外行学空分(48)一一单热泵及多热泵精馏

13605980246

   单热泵及多热泵精馏是石化产业沸点相近的物质精馏分离及制取高纯度产品最重要的节能技术，其做法是在常规精馏塔中，在精馏塔精馏段或提馏段某块塔板处引出气相，经加压后在设置在提馏段的换热器或精馏塔內某处的冷凝器中与精馏塔内液体换热自身液化冷凝，冷凝后液体经减压后进入精馏段或提馏段作为回流液，从而大幅度减少蒸汽冷却水消耗。这样的开式热泵可以设置一个也可以设置多个。设置一个开式热泵供冷供热即是所谓单热泵精馏技术，设置多个开式热泵供冷供热即所谓多热泵精馏技术。
   常规精馏的能耗很大，效率很低。在沸点相近的物系精馏分离中，问题更加突出！为了对常规精馏进行节能改进，在常规精馏的基础上发展出了双效精馏及多效精馏技术，双效精馏将二元物系的单级精馏塔分为压力不同的两个及多个精馏塔，在高压精馏塔中产生的高压低沸点产品及中间产物气相冷凝热作为低压常压精馏塔再沸器的热源以代替蒸汽，而低沸点产品及中间产物自身冷凝液化除部分回注高压塔外，其余送至低压精馏塔精馏段及顶部作为回流液。双效精馏及多效精馏虽然可以大幅度提高精馏效率，降低精馏能耗，但也使精馏流程复杂化。所谓的双效精馏或多效精馏是常规精馏和开式热泵精馏的一个过渡技术，其区别在于双效精馏及多效精馏和常规精馏一样，推动精馏的能量来自蒸汽和冷却水，而开式热泵精馏推动精馏的能量来自热泵压缩功。在深冷空分教科书，双塔流程有时也被叫做双效精馏流程，其实两者之间形似而神不是！双塔流程是开式热泵精馏流程的以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案。
    单热泵及多热泵精馏节能技术可以在常规精馏塔上运用，当然也可以在完全自热彻底开式热泵精馏塔上运用，以新单塔流程为例，通过采用单热泵及多热泵节能技术可以降低氮压机的压缩量从而节约能耗。就完全开式热泵供冷供热精馏流程而言，以低沸点组分为循环工质冷凝器设置在精馏塔底部的开式热泵工艺方案相当于标准常规精馏工艺方案，只不过以低沸点组分为循环工质的开式热泵替代了标准常规精馏中的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器供冷供热而已！
    现有的双塔流程中能否可以采用单热泵及多热泵精馏技术呢？由于下塔是冷凝塔只有精馏段（也可以采用双热泵工艺方案，只是效果不明显，比较少见而已，例如内压缩工艺方案下塔采用部分液空作为下塔回流液就是双热泵工艺方案），一般只能在上塔设置开式热泵，实际上目前已经有了实施的案例，在上塔设置开式热泵其结果都是在保证产品纯度的情况下，可以加大空气膨胀量，减少进入下塔的空气数量，下塔的作用减弱甚至取消。从热泵精馏的角度来说，下塔本质上是以空气为循环工质的热泵一拖二转换器。其实为了制取高纯度氮气产品，在上塔设置以氮气为循环工质深冷压缩的开式热泵已经有实际的例子，另外双塔流程的上塔本身就是一个双热泵工艺方案，一个热泵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，两个开式热泵的冷凝器均是主冷凝器。
   前两帖描述说明的新单塔流程工艺方案相对于目前标准双塔流程工艺方案有一个显著的特点，那就是液体产品的数量大大高于标准双塔流程的工艺方案，标准双塔流程工艺方案液体产品数量接近于零，如果要增加液体产品数量，一个办法是提高空压机的出口压力，在两段压缩下，空压机出口压力最大可以达到7-8bar，液体产品数量可以达到气氧产量的10%左右，其液体产品比例还低于新单塔流程的标准工艺方案，如果要进一步提高液体产品的比例，则需要增加空气增压机及高温膨胀机，高温膨胀机后的空气进入下塔参与精馏。
   对于新单塔流程标准工艺方案而言，如果要求液体产品数量接近于零，那么需要对新单塔流程的标准工艺方案进行调整，具体的办法是把氮气冷凝器从设置在空分塔底部移至液空入口处，相应将进入空气冷凝器的空气数量从10000立方米增加至30000立方米，相应减少膨胀机制冷的空气数量，如果液体产品比例还是偏高，氮气及工艺氩气压缩可以采用深冷压缩。另外在制取高纯氮气高纯氧气时，为了进一步降低能耗，在新单塔流程标准工艺方案外还需要在提馏段和精馏段增加新的开式热泵设置，这其实都是单热泵及多热泵精馏标准成熟的解决方案，没有任何特殊之处。
   深冷空分虽然是世界上第一个实现工业化生产的完全自热开式热泵精馏流程，可以说开了风气之先，但现在和精馏理论和实践脱节太久了，许多在单热泵及多热泵精馏技术中早已有非常成熟简单的工艺解决方案的问题，在深冷空分中却是大难题甚至是无法解决的问题，例如制取纯度高于99,8%的氧气产品。
     环境温度以上的精馏过程，可以采用标准常规精馏，双效精馏及多效精馏和在标准常规精馏基础上塔单热泵精馏及多热泵精馏技术进行精馏工艺方案的组织。
    环境温度以下的精馏过程，如果要实现大规模工业化运用，唯一可行的是采用完全自热的开式热泵精馏工艺方案。分别可以选择低沸点产品或精馏原料气为开式热泵循环工质！其中以低沸点精馏产品为循环工质的单热泵精馏工艺方案对应于标准常规精馏工艺方案，区别仅在于以低沸点精馏产品为循环工质的开式热泵代替了标准常规精馏中的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器！以精馏原料气为循环工质的单热泵精馏工艺方案，必须采用一拖二的开式热泵，对应环境温度以上的双效精馏工艺方案但两者之间有本质的区别！
   完全自热的开式热泵精馏流程当然也可以采用多热泵技术对精馏过程进行改进，这本来是不言自明的应有之义！其中以低沸点组分为循环工质的开式热泵和以精馏原料气为循环工质的双热泵工艺方案是二元物系精馏过程的基本工艺方案。除此之外，为了制取高纯产品，进一步降低精馏能耗，都需要根据工程条件及实际需要增设开式热泵。

Yb2021

双效精馏和开式热泵精馏流程的区别，双塔流程是双效精馏流程吗？

Yb2021

   当认识到环境温度以下的精馏过程必须采用完全自热的开式热泵精馏工艺方案后，为了制取高纯度产品及进一步降低精馏过程能耗，多热泵精馏技术的运用必要性是不言自明的！