外行学空分(95)一一热泵问题。

   深冷空分教科书中无一言涉及有关热泵的内容，以至于有深冷空分技术人员发出这样的疑问，为什么在化工精馏领域运用最为广泛最重要的节能技术一一热泵技术没有看到在深冷空分应用的案例？没有详细的答案，即使有简单的答案也是直觉是不靠谱的，比如由于温度太低，所以热泵精馏无法应用于深冷空分精馏过程等等。
   对于我这个化工系毕业的深冷空分初学者来说，当我初次接融深冷空分教科书如李化治的(制氧技术)时，我产生了一个极为强烈的感觉，一，深冷空分教科书是由深冷空分装置设备说明书扩充而来。二，教科书的编著者对一百多年来精馏技术发展是非常生疏的，这从教科书中空分流程有关精馏部分的内容基本上都是一百多年前精馏技术从蒸馏向精馏进化时认识就可以看出来！正是由于这样的认识水平，当然也就无法对深冷空分精馏流程和常规精馏的流程(深冷空分中称为林德循环或空气循环)的重大区别作出合理的理论说明。那么深冷空分精馏流程和常规精馏流程有什么重大的区别呢？举其要者有三，一是深冷空分精馏流程是自热精馏流程，而常规精馏流程(如深冷空分中的提氩流程)是需要外供热源(蒸汽或其它热源例如压力气体）和冷源(冷却水或其它冷源例如深冷液体)的。二是深冷空分精馏流程中只有一个主冷凝器有时又叫做蒸发冷凝器，而常规精馏中再沸器和冷凝器是各自独立存在的，不然就构不成一个完整的精馏塔。三深冷空分教科书中论证了单级精馏不能实现氧氮完全分离，只有双塔流程可以实现氧氮完全分离(论证过程和论证结论都是错误的)，而常规精馏二元物系是完全可以在一个单级精馏塔中完全分离的，这是一个基本的常识！面对这样的三个重大问题，没有进行任何的理论说明，当然也就只能是知其然而不知其所以然！所以我的最初感觉是没有错的！
    前帖已经说过，深冷空分流程是世界上第一个实现工业化运用的开式热泵供冷供热精馏流程，但这个事实并不为热泵技术人员，精馏技术人员，深冷空分技术人员所认识！其中的原因其实也简单，那就是深冷空分精馏流程除了采用开式热泵供冷供热精馏流程之外，没有第二种选择，属于不得不然逼上梁山的状况。当时精馏理论正处在由蒸馏向精馏进化的初级阶段，双效精馏及多效精馏热泵精馏的理论和概念还完全没有出现！更不要说用开式热泵供冷供热精馏理论来说明深冷空分流程与常规精馏的重大区别！而当热泵精馏理论和实践出现后，由于隔行如隔山的原因，热泵技术人员无法认识到深冷空分流程是世界上第一个实现工业化应用的开式热泵供冷供热精馏流程，而深冷空分技术人员对于热泵精馏的理论和实践也是一无所知，而且已经把深冷空分流程神秘化了(如林德循环，冷量平衡之类！)，这就造成了热泵技术和深冷空分前世缘分深厚，今生见面却不相识的悲剧！

日本东京大学声称“节能20%~30%”的热泵空分，估计也是把自己的95%或90%氧纯度与别人的99.7%比较了

浙江工业大学空分火用损失文章，下塔(HPC)火用损失不到上塔(LPC)的六分之一。
6 g4 t  {) f) L" E5 i+ q8 Z
, N5 d- v# ]" ?" ]& p浙工大这篇热泵空分也是95%氧纯度，高校好像都偏爱95%低纯度，因为此类流程能耗低，与99.7%氧纯度相比“节能”了。但我见过的几十套空分中，没有一套是95%，全部都是99.6%以上。

