外行学空分(201)一一复热常温压缩和深冷压缩(一)

Yb2021

    单热泵及多热泵技术已经成为了精馏节能技术的最重要的方向，从精馏技术史上说，利用沸点及挥发度的不同实现不同物质的分离提纯，经历了蒸馏冷凝技术，精馏技术（标准常规精馏，双效精馏，多效精馏）及开式热泵精馏技术三个不同的历史阶段。其中标准常规精馏和开式热泵精馏之间又有一个双效精馏及多效精馏的过渡状态，标准的常规精馏方案在精馏塔底部设置蒸汽再沸器，在精馏塔顶部设置冷却水冷凝器，精馏原料与精馏产品换热后进入精馏塔中部参与精馏，精馏塔则是接近常压精馏塔(在高压下精馏是不利的，高低沸点组分分离系数小，但在特殊情况下也有运用的案例)，从精馏塔顶部得到合格的低沸点组分产品，从精馏塔底部得到合格的高沸点组分产品。高低沸点组分产品的提取率都可以接近100%！当然以上的描述是针对二元物系的精馏而言，而所谓的三元物系或者多元物系理论上则需要分解为两个或者两个以上的近似二元物系的精馏过程！这就是三元物系或者多元物系的依次精馏工艺组织方案，因此只要深刻掌握了二元物系的精馏工艺方案，那么三元物系或者多元物系的精馏只是近似二元物系精馏的重复过程而已！
     所谓的双效精馏及多效精馏也是针对二元物系精馏而言，具体而言就是利用高品位的蒸汽(这里的品位只是说明蒸汽的冷凝温度和高沸点组分常压下沸点温度相差较大的蒸汽)在一个高压精馏塔底部设置蒸汽再沸器用高品位蒸汽加热实现初步精馏分离，同时利用高压的低沸点气相组分的冷凝热作为第二个接近常压精馏塔再沸器的热源，同时使高压气相低沸点组分冷凝，一部分作为高压精馏塔的回流液，一部分减压后作为常压精馏塔顶部的回流液或作为产品引出，至于高压塔底部的高低沸点混合液体也减压送至常压精馏塔中部作为回流液。相对于标准常规精馏双效精馏及多效精馏的蒸汽耗和冷却水耗要低得多（这里蒸汽没有品位之分），同时高品位蒸汽又得到双效及多效利用，可以大幅度地降低精馏过程的蒸汽冷却水消耗。双效精馏和深冷空分的双塔流程非常相似，但也仅此而已，深冷空分双塔流程是氧氮二元物系完全自热的开式热泵精馏工艺方案，而双效精馏则不是完全自热精馏流程，两者之间只是相似而己！所谓双效精馏和多效精馏的术语，最初来自工业卤水制盐和海水淡化，无论是工业卤水制盐还是海水淡化，其基本原理都是用蒸汽加热工业卤水和海水使其中的水份蒸发，从而得到盐和淡水！如果利用蒸发的水汽（乏蒸汽）加热低压或真空的工业卤水和海水，那么就可以大幅度降低工业卤水制盐和海水淡化的蒸汽耗，这就是双效蒸发或多效蒸发，实际的涵义就是高品位蒸汽的多次重复利用，如果是两次利用就是双效蒸发，多次利用就是多效蒸发！如果用乏蒸汽压缩机直接加压乏蒸汽用于工业卤水制盐和海水淡化，那么就是完全自热的开式热泵工业卤水制盐和海水淡化！以上的方案对应于精馏过程就是双效精馏和多效精馏及完全自热的开式热泵精馏！
   对于沸点在环境温度以上的二元物系的精馏过程，采用单热泵及多热泵精馏技术的一大难题是开式热泵循环工质气体压缩机需要在环境温度以上运行而无法在环境温度下运行（即无法采用复冷常温压缩），这样开式热泵压缩机就不可能是通用设备而是需要定制，而其中最难解决的问题是轴封问题。
" e3 Z: \" I8 N   现在我们已经知道所有的深冷空分流程都是开式热泵供冷供热精馏流程，但和沸点在环境温度以上的精馏过程不同的是深冷空分流程的开式热泵循环工质压缩既可以在常温下进行压缩，这其实就是所谓的复热常温压缩，也可以深冷压缩！这其实也是深冷空分是第一个实现工业化大规模运用的开式热泵供冷供热精馏流程的一个非常重要的原因！当深冷空分开式热泵供冷供热精馏流程投入工业化运用的时候，所谓的开式热泵供冷供热精馏流程，单热泵及多热泵精馏技术的理论和实践还未出现！这也是热泵开式热泵精馏流程单热泵及多热泵技术至今尚末在深冷空分教科书中得到反映的根本原因，而没有对热泵开式热泵精馏流程单热泵及多热泵技术有深刻的理解，对于深冷空分精馏过程也就只能知其然而不能知其所以然！
