外行学空分(161)一一观点，质疑和回复(一)

Yb2021

    关于新单塔空分流程我已经发表了160篇帖子并与深冷空分专家进行了充分的讨论，现在讨论已经初步告一段落，现将我的观点专家的质疑及我的回复做一个总结。
    第一个问题是关于热泵精馏的问题。
    我的观点如下。
6 s2 d% }1 C5 f$ v; @3 w    所有的深冷空分流程都是开式热泵供冷供热精馏流程，也就是完全自热的开式热泵供冷供热精馏流程，开式热泵供冷供热精馏流程是深冷空分唯一可行的精馏组织方式（供冷供热方案）。空气精馏工艺方案除了精馏本位部分和空气开式热泵一膨胀制冷液化的部分外，区别仅在于开式热泵循环工质和开式热泵形式的选择。
4 A. N) O( f. @6 U   专家的质疑主要集中在以下的几个方面。
% W5 ]; n/ V8 p    一，热泵精馏可以用于一般的精馏过程但唯独不能用于深冷空分精馏过程。
- y' y' h, Q+ g8 H) n5 g. h    二，深冷空分流程中确实存在热泵，但这个热泵是用于制冷的。
    我对专家的质疑回复如下。
/ x  L0 r: K$ w8 l* S    关于第一个质疑，我的回答如下。
7 a; v: r6 m! ]     毫无疑问质疑的专家对单热泵及多热泵精馏技术已经成为组分沸点在环境温度以上精馏过程最重要的节能技术是有所了解的，知道在沸点高于环境温度的精馏过程中单热泵及多热泵精馏技术已经得到了广泛的应用。但他为什么会得出热泵技术独不能用于深冷空分精馏过程呢？我推测原因如下，目前单热泵及多热泵技术多用于精馏组分沸点在环境温度以上(常温，环境温度以上)的精馏过程，其热泵压缩机的进口状态都是接近精馏过程的温度（高于环境温度），这其实很好理解，环境温度以上的精馏过程单热泵及多热泵的循环工质是精馏过程的中间产物或者低沸点组分，其沸点在环境温度以上，在常温下呈液态无法进行压缩，当然只能在高于环境温度下压缩！深冷空分要运用单热泵及多热泵技术对应于沸点在环境温度以上的精馏过程，而在深冷空分精馏过程中，专家认为热泵循环工质压缩就必须在深冷条件下进行压缩，而该专家认为深冷压缩是绝对不利的（其实在目前空分中，已经有深冷压缩循环工质热泵的案例，其具体的做法是从上塔顶部抽取产品氮气经深冷压缩后在设置在下塔来液氮，富氧液空入口处的压力氮气冷凝器中冷凝为液氮，使上塔内的污液氮或者富氧液空蒸发气化，压力氮气冷凝为液氮过冷减压后进入塔顶部作为回流液，从而提污液氮或者富氧液空入口处以上的回流液气比，可以进一步提高氮气产品纯度制取高纯氮气，这样情况下，所谓双塔流程下塔送上塔的液氮纯度就不再对氮气产品纯度构成制约）。因此开式热泵技术独不能用于深冷空分精馏过程，当然也就看不出无论是双塔流程还是古典单塔流程还是新单塔流程其实都是开式热泵供冷供热精馏流程，而且是彻底的开式热泵供冷供热精馏流程即完全自热的精馏流程。
     我的回复很简单，首先目前所有的深冷空分流程都是开式热泵精馏流程！这是一个已经存在不容否认的事实，至于它是叫做完全自热泵精馏流程还是叫做单热泵技术的运用或者叫其它什么还可以再讨论，但毫无疑问都是热泵技术在深冷空分精馏过程中的运用。这也回答了空分技术网中的一个问题，为什么热泵技术已经成为了精馏过程最重要的节能技术，而在空分中看不到运用的案例？不是没有，而是看不见！其实深冷空分是开式热泵供冷供热精馏技术实现大规模工业化运用的第一个实例！这一点无论是空分技术人员还是热泵精馏技术人员对此都是一无所知！真是前世缘分深厚，今生见面不相识的悲剧。
