外行学空分（321）一一空分基本原理一一二元物系完全自热精馏的三个根流程

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4 U  J$ h) g0 a5 ~6 @5 p6 L7 e      空分装置是空气开式热泵一膨胀制冷液化和空气开式热泵精馏的联合装置。常压下沸点在环境温度以上的二元物系精馏分离，既可以采用用蒸汽再沸器和冷却水冷凝器供热供冷的标准常规单塔精馏工艺方案，也可以采用双效精馏（双塔）及多效精馏（多塔）工艺方案及标准常规精馏方案基础上的单热泵及多热泵精馏（单塔）工艺方案，但由于单热泵及多热泵精馏工艺方案中的供冷供热开式热泵启动及空分装置热量平衡（气液平衡）的问题，一般不采用完全自热精馏工艺方案即彻底开式热泵精馏工艺方案。
( _4 J& X. u! \     空气中的氧氩氮组分常压下沸点远在环境温度之下，当然无法采用以蒸汽再沸器和冷却水冷凝器供冷供热的标准常规精馏工艺方案和双效精馏及多效精馏工艺方案（蒸汽再沸器和冷却水冷凝器是双效精馏及多效精馏的必要组成部分，虽然双效精馏及多效精馏和标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案中的部分或者大部分供冷供热是由压力低沸点组分气体或者高低沸点混合气体冷凝热实现供热，由常压或低压低沸点组分液体及高低沸点组分混合液体蒸发气化实现供冷）。空气精馏分离唯一可行的供冷供热方案只能是开式热泵供冷供热方案即彻底的完全自热精馏工艺方案。
真实的空气组成是氧氩氮氦氖氪氙多组分物系，但其中氧氮组分占空气组分的99%以上，在理论分析及讨论时，一般而言把空气简化为氧氮二元物系（深冷空分教科书在讨论空分流程一一一空气精馏工艺方案时就是假定空气是氧氮二元物系），原因在于二元物系精馏分离是三元物系或者多元物系精馏的基础，三元物系或者多元物系必须分解为二元物系的依次精馏才能得到纯度合格的各个组分产品。
    对于二元物系精馏分离，理论上共有三个完全自热单开式热泵精馏基础工艺方案，我们称之为组分沸点在环境温度以下的二元物系完全自热精馏流程的根流程！其中之一是以低沸点组分为循环工质的单开式热泵精馏工艺方案，从精馏本体而言和组分沸点在环境温度以上的二元物系标准常规精馏工艺方案完全一致！只是用以低沸点组分为循环工质的开式热泵代替蒸汽再沸器和冷却水冷凝器给精馏过程实现供冷供热而已！当然可以同时制取高低沸点组分产品。其中之二是以精馏原料气为循环工质的单开式热泵精馏工艺方案。从精馏本体而言，和标准常规精馏工艺方案也基本一致！只不过供冷的温度（以空分古典单塔制氧工艺方案为例，供冷冷却温度是液空常压下的沸点温度，其温度高于气氮常压下的冷凝温度）无法达到常压下的低沸点氮组分的冷凝温度，精馏回流液不是液体低沸点组分（液氮）而是常压下精馏原料气液体（液空），当然也就无法制取低沸点组分产品，而高沸点组分产品的提取率也较低。其中之三是以精馏原料气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案，通过在一拖二开式热泵冷凝器（下塔）中增设塔板和填料，使压力精馏原料气液体分离为液体低沸点组分和高低沸点组分混合液体分别过冷减压后送至精馏塔（上塔）的顶部和中部作为回流液，精馏过程有两个供冷温度，一是在精馏塔顶部的常压低沸点组分蒸发气化温度，对应常压下低沸点组分气体的冷凝温度或者低沸点组分液体（液氮）蒸发气化温度，二是在精馏塔精馏段的常压下高低沸点组分液体（富氧液空）蒸发气化温度或者高低沸点组分气体冷凝温度，当然也可以同时就制取高低沸点组分产品并提高高沸点组分产品的提取率。
8 a$ @' y! y6 [2 U4 T+ ~       对于氧氮二元物系精馏分离制氧流程（工艺方案），深冷空分教科书给出了两个根流程（工艺方案），一是古典单塔制氧流程（工艺方案），实际上就是以原料气（空气）为循环工质的单开式热泵供冷供热精馏（蒸馏）工艺方案，二是双塔同时制取氧氮气的工艺方案，其实就是以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏供冷供热精馏工艺方案，其中上塔是氧氮二元物系精馏塔，下塔是一拖二开式热泵冷凝转换塔！但对应于标准常规精馏工艺方案的以低沸点组分（氮气）为循环工质的单开式热泵精馏工艺方案却没有提及！深冷空分教科书甚至还论证了在单塔无法同时制取氧氦气体产品！真是直接挑战氧氮二元物系精馏的定义和基本常识！在一个精馏塔内实现二元物系（氧氮）完全精馏分离这本来就是精馏分离的基本含义，如何会变成不可能了？真是很无语！

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   如果了解精馏技术的发展历史，双效精馏及多效精馏和开式热泵精馏技术对标准常规精馏技术的改进，那么对于沸点远低于环境温度的空气精馏（近似氧氮二元物系）工艺方案，最容易想到的是以氮气为循环工质的单塔单热泵精馏工艺方案！如果完全不了解精馏技术的发展历史，或者在双效精馏及多效精馏和单热泵及多热泵精馏技术尚未出现的情况下摸索空气精馏工艺方案，那么容易想到的是以精馏原料空气为循环工质的的单塔单热泵精馏工艺方案及以精馏原料空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案（即所谓的双塔流程）！这是阴差阳错和路径依赖的结果。

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空气精馏分离三个根流程中，古典单塔制氧流程和古典单塔制氧流程，其中古典单塔制氧流程是以空气为循环工质的开式热泵供冷供热精馏工艺方案，就精馏而言是蒸馏工艺方案，古典单塔制氮流程是以富氧空气为循环工质的开式热泵供冷供热方案，只不过富氧空气开式热泵是逆运行的！就精馏本位而言是冷凝工艺方案。

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组分沸点远低于环境温度的二元物系的三个根流程中，只有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和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才是完整的二元物系精馏工艺方案，而以精馏原料空气为循环工质的开式热泵供冷供热精馏工艺方案实际上是蒸馏工艺方案。

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精馏工艺方案从蒸馏一冷凝技术而发展为蒸
馏一冷凝技术整合在一个精馏塔内（精馏塔内多少理论塔板数，就是多少个蒸馏一冷凝过程）完成后，二元物系的精馏分离从理论上而言，剩下的问题就是产品纯度，理论塔板数和回流比三者之间的关系，三个工艺参数中只有两个自由度！其它都是供冷供热方案的改进！由标准常规精馏工艺方案，双效精馏及多效精馏工艺方案，标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案，以至于完全自热精馏工艺方案即彻底的开式热泵精馏工艺方案，本质上而言都是精馏过程供冷供热方案的变化和改进！

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不要认为热泵，开式热泵供冷供热方案是故弄玄虚，不了解这些关于精馏供冷供热方案的基本概念，不了解精馏技术的发展历史，而采用这个循环，那个循环来理解空气精馏分离才是真正的故弄玄虚！循环？循环作用功能是什么？不讲清楚这些问题，所谓循环只是大而化之修饰没有实际意义！