外行学空分(127)一一热泵精馏中的单热泵及多热泵技术（7）

Yb2021

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   前帖已经说过，在环境温度以上的精馏过程中只有单热泵及多热泵技术运用的案例，而没有完全自热的热泵精馏流程！其原因在于在环境温度以上的精馏过程中如果采用完全自热的热泵精馏流程，精馏系统的启动和热量平衡问题将难以解决。而解决精馏启动和精馏系统热量平衡最简单的办法就是保留使用蒸汽的再沸器和使用冷却水的冷凝器！这样条件下运用单热泵及多热泵技术完全可以实现节能目标，采用完全自热的热泵精馏流程就完全没有必要了！
9 R: S1 ~$ p) e* R# f! V- [   前帖也已经说过，在环境温度以下的精馏过程(深冷空分)中只有完全自热的热泵精馏流程而看不到单热泵及多热泵技术运用的案例，其原因就比较复杂，最重要的原因在于深冷空分技术人员尚未认识到深冷空分流程是且必须是完全自热的热泵精馏流程，当然更谈不上运用单热泵及多热泵技术来对深冷空分流程进行进一步节能改进，其实运用单热泵及多热泵技术对于深冷空分流程进一步改进及制取高纯产品意义是非常重要的。
   前帖已经说过任何组分沸点在环境温度以下的二元物系的精馏分离都有三个完全自热的开式热泵精馏根流程，可以实现二元物系完全分离的热泵精馏流程有两个，一个是以低沸点精馏产品为循环工质的单塔热泵精馏流程，对应组分沸点在环境温度以上的标准常规精馏工艺方案，只不过以以低沸点组分为循环工质的开式热泵供冷供热代替蒸汽再沸器和冷却水给精馏过程供冷供热而已，一个是以精馏原料为循环工质的一拖二开热泵精馏流程，这是一个双塔流程，其中高压塔（下塔）实质上是一个热泵一拖二转换塔，把以精馏原料为循环工质的开式热泵转换为一个以低沸点精馏产品为循环工质的开式热泵和一个以精馏中间产品为循环工质的开式热泵！虽然通过下塔实现了一拖二，但本质上还是一个以精馏原料空气为循环工质压力开式热泵，并不能将双塔流程视为单热泵及多热泵技术运用的案例。
    前帖已经说过，要实现氧氮完全分离，无论是新单塔专利流程还是古典的双塔流程，都存在提馏段回流气液比和精馏段回流液气比不协调的问题。这毫无疑问导致精馏能耗的上升，而要协调精馏段和提馏段液气比和气液比不协调的问题，进一步降低精馏能耗，就需要运用单热泵及多热泵技术。
8 B, P* f1 s7 o  B    关于单热泵及多热泵技术总结如下，
% e6 F) l4 g+ Z. f7 |' Q     一，组分沸点在环境温度以上的二元物系精馏工艺方案，只有标准常规精馏工艺方案基础上（保留蒸汽再沸器和冷却水冷凝器）单热泵及多热泵精馏技术的案例，而没有彻底开式热泵精馏工艺方案即完全自热精馏工艺方案的案例，原因在于组分沸点在环境温度以上二元物系精馏分离如果采用彻底开式热泵精馏工艺方案即完全自热精馏工艺方案。精馏启动及热量平衡（本质上是气液平衡）将存在极大的困难。而保留蒸汽再沸器和冷却水水冷凝器则是最简单的解决办法。
& d! j  g  a4 O8 o; _: W    二，组分沸点远低于环境温度的二元物系精馏分离，唯一可行的供冷供热方案只能是彻底开式热泵供冷供热方案即完全自热精馏工艺方案。组分沸点远低于环境温度的二元物系精馏分离共有三个根流程（根工艺方案，单热泵工艺方案），一是以低沸点组分为循环工质的单开式热泵供冷供热精馏工艺方案。二是以精馏原料（气态）为循环工质的单开式热泵供冷供热精馏工艺方案。二是以精馏原料（气态）为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案。其中以低沸点组分为循环工质的开式热泵供冷供热精馏工艺方案，就精馏分离而言完全对应于组分沸点在环境温度以上的标准常规精馏工艺方案，只不过以以低沸点组分为循环工质的开式热泵供冷供热方案代替蒸汽再沸器和冷却水冷凝器供冷供热而已！