外行学空分(13)一一精馏与热泵该怎么结合？

   前帖对精馏过程的供冷供热和热泵装置进行了比较，发现它们在供冷供热上相似性极大，如果能把两者结合起来，一定可以大幅度地降低精馏过程的能耗，要把精馏过程供冷供热和热泵结合起来了，实现由热泵给精馏过程供冷供热，首先要解决的问题除了压缩机械设备及换热器设备外，工艺上首先要解决的问题是如何选择热泵循环工质，采用冰箱空调常用的弗利昂作为循环工质只适合环境温度附近的精馏过程（一般只能在环境温度正负30度以内），而不适合大多数的精馏过程的要求，人们参考双效精馏及多效精馏的理论和实践很快想到可以选用精馏原料，精馏过程中的产物，精馏产品中的低沸点组分及精馏过程中间产物作为热泵循环工质（这是事后诸葛亮，当时的人肯定是苦苦思索后的灵光一现），其中以精馏过程的原料混合物及精馏过程中间气体组分（特别重要的是低沸点组分）作为循环工质最为方便。这就是最初的单热泵及多热泵精馏技术的由来，当然单热泵及多热泵精馏流程也存在缺点，仍然是闭式热泵，仍然需要高温高压换热器和低温低压换热器，而热泵循环工质在高压高温换热器和低压低温换热器及管线中密闭循环。但技术的风险最小，即使热泵装置停止运行，精馏仍然可以进行，一旦热泵装置正常运行则可以大幅度降低蒸汽和冷却水的消耗达到节能的效果。人们很快发现热泵的低温低压换热器完全可以取消，相应地循环工质液体节流减压后(冷量载体)直接加入精馏塔(相当于在加入处设了一个换热温差为零的蒸发冷凝冷凝器，其冷凝的液体和循环工质的液体组分蒸发温度一致！)也可以直接从精馏塔某块塔板处抽取气相混合物经加压后送至设在精馏塔底部（当然也不一定在精馏塔底部）的高温高压换热器中冷凝放热加热精馏塔内的液体并使其气化，另一方面自身冷凝液化，所得液体减压后送至精馏塔某块塔板处作为回流液。这样闭式热泵就相应变成了开式热泵，造价更低效率更高！此后所谓的闭式热泵在精馏过程中实际上已经完全被开式热泵所代替！后来人们又进一步发现了以精馏原料和低沸点组分为循环工质的开式热泵精馏流程，那是一个完全自热精馏流程！现在总结起来逻辑严密顺理成章其实每一步都经过比较和选择，都是非常艰难的！
   现在还可以看到很多关于闭式热泵运用于精馏过程的探讨论文，这就让人有闭门造车之感了。
. c- F7 O0 T9 B1 U) R    我们把运用于精馏过程的开式热泵与普遍闭式热泵对比如下，
5 w& c$ E) e8 W% i    一，热泵循环工质，常规闭式热泵循环工质一般选用热力学性能优异的特殊化学物质，如氨，氟利昂等，运用于精馏过程的开式热泵循环工质选用精馏低沸点组分，精馏中间产物或精馏原料作为热泵循环工质。
   二，常规热泵中的高温高压换热器（一般称为冷凝器），低压低温换热器（一般称为蒸发器），运用于精馏过程的开式热泵高压高温换热器（一般称之为冷凝一蒸发器），低温低压换热器（一般称为蒸发一冷凝器）取消，减压后热泵循环工质液体直接加入精馏塔作为回流液。热泵循环工质气体也直接从精馏塔引出，从而实现稳态化运行。供热温度由热泵循环工质气体组成和压力决定。供冷温度决定于精馏塔压力下热泵循环工质液体的组成！
   三，常规热泵热泵循环工质压缩机进口温度为热泵供冷温度。运用于精馏过程的开式热泵，环境温度以上的精馏过程，热泵循环工质压缩机进口温度也是供冷温度。环境温度以下的精馏过程，开式热泵循环工质压缩机进口温度可以是供冷温度也可以是环境温度，分别对应开式热泵循环工质深冷压缩和复热常温压缩！
  四，常规热泵受热体是需要热量的物系或者大气环境，热源体则是需要冷量的物系或环境。运用于精馏过程的开式热泵，热源体是低沸点组分气体或者高低沸点组分气体，受热体是高沸点组分液体或者高低沸点组分液体！
   五，常规热泵不是从大气环境吸入热量就是向大气环境排出热量。运用于精馏过程的开式热泵则从低沸点组分气体或者高低沸点组分气体吸入热量使之液化，输送给高沸点组分液体和高低沸点组分液体便之蒸发气化！热量在精馏塔内闭路循环。

   开式热泵精馏流程和单热泵及多热泵技术在精馏上的运用是一个既有联系又有区别的技术，它们之间的联系是它们都是热泵技术在精馏流程中的运用，它们之间的区别在于开式热泵精馏流程是一个完全自热的精馏流程，它是全局性的，它的热泵循环工质只能是精馏原料混合物或者精馏低沸点产品。单热泵及多热泵技术在精馏过程中的运用，既可以在完全自热的开式热泵精馏流程中运用，以进一步提高精馏效率降低能耗，同时通过提高精馏塔局部回流比以制取高纯产品的目的。单热泵及多热泵技术也可以在常规精馏流程中运用，降低常规精馏过程的蒸汽和冷却水消耗。
$ L; f( o6 u8 n/ _! a5 D, l, g5 f
6 V" w* k6 i/ x  A5 _* t, p5 L- `

我们可以看到很多关于热泵精馏的论文，依然采用闭式热泵，这就是闭门造车了。