外行学空分324）一一空分基本原理一一开式热泵精馏（1）

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     空分装置是空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化的联合装置，前帖已经总结了空分基本原理中的空气开式热泵一膨胀制冷液化部分，现在讨论不同一下空分基本原理中的空气开式热泵精馏部分。
    利用物质沸点及相对挥发度的不同实现不同物质的分离是一个古老的技术，在手工业时代的主要运用场景是蒸馏酒和香精的提取。通过对混合物水溶液（如乙醇水溶液，鲜花水浸出液）用火产杰西卡水蒸汽加热，使混合物液体中沸点低于水的轻组分（如乙醇和香味物质）挥发进入气相，用冷却水或空气自然冷却后，含有较高比例的轻组分的蒸汽冷凝为含有较高比例轻组分的水溶液。这是精馏技术的原型一一蒸馏一冷凝技术。一次蒸馏一次冷凝过程都能使得到水溶液中的低沸点轻组分的浓度相比未蒸馏一冷凝前的水溶液中的低沸点轻组分浓度得到一定的提高，如果希望得到较高浓度的低沸点轻组分水溶液，则需要重复进行蒸馏一冷凝过程。毫无疑问蒸馏一冷凝技术的能耗很高，轻组分的提取率也很低，也非常繁复并不适合大规模工业化生产，只适合于小规模蒸馏酒和香精这样的奢侈品生产。
    在水溶液（酿制洒及鲜花水提取液）的蒸馏一冷凝技术原型基础上，进入工业化时代后发展出了精馏技术。这是对蒸馏一冷凝技术原型的重大升级！主要的改进有以下的内容。
    一，采用公用工程蒸汽和冷却水实现给蒸馏过程供热供冷。其中蒸汽再沸器供热使精馏塔底部高沸点组分液体蒸发气化，作为精馏塔提馏段回流气，末蒸发气化的高沸点组分作为高沸点组分产品引出，冷却水冷凝器供冷使精馏塔顶部的低沸点组分气体冷凝，一部分作为精馏塔精馏段回流液，一部分作为低沸点组分产品引生显著，蒸汽再沸器和冷却水冷凝器均采用间接换热，这样就为大规模工业化生产创造了前提条件。
    二，为制取高纯度产品需要多次重复的蒸馏一冷凝过程，被在一个精馏塔内进行的精馏过程所代替，精馏塔内部设置塔板或者填料以强化高低沸点组分的热质交换。蒸馏原料液体经与精馏产品换热后从精馏塔中部进入参与精馏，同时在精馏塔顶部设置冷却水冷凝器，用冷却水冷却使精馏塔顶部的低沸点气相组分冷凝，一部分作为回流液，一部分引出与精馏原料液体换热后作为低沸点组分产品。在精馏塔底部设置蒸汽再沸器，用蒸汽加热使精馏塔底部的高沸点组分液体蒸发气化作为精馏塔的提馏上升气，末蒸发气化的高沸点组分引出与精馏原料液体换热后作为高沸点组分产品。蒸汽再沸器和冷却水冷凝器均采用间接换热，这样精馏原料就可以从低沸点组分水溶液扩展至所有的组分沸点在环境温度以上的高低沸点混合组分液体。精馏技术本质上是把需要多次重复进行的蒸馏一冷凝过程在一个精馏塔实现，精馏塔内的每一块精馏塔的理论塔板，都相当于进行了一次蒸馏一冷凝过程，只要理论塔板数足够，回流比（包括高沸点组分回流比和低沸点组分回流比以及对应的精馏段回流液气比和提馏段回流气液比）合适，无论是塔顶的低沸点组分还是塔底部的高沸点组分都可以达到很高的产品纯度（无限理论塔无论高低沸点组分产品纯度均可以无限接近100%），高低沸点组分都可以达到很高的提取率（理论上无限理论塔板数下，可以无限接近100%），与蒸馏一冷凝技术原型相比，精馏技术不但扩大了运用范围（理论上可以实现所有混合液体的分离），而且大幅度降低了能耗，提高了高低沸点组分产品纯度和提取率（这个是理论上的可能性，实际中由于理论塔板数有限，制取高纯度产品则存在困难，随着产品纯度提高相应回流比提高，精馏能耗升高）。
      在精馏技术发展成熟后，理论上沸点不同的二元物系物质分离无论是产品纯度还是提取率都不再是一个困难的问题（多元物系的精馏分离可以分解为多个近似二元物系的精馏分离，也不再是一个问题），都可以归结为理论塔板数（实际工程条件）和回流比（供热供冷量，精馏能耗）的问题，但标准常规精馏技术在高低沸点组分沸点接近，或者需要制取高纯度高低沸点组分产品及混合原料液体中高低沸点组分比例差距极大导致高低沸点组分回流比或者精馏回流液气比和提馏段回流气液比严重不协调时，精馏效率很低精馏能耗非常高！为了降低这样情况下的精馏能耗，在标准常规精馏技术的基础上又发展出了所谓的双效精馏多效精馏及单热泵及多热泵精馏技术。
