外行学空分(163)一一观点质疑和回复(三)

Yb2021

    精馏分离原理上是利用物质沸点挥发度不同而实现分离，毫无疑问精馏产品得到的有效能是分离功，而精馏过程输入的有效能是温差有效能又可称为卡诺循环功（在环境温度以上的精馏过程，是广义的热能，在环境温度以下的精馏过程，是广义的冷能）。精馏过程得到的分离功和输入的温差有效能的比值就是精馏过程的有效能效率或者简称精馏效率。
   对于单开式热泵供冷供热精馏来说，开式热泵精馏总效率是热泵供冷供热效率和精馏效率的乘积(如果是多热泵精馏过程，如果是多热泵精馏过程，那么开式热泵精馏效率就是精馏产品的最小分离功和热泵循环工质复热常温压缩功耗之和的比值。当然也可以认为是加权平均开式热泵供冷供热效率和精馏效率的乘积！开式热泵精馏和常规精馏有很大的不同，在常规精馏中精馏系统包括精馏塔蒸汽再沸器和冷却水冷凝器，但在开式热泵精馏中精馏系统只有精馏塔及其内置的塔板填料和精馏原料的输送纯化，以及精馏原料和精馏产品的换热。而再沸器和冷凝器则不属于精馏系统而属于开式热泵供冷供热系统（这其实只是系统划分边界的问题）。如果是开式热泵供冷供热精馏流程则没有冷凝器再沸器而只有一个压力循环工质冷凝一蒸发器（一般称为冷凝器）是再沸嚣和冷凝器的合二而一至于是叫冷凝器还是再沸器，冷凝一蒸发器就无关紧要了。从开式热泵供冷供热效率角度来说，影响开式热泵效率的因素很多，热泵循环工质压缩的效率，热泵循环正返流阻力，压力循环工质气体冷凝一蒸发器的传热温差（包括静压）是其中最重要的因素，除此之外还有其它的因素，例如开式热泵还是闭式热泵，开式热泵的效率总是高于闭式热泵(直观表现是提供相同温差相同数量有效能的开式热泵循环工质的压缩比压缩功总是小于闭式热泵)！两个直接热泵的效率（加权平均效率）总是高于一拖二热泵效率，其原因在于当热泵从单热泵向一拖二热泵转变，其热泵压缩功不变，而输出的温差有效能大幅度下降，而和其等效的两个直接热泵其总压缩功总是大幅度小于一拖二热泵的压缩功。如果热泵压缩的效率不变，则热泵温差（压力热泵循环工质气体冷凝温度和减压后热泵循环工质液体蒸发温度之间的差值）越大，热泵循环工质气体冷凝一蒸发器的传热温差越小热泵效率越高。
     对于一个二元物系(三元物系或者多元物系可以分解两个近似二元物系或者多个近似二元物系的精馏过程)的精馏效率，影响因素有那些呢？第一个因素当然是理论塔板数，理论塔板数越多产品纯度不变的情况下，所需要的回流比越小能耗越低精馏效率越高。第二个因素是精馏产品的纯度，在理论塔板数有限的情况下，产品纯度越高则精馏效率越低，其原因在高低纯度的精馏产品其有效能相差很小，而在理论塔板数有限的情况下只有通过提高回流比才能实现纯度指标，而在标准常规精馏及单热泵精馏的情况下，实际回流比则受到最大回流比的限制，当接近最大回流比的时候，实际回流比增加一点点，则标准常规精馏的蒸汽冷却水消耗都会大幅度升高，而单热泵精馏的热泵循环量也会大幅度提高，精馏效率当然就大幅度下降了！第三个影响因素是二元物系的组成比例，任何二元物系都有一个组成其标准常规精馏和单热泵精馏的精馏效率最高，组成偏差就会造成精馏效率的明显下降。当然这是一个大略的结论，还有其它因素例如高低沸点组分相变热的不同，二元物系组成之所以影响精馏效率，原因在于采用常规精馏和单热泵精馏流程时，不论是采用单热泵还是一拖二热泵，经常会出现精馏段液气比和提馏段气液比不协调的问题，而要同时让精馏段液气比和提馏段气液比同时满足产品纯度的要求，就需要同时提高蒸汽冷却水用量或者加大热泵循环量，精馏效率当然就下降了。
   在常规精馏流程中解决这个问题的办法是增加一个开式热泵精馏，这个供冷供热开式热泵既可能设置在精馏段或者提馏段或者精馏段提馏段之间，对于常规精馏来说就是单热泵技术，对于热泵精馏流程来说就是双热泵精馏工艺方案，开式热泵精馏流程本身是一个开式热泵(起到取代蒸汽冷却水的作用)再加上一个开式热泵当然是双热泵工艺方案了。精馏段液气比和提馏段气液比的不协调有时对精馏效率影响是很大的。在热泵精馏技术得到运用后，常规布局的精馏过程采用单热泵改进和热泵精馏流程增加一个热泵形成双热泵精馏方案是常态。双塔流程的形式上也是双热泵精馏，但它是一拖二热泵本质上还是单热泵！
. F/ j' h  h6 n( ?  }& x. \  T5 w    那么什么样情况下需要采用多热泵技术呢？一种是制取高纯度产品的情况下。产品纯度的问题本质上是回流比和塔板数的问题，理论上如果塔板数无限多，只要回流比大于最小回流比，就可以制取任意的高纯产品，但在实际中可用的塔板数总是有限的，在这种情况下可以通过提高回流比来制取高纯度产品，但回流比的提高意味着能耗的提高精馏效率的下降，更何况还受到最大回流比的限制。如果给定的产品纯度在可用塔板数限制下，能耗无法接受或者能耗能够接受但是无法实现(受到最大回流比的限制)，那么就需要采用多热泵技术以降低制取高纯度产品的能耗及实现高纯度产品的制取。具体内容可以参见一一如何把粗氩塔理论塔板数控制在100块以内。
) m0 b( V. u8 Y6 k    还有另外一个情况下需要采用多热泵技术，那就是进一步降低精馏能耗提高精馏效率。常规精馏采用单热泵技术进行改进，开式热泵精馏流程增加一个热泵形成双热泵方案协调了精馏段液气比和提馏段气液比，当然可以提高精馏过程效率，但是精馏效率依然有提高的潜力，而要进一步提高精馏效率就需要采用多热泵精馏技术，但是一般而言随着热泵的增多，其精馏效率的提高幅度越来越小，这就需要综合考虑工程造价，能耗水平进行综合考虑。
1 N! Z7 k% e( i! C" D& W   对于多热泵技术的运用专家提出了会增加精馏流程复杂性降低热泵效率及精馏过程可靠性的质疑，这个其实是必要不必要值得不值得的问题了，需要具体问题具体分析！热泵精馏的总效率是热泵效率和精馏效率的乘积！单热泵精馏其热泵效率高而精馏的效率低！采用适宜的双热泵及多热泵精馏，其加权热泵效率是下降的，其原因在于换热器温差的存在！但可以提高精馏效率，在合理设置下总热泵精馏效率是提高的，而总热泵精馏效率的提高，实际上就是相同产品方案下能耗降低。
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  有专家指出多热泵技术的热泵效率低，毫无疑问是正确的，但对于精馏过程来说，我们追求的是提高精馏效率，而对于热泵精馏来说，总精馏效率等于热泵效率和精馏的效率的乘积，多热泵虽然有些单个热泵的本身效率较低(原因是换热器温差不变而热泵温差较小)但总热泵精馏效率是提高的。