    其次对于深冷空分流程中的热泵循环工质的压缩既可以在深冷条件下压缩也可以复热后在常温下压缩，这一点相对于环境温度以上的精馏过程，是深冷空分运用开式热泵精馏工艺方案更容易实现的一个非常重要的原因。至于深冷压缩和复热常温压缩之间的利弊得失可以进一步讨论，有专家提出一个问题，那就是双塔流程的空气一拖二热泵循环工质既不是深冷压缩也不是复热常温压缩，其实这只是开式热泵精馏工艺方案的一个特例，即当以精馏原料(空气)作为热泵循环工质的时候，精馏原料的输送（压缩）和精馏产品换热过程，和热泵循环工质的复热常温压缩合并了，开式热泵循环工质复热常温压缩机和空压机合并了而已，毫无疑问这是以精馏原料空气作为循环工质的古典单塔流程和双塔流程的一大优势，但并不能由此引申出只有以精馏原料空气为开式热泵循环工质古典单塔流程和双塔流程才是可行才是有利的结论(无论是以氮气为循环工质还是以富氧空气及污氮气或者氧氮混合气体为循环工质的开式热泵，都只能选择复热常温压缩或深冷压缩)。其实在目前的双塔流程中已经有深冷压缩的开式热泵精馏技术的实例。双塔流程中下塔的液氮纯度决定了氮气纯度的上限！而要通过提高下塔液氮纯度达到制取高纯度氮气既受到下塔理论塔板数的限制也受到下塔最大回流比的限制几乎不可能（将使氧氮产品提取率显著降低）！目前的办法是在下塔送上塔液氮入口以上再增加一个精馏段，以该精馏段顶部的高纯度氮气经深冷压缩后在设置于下塔液氮，富氧液空入口处的冷凝器中冷凝，冷凝后的高纯度液氮作为该精馏段的回流液！这其实就是以氮气为循环工质的深冷压缩单热泵及多热泵技术的一个运用案例。双塔流程和古典单塔流程的热泵循环工质压缩既不是复热常温压缩也不是深冷压缩，从表面上看确实如此！但这只是表象，从压缩比等方面分析其本质上仍然是复热常温压缩。确实以空气作为热泵精馏的循环工质相对于氮气和其它精馏的中间物作为热泵精馏循环工质有其优势，其优势在于其没有循环工质复热热端温差带来的冷损，而以精馏的产品和中间产物作为循环工质复热常温压缩时，必然产生复热热端温差带来的冷损，但同时也带来一个冷量（当采用复热常温压缩时，氮气或氧氮二元混合物引出口温度和其复热常温压缩换热后进入冷凝器温度之间的焓差）。当以精馏的产品和中间产物作为循环工质的热泵采用深冷压缩时，不存在复热常温压缩带来的热端温差冷损但存在深冷压缩带来的冷损。还有一个隐藏的原因是大家对热泵精馏己经成为降低精馏能耗的最重要技术方向虽然有所了解，但对运用于精馏过程供冷供热的热泵都是开式热泵而不是标准常规的闭式热泵似乎并没有认真体会。
   关于第二个质疑，确实很多的空分大家同时也是热泵制冷的大家，说他们不认识深冷空分流程是开式热泵供冷供热精馏流程确实让人感到匪夷所思，但这是无法改变的事实。其原因在于运用于精馏过程的热泵是开式热泵而不是制冷过程常见的闭式热泵，戴着闭式热泵的眼镜当然也就看不见深冷空分流程中的开式热泵了，这没有什么好奇怪的。
1 P. K$ c  U" B( k2 o8 x5 B* H    深冷空分流程中供冷供热的热泵当然不是用于制冷的(空分装置中确实有用于制冷液化的开式热泵，它是液化过程的一个组成部分，其作用是产生冷能增量提高冷量的品位）它是用于精馏的，常见的热泵当然是用于制冷制热，但深冷空分流程中的制冷是等温焓差和膨胀制冷，这一点深冷空分教科书中有非常明确的说明，毫无疑问是正确不容质疑的。
    常规精馏过程中的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器，其蒸汽和冷却水都是来自公用工程。而象深冷空分这样的深冷条件下的精馏过程，当然无法运用蒸汽再沸器和冷却水冷凝器来组织精馏过程的供冷供热。开式热泵供冷供热精馏中的开式热泵其作用就是人造的公用工程，压力开式热泵压力循环工质气体的作用就是蒸汽，减压后的开式热泵循环工质液体的作用就是冷却水。开式热泵压力循环工质气体冷凝器就是常规精馏的蒸汽再沸器，减压后循环工质液体就是冷却水和冷却水冷凝器（由于开式热泵循环工质液体过冷节流减压后直接加入精馏塔参与精馏，开式热泵供冷供热精馏工艺方案中的冷凝器省去）！所以开式热泵供冷供热精馏工艺方案中只有主冷凝器而没有再沸器和冷凝器之分，主冷凝器是再沸器和冷凝器合二而一！

