外行学空分(188)一一新单塔流程的精馏工艺方案和单热泵及多热泵技术

Yb2021

; U9 E9 t& i; }- V
$ ~5 t' F& l7 Z2 X: ]% D* S3 U. x' E    精馏技术经历了手工业时代的蒸馏技术阶段，工业化初期的精馏技术阶段及现在的热泵精馏阶段。这三个发展阶段后一个阶段都是建立在前一阶段的基础上同时又解决了前一阶段存在的问题及无法解决的问题。精馏技术是建立在蒸馏技术的基础上，通过设置塔板和填料加强气液接触和增设冷凝器用冷凝液回流，解决了蒸馏技术只能通过多次重复蒸馏才能达到较高产品纯度的问题，当然也就大幅度降低了分离能耗。同时原来的蒸馏技术也可以看做不设置塔板填料理论塔板数为一，精馏段回流液数量为零的精馏技术特例。热泵精馏技术同样也是建立在常规精馏流程的基础上，相对于常规精馏流程热泵精馏的精馏部分本质上是完全一样的。只不过以热泵(一般是开式热泵也不排除闭式热泵)代替了蒸汽冷却水再沸器冷凝器。这当然大幅度降低了精馏过程的能耗，但更重要的意义在解决了在某种条件下常规精馏流程无法实现的精馏过程，例如深冷空分就是常规精馏流程无法实现的精馏过程。同样热泵精馏也包涵了常规精馏，末采用单热泵及多热泵技术进行改进的常规精馏可以看做是一个特殊的单热泵精馏流程。其实蒸馏再沸嚣和冷却水冷凝器其作用和闭式热泵的高温蒸发器及低温冷凝器完全一样，它们都向精馏过程供给温差有效能即所谓的卡诺功，从而使精馏过程得以实现。当然热泵精馏并不是简单地通过用热泵替代蒸汽冷却水，而是通过单热泵及多热泵技术的运用大幅度提高精馏效率降低精馏过程能耗。
2 ^! h$ q/ I# \1 |' [$ }7 ?) G     热泵精馏的理论已经非常成熟，而热泵精馏的实践也已经非常丰富多彩那就是所谓的单热泵及多热泵技术！完全不用蒸汽冷却水及广义的其它外供的热源冷源而实现的精馏流程称为完全自热的精馏流程即开式热泵精馏流程！完全自热精馏流程都存在一个需要解决的问题那就是热量(冷量)平衡的问题！这个问题并不好办，所以在用常规精馏可以实现的精馏过程，一般情况下并不采用完全自热精馏流程，而是在常规精馏流程的基础上通过采用单热泵及多热泵技术提高精馏效率而实现大幅度降低精馏过程能耗。从精馏的部分来讲常规精馏流程采用单热泵技术实际上已经是双热泵精馏工艺方案。因为蒸发再沸器和冷却水冷凝器事实上已经构成一个热泵。对于常规精馏流程无法实现的精馏过程当然只有采用完全自热精馏流程即开式热泵精馏流程，除此之外别无选择！
& n5 m% ?- _" T6 q% c" I/ P    深冷空分的精馏过程是无法用常规精馏流程实现的精馏过程，所以所有的深冷空分流程都只能是完全自热的开式热泵精馏流程。当一百多年前深冷空分实现工业化的时候，热泵精馏的理论和技术还没有出现，实际上深冷空分是第一个实现工业化运用的开式热泵精馏流程，而且所谓的双塔流程还是双热泵工艺方案，这实在是太超前了！当热泵精馏理论及技术发展成熟的时候，空分技术已经成为一个封闭的行业，和精馏的理论和实践老死不相往来鸡犬之声不相闻。
9 R  o: i! f3 U) V0 S( R3 a, E    从热泵精馏理论很容易得出结论那就是深冷空分有三个基本的开式热泵精馏流程，一是以氮气为循环工质的开式热泵精馏流程(新单塔流程)，一个是以空气为循环工质的单塔开式热泵精馏流程(古典单塔流程)，一个是以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏流程(即双塔流程)，从热泵精馏理论上看新单塔流程和古典单塔精馏流程都是非常常规自然而然的，而目前绝对主流的双塔流程则是非常规不自然特殊的。但所有的深冷空分教科技都只有古典单塔精馏流程和双塔流程，而完全没有新单塔流程！而且论证只有在双塔流程才能实现氧氮完全分离，而在单级精馏塔中无法实现氧氮完全分离！这不是一个咄咄怪事是什么？
    现在已经无人质疑新单塔流程可以在单级精馏塔中实现氧氮完全分离！但对于新单塔流程是否拥有相对于双塔流程的能耗优势依然受到质疑，当新单塔流程的双热泵工艺方案明确后，新单塔流程的精馏部分拥有相对于双塔流程精馏的能耗优势已经无法质疑。双热泵精馏工艺方案是否是新单塔流程的终极精馏工艺方案呢？就精馏而言它只相当常规精馏流程加一个单热泵进行改进，当然还可以采用一个以上的热泵进行改进，这就是多热泵技术。一般情况下，随着热泵的增多，精馏的效率逐步提高，在无限多个热泵及无限塔板数下，精馏的过程可以成为完全可逆的精馏过程！但实际上由于受到换热温差的影响，即使不考虑工程造价，热泵的设置也是有限的，但双热泵工艺方案是基本的！对于氧氮氩三元物系而言，以空气氮气粗氩气为循环工质的三热泵工艺方案是基本工艺方案。