外行学空分(122)一一热泵精馏流程和单热泵及多热泵技术(2)

1 ~$ q1 c: ^, [, D# z
   
     热泵精馏流程和单热泵及多热泵技术是一个既有极大的相似性又有所区别的概念，极大的相似性是指它们都是开式热泵（供冷供热方案）技术在精馏过程中运用形式，在组分沸点在环境温度以上的精馏过程，一般叫做单热泵及多热泵精馏技术方案。在组分沸点在环境温度以下的精馏过程，一般叫做热泵循环流程或者完全自热精馏流程。
       组分沸点在环境温度以下二元物系，它的热泵循环工质可以是精馏原料及精馏低沸点产品（在环境温度下，组分沸点远低于环境温度的二元物系如空气，其精馏原料气及精馏低沸点组分产品均呈气态，其中中低沸点组分产品是必要的开式热泵供冷供热方案开式热泵循环工质，精馏原料气是最方便的开式热泵供冷供热方案热泵循环工质），对于二元物系精馏过程，共有三个完全自热的开式热泵精馏流程，分别是以低沸点产品为循环工质的可以实现二元混合物完全分离的单塔热泵精馏流程，一个是以精馏原料为循环工质制取单一高沸点或低沸点产品的单塔热泵精馏流程，一个是以精馏原料为循环工质通过一个转换过程(深冷空分流程中的下塔)变为一个以低沸点产品为循环工质的热泵加上一个以精馏中间产物作为循环工质的热泵，类似于空调中的一拖二，这是一个同样可以实现二元物系完全分离的开式热泵精馏流程。从严格意义上讲，单热泵及多热泵技术是包括开式热泵精馏流程的，热泵精馏流程只是单热泵精馏技术的一个特例，但在一般语境中还是将二者加以区分。在沸点在环境温度以上的精馏过程，一般在保留蒸汽再沸器和冷却水冷凝器（即常规精馏工艺方案）的基础上，通过采用单热泵及多热泵技术对精馏过程进行改进大幅度降低蒸汽冷却水消耗。对于沸点在环境温度以下的精馏过程，完全自热精馏即开式热泵精馏流程是唯一可行的精馏组织方案，同样也可以采用多热泵技术对精馏过程进行改进以进一步降低精馏过程能耗。
    开式热泵精馏技术出现以后，首先在环境温度以上的二元物系精馏过程中得到广泛的运用，成为了最重要的精馏节能技术，这就是所谓的单热泵及多热泵精馏技术。为什么单热泵及多热泵技术首先在环境温度以上的精馏过程中最先得到广泛运用呢？原因很简单，环境温度以上的精馏过程可以采用常规精馏流程，可以使用蒸汽和冷却水！使用单热泵及多热泵技术节约蒸汽和冷却水技术上的风险最低，同时也为开式热泵投用创造了条件，也避免了热量平衡及精馏启动的问题。设想一套化工装置可能包括数个甚至数十个精馏过程，如果象深冷空分装置一样仅仅装置启动投用就需要数十小时，那么这样的化工装置将如何运行？！
    在环境温度以上常规精馏流程中运用单热泵及多热泵技术有几个主要的方式呢？大体上有三种，一是在精馏塔精馏段和提馏段之间设置开式热泵，这样可以大幅度降低精馏的蒸汽和冷却水消耗。二是在精馏塔顶部和精馏塔精馏段之间设置开式热泵，这样可以以较低的能耗制取高纯度低沸点产品。三是在精馏塔底部和精馏塔提馏段之间设置开式热泵，这样可以以较低能耗制取高纯度的高沸点产品。三个不同的开式热泵设置方式根据产品方案的不同，可以全部采用也可以部分采用，目的都是在已定产品方案及可用理论塔板数的条件下，最大限度地提高精馏效率，降低精馏能耗。
/ P' n' d; O# v2 j9 A; b  大家可能会提出一个问题，那就是为什么常规精馏中从来都是在精馏塔顶部和底部各设置一个冷凝器和再沸器，而没有在精馏塔中设置冷却水冷凝器和蒸汽再沸器的例子？原因非常简单，常规精馏的蒸汽和冷却水都是来自公用工程，一个精馏过程一般都只使用一种规格的蒸汽和冷却水，如果在精馏塔中设置冷凝器和再沸器用蒸汽加热和冷却，不但增加设备投资和流程的复杂性，而且也无法降低蒸汽冷却水消耗！其实蒸汽再沸器和冷却水冷凝器对精馏过程来讲，其作用和开式热泵是一样的，精馏塔得到的都是温差有效能。常规精馏塔中增加设置冷凝器和再沸器，在使用同一规格的蒸汽冷却水的情况下，虽然提高了精馏效率，却无法降低蒸汽冷却水消耗，可谓吃力不讨好！当然也就看不到这样的例子了。
3 h8 R% X4 _  X* S6 e    在环境温度以上的精馏过程，可以采用双效精馏和多效精馏实现蒸汽的双效及多效利用，从而降低精馏过程的蒸汽消耗，但也带来流程复杂化及工程造价提高的代价。双效精馏及多效精馏的前提条件是蒸汽具有较高的品位。但如果可以解决精馏中间产物及低沸点组分气体作为热泵循环工质的压缩问题，那么在标准常规精馏基础上采用单热泵及多热泵技术工艺方案相对于双效精馏及多效精馏更简化，精馏能耗更低。如果循环工质压缩问题无法解决，那就是别无选择只能采用双效精馏及多效精馏对标准常规精馏进行改进，以降低蒸汽冷却水消耗。