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   深冷压缩并不是新单塔流程的特殊问题，原则上和双塔流程和新单塔流程的比较无关。一个完整的空分装置既包括一个完整的精馏系统，也包括一个完整的热泵系统，一个完整的精馏系统包括精馏塔(在热泵精馏中，精馏塔不含再沸器和冷凝器，再沸器和冷凝器是属于热泵系统的，这一点和常规精馏不同)，精馏原料的输送机械，精馏原料和精馏产品换热器等等。一个用于热泵精馏的热泵系统包括热泵循环工质的压缩机，这个热泵压缩机既可以在常温下压缩，也可以在深冷条件下压缩，如果在常温下压缩，低温低压换热器产生的循环工质的气体就需要和常温压缩的循环工质进行换热，一方面使循环工质的气体复热以便进行常温压缩，另一方面使常温压缩的循环工质的气体复冷后进入高温高压换热器，这样热泵系统的运行就不会对整个空分装置的造成冷损。而如果热泵压缩机选择在深冷条件下运行，好处是压缩功可以小很多，也可以不需要复热复冷换热器，但不可避免造成冷损(这个冷损的数量就是深冷压缩功)，对于运用于深冷热泵精馏的热泵来说，这是一个二选一的问题。
   
    既然是一个二选一的问题就有一个选择比较的问题，从能耗上讲，无非是对三个数据进行比较，一是深冷压缩功耗，二复热常温压缩的功耗，三为了消除深冷压缩冷损而需要增加的制冷压缩功耗！不同情况下比较的结论是不同的，影响因素主要有热泵压缩比及全装置的冷量情况，压缩比越小全装置的冷量越充足则选择深冷压缩越有利，反之则选择复热常温压缩为有利。
: |0 H$ y. h, F. G3 C8 {   新单塔流程古典单塔流程双塔流程都是开式热泵精馏流程，这一点已经无人质疑，但有专家指出，双塔流程的热泵压缩既不是深冷压缩也不是复热常温压缩！确实双塔流程采用空气(精馏原料)作为循环工质的热泵，这样热泵循环工质的复热就可以和精馏原料和精馏产品的换热合并，毫无疑问这是双塔流程古典单塔流程的一大优势，从本质上讲双塔流程和古典单塔流程的热泵压缩是复热常温压缩！
   其实在空分实践中，已经有了深冷压缩的案例。那就是为了制取高纯氮气，而以空分塔顶氮气为循环工质的热泵，其冷凝器设置在空分塔精馏段，液氮减压后进入空分塔顶部。而热泵压缩则选择了深冷压缩。这个热泵当然也可以选择复热常温压缩，但比较的结果是选择深冷压缩比复热常温压缩有利。

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  认识到所有的空分流程都是开式热泵精馏流程并不只有理论上的意义，而是具有非常重要的现实意义。例如认识不到空分流程是开式热泵精馏流程，就无法对新单塔流程的提氩进行精馏流程组织。例如认识到空分流程是开式热泵精馏流程，那么单塔流程可以实现氧氮完全分离就已经不证自明！而双塔流程的下塔是否必要立即成为一个大问题，因为从热泵精馏的角度来说，下塔就是一个一拖二热泵转换器，而一拖二热泵的效率大大低于两个热泵，而其精馏的效果是一样的。认识到空分流程是开式热泵精馏流程，则多热泵精馏技术在空分中的运用也就顺理成章，为空分装置的进一步节能打开了大门！