外行学空分(121)一一热泵精馏流程和单热泵及多热泵技术

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, Z% s6 O! ~- N# [+ C7 U    精馏是利用物质组分的沸点及相对挥发度不同实现物质分离的一种化工单元操作，它是一个完全的物理过程但却是化工产业最基础的技术。
" P/ v' w5 p9 `" O+ Z     对于沸点在环境温度以上的精馏过程，完整的精馏装置包括以下几个部分，一是精馏原料的输送设备一一输送泵，二是液体精馏原料和液体高低沸点精馏产品的换热器，三是内有填料或塔板的精馏塔，四是设置在精馏塔底部的再沸器，用蒸汽或其它外供热源给精馏塔提供热量，从而使精馏塔底部得到高沸点组分液体蒸发气化形成回流上升气，实现提馏。五是设置在精馏塔顶部的冷凝器，由冷却水或其它外供冷源从精馏塔顶部输出热量。从而使精馏塔顶部的低沸点组分气体冷凝部分回流，部分作为低沸点组分产品引出。
6 o8 {( D" J7 n2 c  如果精馏原料和高低沸点组分精馏产品的状态均是液态，温度基本相同(不可能完全相等，存在换热器的传热温差)，很容易发现蒸汽再沸器蒸汽输入的热量几乎全部被冷凝器冷却水带走了。这样我们就可以很容易想到，我们是否可以用热泵系统代替常规精馏系统的再沸器蒸汽及冷凝器冷却水实现精馏过程呢？当然是可以的，这就是精馏技术的第三个阶段热泵精馏阶段，精馏技术发展的前两个阶段则是蒸馏冷凝阶段和常规精馏阶段。热泵精馏技术的出现一是为了解决沸点在环境温度以下的精馏过程的供冷供热组织问题，二是为了解决沸点相近二元物系的精馏能耗过高的问题。
   一个标准的开式热泵供冷供热精馏系统是这样的，精馏原料的输送及精馏原料和精馏产品的换热和标准常规精馏一样保持不变，精馏塔底部的再沸器则被热泵系统的高温高压冷凝器（压力热泵循环工质气体冷凝器）代替，精馏塔顶部的冷凝器则被热泵的低温低压蒸发器（减压后的热泵循环工质液体蒸发器）所代替！这样热泵精馏中的精馏塔实际上已经不包括再沸器和冷凝器，精馏塔的问题也就只剩下塔板数回流比和产品纯度的问题了，而其中的回流比则是由热泵系统的设置和热泵循环工质循环量决定的。
+ d/ [# C+ r8 }- X- w4 `& F" s8 h   最先在精馏过程中运用的当然是常规的闭式热泵系统，但这种和空调冰箱一样的闭式热泵在精馏过程中的运用有很大的局限性，只能在精馏原料和精馏产品的沸点在环境温度附近的情况下才能运用，当精馏产品沸点相差很大(必然导致热泵压缩机压缩比相应提高，需要多段压缩)及精馏产品沸点偏离环境温度稍大（很难选择合适的闭式热泵的循环工质），这种常规闭式热泵精馏则变得不利和不可行。这种形式的热泵精馏虽然实际运用的例子很少，但在热泵精馏的理论和技术上却非常重要，因为它是热泵精馏理论和技术的起点和原点。
     为了克服常规闭式热泵的局限性，人们发现可以用精馏低沸点产品及精馏过程中间产物作为热泵循环工质，这样的热泵循环工质当然不需要也不可能封闭循环，闭式热泵中必须有的减压后热泵循环工质液体低温低压蒸发器也可以取消而直接以热泵循环工质冷凝液（在高压高温冷凝器中产生）减压过冷后直接作为精馏回流液！这就是热泵精馏技术中最常见的开式热泵！这样的热泵系统相对于常规闭式热泵极大地扩展了热泵精馏的适用范围，当精馏产品沸点相差很大时，仍然可以在精馏塔中设置以精馏中间产物为循环工质的一个和多个开式热泵系统，从而大幅度降低蒸汽和冷却水的消耗，大幅度降低精馏能耗。为了与常规热泵相区别，我们把这种运用于精馏过程的热泵叫做开式热泵，也可以把这样的热泵精馏工艺方案叫做开式热泵精馏工艺方案或流程，闭式热泵在精馏过程中实际运用的例子很少，但在热泵精馏理论和技术上的意义非常重大！而开式热泵则是热泵精馏理论和技术发展中的第二个阶段。开式热泵出现后，闭式热泵在精馏过程中的运用就被开式热泵所替代。
/ }* w+ {. W6 }    以上的开式热泵都是直接开式热泵，至于一拖二（多）开式热泵是一种特殊的情况，专在后面专门讨论。