外行学空分(107)一一再论热泵(五)

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    沸点在环境温度以下的精馏过程除了极少数情况下可以采用闭式热泵精馏工艺方案外，都是完全自热精馏即彻底开式热泵精馏流程！前帖曾经说过，理论上任何二元物系都有三个完全自热的开式热泵精馏流程，理论上沸点相近的二元物系采用开式热泵精馏流程相对于常规精馏流程都拥有能耗优势。但在实际精馏实践中采用完全自热的开式热泵精馏流程的情况却不多见。这是为什么呢？
. ~. {9 ^' j( _* u  z" V3 C. l    完全自热的开式热泵精馏流程虽然可以效率很高地实现二元物系的精馏分离，但却不可避免地带来一个热量平衡或冷量平衡的问题。其中二元物系的沸点在环境温度以上时出现的是热量平衡问题，二元物系沸点在环境温度以下时出现的是冷量平衡问题。
  二元物系沸点在环境温度以上时，完全自热的开式热泵精馏流程中的热泵在环境温度下压缩是不可行的，因为在环境温度下无论是精馏原料还是精馏产品都是液体，液体是不可压缩的。因此热泵压缩只能在接近精馏工况的温度下进行，这一方面增加了热泵压缩功，同时这些压缩功最终都会转化为精馏系统的热量，当然整个精馏系统由于在环境温度以上运行，不可避免会有散热损失，而精馏原料和精馏产品经换热器换热后，基本上是等温的(肯定有换热温差)等焓值的。这就产生一下热量平衡的问题了。如何实现热量平衡呢？最简单最可行的办法当然是保留蒸汽加热器和冷却水冷凝器。既然蒸汽加热器和冷却水冷凝器是必需的，那么采用完全自热的开式热泵精馏流程也就没有必要了！正是由于这个原因，沸点在环境温度以上的二元物系精馏过程多采用单热泵及多热泵技术对精馏过程进行节能改造，这样既可以大幅度降低精馏过程能耗，又回避了采用完全自热的开式热泵精馏流程带来的热量平衡及精馏装置启动难题。
, d6 w9 N% @3 Z8 F5 D( g0 E, s   如果二元物系沸点在环境温度以下的时候，采用完全自热的开式热泵精馏流程在某种程度上就是唯一可行的精馏供冷供热方案了(当然也可以采用闭式热泵精馏，但效率更低问题更多)，因为这样的精馏过程你不可能用蒸汽给再沸器加热也很难用冷却水从冷凝器取走热量！当沸点在环境温度以下的二元物系采用完全自热的开式热泵精馏流程时，由于精馏原料(比如空气或者甲烷氮气混合物)及精馏产品在环境温度中都是气态，这样开式热泵精馏流程的热泵压缩机就有两个选择，一是在环境温度下进行压缩，一个是接近精馏工况的温度下压缩！它们之间各有利弊，但无论热泵压缩机采用常温下压缩还是接近精馏工况下压缩都会带来冷量平衡的问题，当然如果选择接近精馏工况的条件下压缩，冷量平衡的问题更大需要的制冷量更大，但也只是程度不同而己，这个问题总是存在的。
& s4 }& X4 ]. R+ u# l    如何解决这个问题实现冷量平衡呢？当然只能通过制冷来解决！从这个角度来说，深冷空分流程中的制冷部分是为开式热泵精馏服务的，是为了解决采用完全自热的开式热泵精馏流程而带来的冷量平衡问题。当然它也有自己的产品，那就是液空液氧液氮液氩等。
2 l( A9 B3 h5 ^0 J   如何实现制冷呢？理论上有两个办法，一个是大家非常熟悉的热泵制冷，一个深冷空分流程中采用的等温烩差和膨胀制冷！这是两个原理上完全不同的制冷方式。其中热泵制冷是热力学第二定律中卡诺循环的逆循环。而深冷空分流程中的制冷则是热力学第一定律能量守恒定律的实际运用。
    那么深冷空分流程不采用热泵制冷来实现冷量平衡呢？因为在工程上理论上均不可行！理论上受到临界温度的限制，工程上的问题就太多了！如果精馏工况接近于环境温度，那么采用热泵制冷无论在工程上还是理论上都是可行的！但精馏工况温度越远离环境温度，热泵制冷所需求压缩比就越高以至于高到完全不可接受！因此采用基于热力学第一定律的等温焓差和膨胀制冷也就成为了唯一可行的办法。