證階段。Standiford FC，Badger WL在Chem Eng Prog所發表的論文Energy conservation in alcohol production中介紹了以酒精精餾熱集成方式為主的技術，然而此技術在控制操作便利性、造價控制等方面都并不是十分讓人滿意。文章結合工作經驗，分析分割式熱泵精餾技術在節能方面的可行性及其實際應用特點。

1 分割式熱泵精餾的提出及其節能可行性分析

在精餾工序都會有個恒沸點，假設在恒沸點奮進進行精餾工作的操作，往往需要消耗較大的能量也會有較大的回流。一般21.7攝氏度上下為究竟精餾塔的溫差，可以歸類為大溫差精餾方面的技術，假設應用間接式或直接式熱泵精餾技術，因為有著較大的溫差，需要選用多級壓縮機，如此一來就需要較高的操作與設備費用，需要較長的投資回收期，缺乏較好的社會經濟效益、節能成效。此外假設應用的是直接式熱泵精餾技術，由于塔底溫度比較高，這就需要壓縮機承受十分高的出口溫度，且很容易造成酒精碳化的情況出現，很顯然是不符合熱泵精餾應用的相關原則。針對大溫差酒精精餾系統，也可將冷凝器與再沸器設置在酒精精餾塔的任何溫度范圍中，進而降低熱泵工作中的溫度差，然而由于冷凝器與再沸器存在較為復雜的操作設計，需要投入較高的費用，因此在經濟效益與節能成效方面也差強人意。

圖1為泡露點溫度-組分相圖，圖2為酒精水溶液的平衡相圖。由于酒精水溶液相平衡存在拐點，為正偏差溶液，因此其并不是理想溶液。在總壓強為0.1兆帕斯卡之下，78.15攝氏度是酒精溶液的恒沸點，x=0.894則是其物質的量之比，在78.15攝氏度左右，相比較之下此時酒精有著較小的揮發度，通常項目會選擇3.5至4.0的回流比，因此需要較大的熱量。而當物質的量之比x設置在0至0.40范圍內時，相比之下酒精具有較大的揮發度，在此時可以應用很小的回流比，因此需要較小的熱量。從下面兩個圖我們還可以知道，大約在0至0.26的物質量之比范圍中，酒精泡點溫度與相對揮發度會有較大的變大，此區域可以歸類為恒稀區，也就是此范圍周邊各個塔板有著較大變化的區域，而大約在0.26至0.894的物質量之比范圍中，酒精的泡點溫度與相對揮發度變化較小，在此范圍周邊各個塔板有著較小變化的區域，為恒濃區。因此在0.26至0.894的物質量之比范圍中，是可以應用熱泵精餾技術的。綜上，我們可以將酒精精餾塔設計為上下兩個相對獨立的精餾塔，在上塔設置熱泵裝置，進而組成分割式熱泵精餾流程，具體如圖3所示。

分割式熱泵精餾流程分成上下兩個熱泵精餾塔，上面的熱泵精餾塔就如傳統熱泵精餾塔一般，只是比傳統精餾塔多設置了進料口；而下面的熱泵精餾塔也是類似傳統的氣提塔（又或者是蒸出塔），從上面精餾塔的釜液進料，上面精餾塔的塔底則作為蒸氣出料口。上塔溫差的控制，可以利用控制下面精餾塔進料濃度（也就是上下兩個精餾塔分割點濃度）進而有效監控上塔溫差。如此就不需要太大的壓縮機壓比，也有利于控制投資額。分割式熱泵精餾裝置由于在上面精餾塔中設置了熱泵，進而可以極大減小下面蒸餾塔的回流比，這也是一個效果較好的節能措施。分割式熱泵精餾流程具有較好的節能成效也有利于控制投資費用，操作簡便有效開拓了熱泵精餾的應用范圍。

2 分割式熱泵精餾的應用特點

分割式熱泵精餾技術不是說僅僅將傳統熱泵精餾塔簡單地分成兩個精餾塔，分割式熱泵精餾技術與傳統熱泵精餾技術相比較，具有特點。

第一，分割點的選擇問題。分割式熱泵精餾的主要參數就是分割點，從上面三個圖我們可以知道，當物質分離條件相同的前提之下，下塔進料濃度愈大，上面精餾塔塔中的溫差也就愈小，也就可以獲得更明顯的精餾效果，換句話說就是需要愈小的壓縮供，而為了提高下面精餾塔的提餾效果，必然會提高下面精餾塔熱能的消耗；下面精餾塔進料濃度愈小，則結論與上述相反，因此，分割式熱泵精餾技術必然會存在一個分割點的最優化，利用年運行費用最優化作為目標函數，可以獲得最佳分割點。第二，輔助再沸器的選擇問題。在傳統的熱泵精餾中，由于輔助再沸器具有控制、補償、啟動作用，因此肯定不能缺少輔助再沸器，然而在分割式熱泵精餾中，下塔的常規再沸器就可以替代輔助再沸器，這樣就沒必要設置輔助再沸器。

3 結束語

第一，分割式熱泵精餾根據熱泵精餾相關節能原則進行設計操作，大體解決了精餾工序中熱泵應用的技術難題。第二，相較于傳統熱泵精餾方式，分割式熱泵精餾有著獨特的應用特色與較好的技能成效，具有明顯的優勢。第三，對于異丙醇水溶液等液體（也就是相圖存在恒稀區與恒濃區的液體），同樣可以應用分割式熱泵精餾的技術。

參考文獻

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