提取特殊气体和制取高纯氧气和氮气是目前深冷空分的几大难题，但如果认识到深冷空分流程是开式热泵精馏流程，并对热泵精馏理论有深入了解，这些问题都将迎刃而解。

先生看来依然纠结于氧氧纯度的问题，先生确实是深冷空分的专家，但先生似乎有把深冷精馏空分神秘化的倾向，深冷精馏空分虽然有其特殊性，主要表现在开式热泵精馏流程和冷量平衡上，但仍然必须符合精馏的一般规律，而精馏是一种最见的化工单元操作。为什么一般人讨论空气精馏的时候，氧的纯度都按95%来考虑呢？这是有深刻道理的，而不是先生所认为的那样外行和无知。

一个完整的精馏塔(如双塔流程中的上塔及新单塔流程的精馏塔)只能实现二元物系的精馏分离，空气是一个近似二元物系的三元物系！当将空气视完全二元物系时(厦大的论证报告)，氮的纯度按99.9%，氧纯度99.5%设定。双塔流程和新单塔流程均按些进行模拟计算并进行比较，这其实也是深冷空分教科书的一般做法。

但是我们知道，空气并不是二元物系只是近似二元物系，空气中含有1%的氩！它是三元物系！如果不考虑提氩流程的情况下(提氩流程是深冷空分技术的一大难题，在没有开式热泵提氩流程之前，不要说一般大学教授难以把握，就是资深专家也头疼！而不讨论提氩流程的情况下，最合理的做法就是把氧纯度设定为95%，为什么这样设定是合理的？因为一个精馏塔不能实现氧氩氮三元物系的完全分离，要实现氧氩氮三元物系的完全分离，最少需要两个精馏塔一般需要三个，对于氧氩氮三元物系来说，一个精馏塔只能把氧氩氮三元物系一分为二，而要一分为二最合理的做法是一是氮气，二是氧气和氩气！这个时候氧的纯度当然只能是95%(含有5%的氩及少量氮气)，当然这和深冷空分实际不完全符合，但是是合理的，如果将氧气纯度设定在95%以上，将必然涉及氧氩分离的问题。

氧氩的沸点仅相差3度，氧氩的精馏分离是非常困难的，需要的塔板数很多，这也是空气精馏时将氧氩归为一边的根本原因。在规整出现之前，上塔的塔板数是有限的，这个时候连膨胀机后的空气都无法全部进入上塔，规整填料出现后不但膨胀机后的空气可以进入上塔参加精馏，而且提馏还可以增加塔板数，当然氧纯度开始上升，这个时候氧氩精馏分离实际上已经开始了，氩开始对氮纯度产生影响，为了保证氮纯度保持不变，精馏段也需要增加塔板数，这就是单高和双高的问题。塔板数总是有限的，反靠规整填料带来的塔板数增加并不能将氧纯度提高到99.5%，更不能保证所谓的双高，于是乎又有人恕出了一个办法，那就是在上塔增加一个氩冷凝器，从上塔引出富氩馏分在氩冷凝器中进行部分冷凝，液体氧返回上塔，氩和氮混合物的则排出，这样在不提氩的情况下把氧的纯度提高到99.5%，这些情况厦大浙大的教授当然不可能掌握，没有办法只能把氧纯度设定在95%，以回避这些复杂的问题。以上的情况我也没有完全把握，请先生指教。

目前的空分实贱中无论提氩还是不提氩，其上塔实际上都有两个精馏过程同时进行，一个是氮和氧氩分离，二是氧氩分离！但是在一个精馏塔中同时进行两个精馏过程是否合理，这是一个大问题。从一般精馏理论来说，一个精馏塔内进行一个精馏过程是比较合理的。这样对于空气这样的三元物系来说，合理作法是在第一个精馏塔(上塔和新单塔的精馏塔’中首先实现氮和氧氩分离，并保证氮气纯度，然后氧氩混合物的在另外一个精馏塔(氩塔)中进行氧氩分离，并保证氧气纯度！然后在叻一个精馏塔中进行氩氮分离并保证氩气纯度才是最合理的，同时也是效率最高能耗最低的。

至于新单塔流程如何在不提氩的情况下实现氧纯度99.5%，我们以后再讨论，当然不是厦大教授那样的办法，如果那样还不如提氩，氧氩氮完全分离的能耗也仅是比氧氮完全分离的能耗高10%而已！