      双效精馏及多效精馏技术和工业制盐中的双效蒸发及多效蒸发相似，工业制盐中卤水的浓缩（也可以认为是相对挥发度无限大的二元物系精馏分离过程）采用蒸汽加热使卤水中的水份蒸发（对盐一水二元物系而言，水是低沸点轻组分），如果卤水蒸发的水蒸汽（称为乏蒸汽，相对于精馏而言就是二元物系中的低沸点轻组分）直接放散，这就是所谓的单效蒸发，如果把卤水加压，那么加热卤水蒸发产生的水蒸汽也是压力水蒸汽（还是乏蒸汽，只是压力不是常压但低于加热蒸汽压力），那么就可以利用压力乏蒸汽加热压力较低，常压甚至一定真空度下的卤水，使卤水中的水份蒸发，这样外供加热蒸汽就得到两次甚至多次的利用，大大降低了卤水浓缩的蒸汽耗，这就是卤水的双效蒸发及多效蒸发！双效蒸发和多效精馏蒸发一般采用加压蒸发直圣诞节快乐真空蒸发，但原理上是一样的。
     通过单效蒸发，双效蒸发及多效蒸发，很容易想到，如果把乏蒸汽直接加压用于加热卤水便卤水中的水份蒸发气化，那么就可以不断加入卤水进行浓缩，不断地取出浓缩后的卤水和蒸汽冷凝液（液体水），卤水蒸发就可以持续进行，外供蒸汽加热器只需要在乏蒸汽压缩机启动前加入蒸汽，乏蒸汽压缩机投入运行后，外供加热蒸汽即可退出由加压后的乏蒸汽冷凝供热使卤水蒸发浓缩，而且卤水浓缩蒸发也可以在接近常压下甚至真空下进行而不需要象双效蒸发及多效蒸发那样加压情况下蒸发浓缩。这其实就是以水蒸汽为循环工质的开式热泵供热的卤水蒸发浓缩工艺方案，相对于卤水双效蒸发浓缩和多效蒸发更加节能也更加简单，而其难点则在于乏蒸汽压缩机设备的设计制造！无论是双效蒸发多效蒸发还是乏蒸汽加压开式热泵供热卤水蒸发浓缩都已经是成熟的卤水蒸发浓缩工艺方案，都己经得到广泛的运用。
      组分沸点在环境温度以上的二元物系精馏工艺方案分为标准常规精馏工艺方案，双效精馏工艺方案及多效精馏工艺方案，在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。其中标准常规精馏工艺方案，精馏原料液体与精馏高低沸点组分产品换热后从精馏塔中部进入精馏塔参与精馏，以精馏原料液体进入处为界，以下至精馏塔底部是精馏塔提馏段，以上至精馏塔顶部为精馏塔精馏段。精馏塔底部设置蒸汽再沸器，蒸汽冷凝加热使精馏塔底部的高沸点组分液体蒸汽气化作为提馏段的回流上升气，未蒸发气化的高沸点组分液体引出与精馏原料液体换热后作为高沸点组分产品。精馏塔顶部设置冷却水冷凝器，用冷却水冷却使精馏塔顶部的低沸点气相组分冷凝，一部分作为精馏段回流液，一部分引出与精馏原料换热后作为低沸点组分产品。与单效蒸发相对应，可称之为单效精馏。
     所谓的双效精馏从形式上看是两个压力不同的精馏塔，一个是高压精馏塔，一个是常压精馏塔，精馏原料液体泵加压后与精馏高低沸点组分产品换热后进入高压精馏塔中部（也可以有部分换热后的精馏原料液体从常压精馏塔中部进入），高压精馏塔底部设置蒸汽再沸器，加热高压精馏塔底部的高低沸点组分液体，使之蒸发气化作为高压精馏塔提馏上升气，高压精馏塔顶部通过一个主冷凝器与低压精馏塔底部相连，低压精馏塔底部高沸点组分液体的蒸发气化吸热使高压精馏塔顶部的低沸点组分气体冷凝液化（也可以认为是高压精馏塔顶部低沸点组分气体冷凝放热使低压精馏塔底部的高沸点组分液体蒸发气化），一部分作为高压精馏塔的回流液，一部分节流减压后进入低压精馏塔顶部作为常压精馏塔顶部回流液，一部分作为高压精馏塔顶部回流液。高压精馏塔底部未蒸发气化的高低沸点组分混合液体节流减压后送至低压精馏塔中部作为回流液（低压精馏塔的精馏原料）。低压精馏塔顶部设置冷却水冷凝器，冷却水冷却使低压精馏塔顶部低沸点组分气体冷凝，一部分和由高压精馏塔顶部送来的低沸点组分液体汇合后作为低压精馏塔的回流液。一部分引出与精馏原料液体换热后作为低沸点组分产品。低压精馏塔底部的高沸点组分液体蒸发气化作为常压精馏塔提馏段的回流上升气，高沸点组分液体蒸发气化的热量来自高压精馏塔顶部低沸点组分气体的冷凝潜热，未蒸发气化的高沸点组分液体引出与精馏原料换热后作为高沸点组分产品。双效精馏中的高压塔和低压塔都是完整的精馏塔（高压精馏塔不是彻底的精馏塔，它的底部是高低沸点组分的混合液体而不是高沸点组分液体，可以称为初级精馏塔），这一点和深冷空分中的所谓双塔流程是完全不同但很相似，深冷空分双塔流程中的下塔是冷凝塔（只有精馏段而没有提馏段）而不是完整的精馏塔。
