热泵精馏模拟细节和策略

热泵模拟细节和策略
在ASPEN PLUS中直接搭建完整的流程进行模拟一般难以收敛，建议先完成常规精馏的模拟，再利用其数据进行热泵精馏模拟。

以塔顶气相压缩式热泵为例，分三步进行热泵精馏模拟：
第一步，利用常规工艺模拟的数据，进行无塔模拟热泵部分的模拟（如图1）。

此步骤无精馏塔的模拟，物流3为常规精馏塔第1块塔板（在ASPEN中为冷凝器）的气相进料，物流10为精馏塔最后一块塔板（在ASPEN中为再沸器），这两股物流的数据直接由常规精馏塔模拟结果的“Profile”获取。

压缩机和换热器的模拟都很常规，但ASPEN中的换热器并不能模拟釜式再沸器的效果，釜液换热后并不能将气液相分开，所以附加一个绝热闪蒸器，将物流11气液相分开，液相出料，气相返回精馏塔。

分离器S1实现回流。

当这一步的模拟按工艺设计要求收敛后（一般是压缩机出口压力不够导致换热器H2换热量达不到要求，模
第二步，增加塔体进行模拟（如图2）。

在第一步基础上，增加塔体（RadFrac模块中无冷凝器和再沸器的塔单元），根据原工艺输入进料数据和塔的操作数据，同时物流9作为回流液返回塔的第一块塔板，物流12作为再沸蒸气返回塔的最后一块塔板。

此步骤先不将塔顶蒸气14作为热泵蒸气输入（物流3），也不将釜液物流15作为换热器的冷液输入（物流10），进行模拟（一般容易收敛）。

检查塔和产品出料的数据是否跟常规模拟的一致，同时检查物流3和物流14是否一致，物流10与物料15是否一致。

第三步，完整的热泵精馏模拟（如图3）。

在步骤二的基础上，将物流3接到精馏塔塔顶（删除物流14），作为精馏塔第1块塔板蒸气出料，模拟收敛后再将物流10接到精馏塔塔底（删除物流15），作为精馏塔最后一块塔板液相出料。

此处应注意，保留物流3和物流10原本在步骤二中的输入数据（Input），这些数据在迭代时将作为初值进行计算，保留这两股物流的数据让流程更容易收敛。

此流程需要规定撕裂物流（Tear），可以设置塔顶蒸气物流（物流3）和釜液物流（物流14）作为撕裂物流（模拟时也试过只设定釜液物流为撕裂物流，收敛也成功）。

当收敛失败时，可把迭代次数由30次提高到100次（Convergence>> Methos>>Wegstein），再不行的话可尝试把迭代方法由Wegstein改为Newton（Convergence>> Defaults>>>> Defaults Methos >>Tears>>Newton），一般都能收敛。

如果顶蒸气物流（物流3）和釜液物流（物流14）模拟计算的值与输入的值相差较大，需重新检查流程；如果相差不大，建议把撕裂物流的模拟结果（Results）输入到Input中，下次模拟时能更快收敛。

检查整个流程，确认无误后完整的塔顶气相压缩开式热泵精馏模拟就完成了，可进一步改变操作参数来优化热泵精馏。

图4 撕裂物流的设置
对于另外两种比较常见的热泵模拟，釜液节流开式（图5）和闭式（图6），方法跟塔顶气相压缩开式的差不多，撕裂物流和迭代方法仍然是关键。

釜液节流开式也是冷凝器与再沸器是同一个换热器，策略一样。

闭式热泵精馏因为其热泵工质（中、高温下可选择水）不与塔内物料进行交换，模拟就更简单了。

在闭式热泵模拟中，只要能满足冷凝器和再沸器的热负荷精馏操作就能进行，此处就没必要再进行精馏塔的模拟，但要注意的是，物流1（Input）和物流7（Results）的数据应该一致，不然闭式热泵就不是一个循环过程。