以精馏原料气为循环工质的开式热泵供冷供热精馏工艺方案，就精馏而言也是对应于组分沸点在环境温度以上的标准常规精馏工艺方案，只不过以以精馏原料气为循环工质的开式热泵供冷供热方案代替蒸汽再沸器和冷却水供冷供热而已！由于开式热泵供冷温度由开式热泵循环工质液体精馏塔压力下的蒸发气化温度，高于精馏塔低沸点组分的冷凝温度，类似组分沸点在环境温度以上的标准常规精馏工艺方案中冷却水温度高于低沸点组分冷凝温度的情况。至于以精馏原料气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案，类似于组分沸点在环境温度以上的双效精馏工艺方案，但不是所谓的双效精馏工艺方案。
     三，组分沸点在环境温度以上的二元物系精馏分离工艺方案，蒸汽再沸器和冷却水冷凝器构成一个供冷供热的热泵，一般而言，采用单热泵精馏技术，就可以很好地协调二元物系精馏分离由于精馏原料组成而引起精馏段回流液气比和提馏段回流气液比不协调导致的精馏能耗大幅度上升的问题！多热泵精馏工艺方案，只有在制取高纯度高低沸点组分产品时才会根据产品纯度及精馏段，提馏段可用理论塔板数采用多热泵精馏工艺方案。其中制取高纯度低沸点组分产品时，应增加以低沸点组分为循环工质，开式热泵冷凝器设置在精馏原入口处的开式热泵供冷供热，开式热泵循环工质液体减压后送至精馏塔顶部作为回流液。制取高纯度高沸点组分产品时，应增加从精馏塔提馏段引出与精馏原料组成一致气体为循环工质，开式热泵冷凝器设置在精馏塔底部的开式热泵供冷供热方案（减压后的热泵循环工质液体和精馏原料液体汇合后进入精馏塔参与精馏）。对于组分沸点远低于环境温度的完全自热精馏工艺方案即彻底开式热泵精馏工艺方案，也可以按照同样的原则采用多热泵供冷供热精馏工艺方案。
    四，开式热泵供冷供热方案的有效能效率影响因素有三个，一个是热泵循环工质压缩效率，二是开式热泵供冷供热温差，三是主冷凝器（压力热泵循环工质气体冷凝器）换热温差。在开式热泵循环工质压缩效率不变的情况下，开式热泵供冷供热方案有效能效率的最重要影响因素开式热泵冷凝器换热温差。开式热泵冷凝器换热温差越大，开式热泵供冷供热有效能效率越低，在热泵循环工质压缩效率，冷凝器换热温差不变的情况下，开式热泵供冷供热温差越大，开式热泵供冷供热有效能效率越高，以低沸点组分为循环工质，压力循环工质气体冷凝器设置在精馏塔底部的的开式热泵供冷供热有效能效率最高，而以精馏中间产物为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率则较低。多热泵供冷供热方案的设置，则是开式热泵供冷供热方案有效能效率和精馏效率之间的平衡。
     五，在开式热泵循环工质压缩效率和冷凝器换热温差相同的情况下，以精馏原料气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案有效能效率是以低沸点组分为循环工质的开式热泵供冷供热方案有效能效率的70%-80%！从精馏角度而言表现在上塔富氧液空入口处，虽然上升气数量是污氮气加氮气产品数量。但富氧液空入口处的对应气相中的氧含量和富氧液空组成并不处于气液平衡状态，富氧液空入口处以上至污氮气引出口之间是最小回流液气比在0.52至0.65之间（随着压力空气进入下塔的比例不同及增效塔，提氩装置的投运情况不同而不同），大大高于富氧液空入口处对应气相中的氧含量和富氧液空处于平衡状态时的最小回流液气比0.42！

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   帖中的表述有不严谨的地方，应该表述为新单塔专利流程当底部氧气气化量达到最小氧气气化量时，塔顶液氮数已经是最小液氮数量大50%，双塔流程当液氮数量达到最小液氮数量时，塔底部的氧气气化量已经达到最小氧气气化量大30一40%以上。