    在标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏技术，经典方案具体描述如下，从精馏塔相应的理论塔板处引出特定组成的高低沸点组分气体或者从精馏塔顶部引出低沸点组分气体直接压缩后在设置在精馏塔底部的冷凝器（与蒸汽再沸器并列）中冷凝供热，自身冷凝为高低沸点组分液体或者低沸点组分液体，节流减压后分别送至精馏塔顶部和中部作为回流液。这样相对于标准常规精馏工艺方案通过开式热泵的设置原来由蒸汽再沸器全部供热被开式热泵冷凝器供热大部分或者全部所代替，从而大幅度降低了公用工程蒸汽冷却水的消耗。
% `) A6 l6 P5 C/ f/ V# U     无论是标准常规精馏工艺方案还是双效精馏多效精馏工艺方案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都是组分沸点在环境温度以上的二元物系精馏工艺方案。至于多元物系精馏工艺方案，则必须分解为多个二元物系的精馏过程，依次精馏才能实现多元物系的精馏分离，至于组分沸点在环境温度以下（精馏原料和精馏产品在常温常压下呈气态）的混合气体精馏分离，则无法采用公用工程蒸汽一冷却水实现精馏过程的供冷供热，都只能采用完全自热精馏工艺方案即彻底的开式热泵精馏工艺方案。
. [+ f: r6 {0 u     无论是二元物系的标准常规精馏工艺方案，双效及多效精馏工艺方案还是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，都是从一个接近常压的精馏塔顶部和底部得到低沸点和高沸点组分产品，都是在一个精馏塔中最终完成精馏过程，而其它的精馏塔，冷凝塔（双效精馏及多效精馏中的高压精馏塔，所谓双塔流程的下塔）本质上都是通过供冷供热方案的变化改进，提高精馏过程的有效能效率，从而降低精馏能耗。
    二元物系的精馏分离本质上分为两个部分（分系统），一是二元物系精馏分离的本体部分，包括精馏原料的泵送，过滤予处理，精馏原料与精馏高低沸点组分产品的换热及最重要的精馏塔内高低沸点组分热质交换精馏分离。二是供冷供热部分，包括标准常规精馏工艺方案中的精馏塔底部蒸汽再沸器供热和精馏塔顶部冷却水冷凝器供冷，双效精馏的高压精馏塔底部蒸汽再沸器供热，低压精馏塔顶部冷却水冷凝器供冷，以及主冷凝器给低压精馏塔底部供热及给高压精馏塔顶部供冷。基于二元物系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热泵压力循环工质气体冷凝给精馏塔底部供热，减压后热泵循环工质液体给精馏塔中部和顶部供冷。精馏本体都分输入的是温差有效能卡诺功，输出的是分离功，供冷供热系统输出的是温差有效能卡诺功。精馏效率是精馏本位有效能效率和供冷供热有效能效率的乘积！
3 \2 V+ v) I$ e6 w9 O  M    空气是沸点远低于环境温度的气体，当然无法用公用工程蒸汽冷却水实现空气的冷凝和蒸发。所以空气精馏分离既不可能是标准常规精馏工艺方案，也不可能是双效精馏及多效精馏工艺方案，当然也不是标准常规精馏基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案。
      了解了精馏技术的发展历史，了解了双效精馏多效精馏和单热泵及多热泵精馏技术的历史由来及真正涵义，就可以明白为什么空气精馏分离并不是所谓的双效精馏工艺方案，而是完全自热精馏工艺方案即彻底的开式热泵精馏工艺方案！或者更准确地说是开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案基础上的开式热泵供冷供热精馏工艺方案。对此有深入的了解，可以消除许多对空气精馏工艺方案的错误认识。从而为进一步降低空气精馏分离的能耗扫除思想上的障碍。

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空气精馏分离工艺方案既不是标准常规精馏工艺方案，也不是双效精馏及多效精馏工艺方案，更不是标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏技术方案，这是一个非常重要的理论问题。

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   任何二元物系的精馏过程，无论是标准常规精馏工艺方案，双效精馏及多效精馏工艺方案，还是标准常规精馏基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案，还是完全自热精馏工艺方案即彻底开式热泵精馏工艺方案，就精馏本身而言都是在一个精馏塔内完成的，而其它的精馏塔，冷凝塔都是供冷供热方案的一部分，通过供冷供热方案的变化而提高精馏效率或实现其它目标。

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    沸点远低于环境温度的空气精馏过程只能是完全自热精馏过程，本质上是空气开式热泵一膨胀制冷液化基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案。其中空气开式热泵一膨胀制冷液化部分的作用相当于沸点在环境温度以上的标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多效精馏工艺方案中的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器，起到精馏启动和实现精馏过程热量平衡（冷量平衡）的作用。而精馏过程的供冷供热则是由单热泵及多热泵实现。至于古典单塔制氮工艺方案，古典单塔制氮工艺方案，双塔流程工艺方案和新单塔流程工艺方案，它们之间的区别在精馏工艺方案和供冷供热方案的不同，其中古典单塔制氧工艺方案是蒸馏工艺方案和以空气为循环工质的开式热泵供冷供热方案。古典单塔制氮工艺方案是冷凝工艺方案和以富氧空气为循环工质的开式热泵供冷供热方案。双塔流程工艺方案是精馏工艺方案和以空气为循环工质的一拖二开式热泵（一个是以氮气为循环工质的开式热泵，一个是以富氧空气为循环工质的开式热泵）供冷供热方案，其中所谓的下塔是空气热泵一拖二转换塔。而新单塔流程则是精馏工艺方案和以氮气，空气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案。

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  双效精馏工艺方案既不是唯一的可以实现二元物系精馏分离的工艺方案，更不是最优的工艺方案！实际上目前绝对主流的空气双塔精馏工艺方案（双塔流程）也不是什么双效精馏工艺方案！

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开式热泵供冷供热方案是理解空气精馏分离的核心钥匙。

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之所以把运用于精馏过程的热泵称为开式热泵是因为运用于精馏过程的热泵和标准常规热泵的功能完全一致！但其热泵循环工质却不知道闭路运行，而和精馏过程结合在一起稳态化运行。