4 Y4 I$ Z9 `( m1 B, n+ o9 |   复热常温压缩是深冷空分热泵循环工质气体压缩的一个通用的选择，但也存在非常明显的缺点，一是需要循环工质复热换热器，而复热换热器的冷热端温差会造成深冷空分装置的冷量冷能损失。二是复热复冷的正返流阻力损失会显著提高热泵循环工质压缩功比，增加压缩功耗，降低开式热泵的供冷供热效率，这种情况在热泵循环工质压缩比很小的时候特别突出。三是增加深冷空分装置的工程造价。深冷空分开式热泵精馏流程中开式热泵循环工质压缩当然也可以选择在深冷温度下进行压缩，但这和环境温度以上精馏过程中单热泵及多热泵技术一样，热泵压缩机也不是通用设备，需要特殊设计和定制。
   目前深冷压缩已经在深冷空分流程有得到实际的运用的案例，大体上有以下的几种情况。一是在所谓的LNG冷能利用中，氮气深冷压缩至很高压力(采用罗茨压缩机)，通过和LNG换热使LNG气化，高压氮气自身液化返回深冷空分装置，用于生产空分液体产品。二是在双塔流程制取高纯度氮气产品时，在双塔流程的上塔，从上塔顶部引出氮气深冷压缩后在设置在上塔精馏段的压力氮气冷凝嚣中冷凝为液氮过冷后进入上塔顶部作为回流液。这其实是一个以氮气为循环工质深冷压缩的开式热泵精馏工艺方案。可以说是逼上梁山的结果，双塔流程中的氮气纯度上限是由下塔顶部的液氮纯度决定的，而要提高下塔顶部的液氮纯度只能通过增加下塔的理论塔板数及增加下塔液氮回流量降低富氧液空中氧含量实现，而下塔理论塔板数受到下塔阳力增加及下塔高度的限制，提高下塔回流液气化则降低富氧液空纯度。减少下塔送上塔的液氮数量，从而降低空分装置的氧提取率，都存在很大的困难。因此逼上梁山在双塔流程的上塔增加以氮气为循环工质深冷压缩的开式热泵，以制取较大数量的高纯度氮气产品！
另外一个案例是在双空压机单塔制氮工艺方案中，第二空压机（实际上是富氧空气深冷压缩机）富氧液空在主冷凝器与压力氮气换热气化后，温度约100k深冷压缩后在主换热器换热后返回制氮塔参与精馏。
   新单塔流程的两个双热泵基本工艺方案都不涉及热泵循环工质氮气的深冷压缩，以氮气为循环工质的开式热泵都是采用复热常温压缩，那么在什么样的情况下，需要用到深冷压缩呢？在以下的三种情况下需要用到热泵循环工质的深冷压缩，或者说在以下的两种情况下，采用深冷压缩相对于复热常温压缩是有利的。
( s4 p# E4 x7 ~6 \, Z- D1 G   一是在空分装置的产品方案是高纯氮气高纯氧气产品，这样的情况下，为了降低制取高纯度氧氮气产品，需要增设压缩比很小的开式热泵供冷供热，这就需要用到深冷压缩。
. K8 p) I0 m- O" @' Q   现在我们讨论一下在目前双塔流程中如何实现高纯氧气及高纯氮气的制取。现在采用双塔流程的空分装置制取高纯度氧氮气产品很困难，其中高纯度氮气产品制取的困难在如何提高下塔的液氮纯度，而下塔液氮受限于下塔理论塔板数及实际回流液气比（理论塔板数一般在45块左右，而回流液气比则无法提高，下塔回流液气比提高必然导致富氧液空中的氧含量降低，送上塔的液氮数量减少，使空分装置的氧提取率下降代价太高），则只能采用从上塔顶部引出气氮深冷压缩后进入设置在液氮或富氧液空入口处的冷凝器中冷凝为液氮，过冷后送至上塔顶部作为回流液，这样氮气产品纯度就不再受限于下塔来的液氮纯度和数量。制取高纯度氧气产品同样也可以通过增加氧氩混合气体为循环工质冷凝器设置在空分塔底部的开式热泵，提高空分塔提馏段的回流气液比，从而可以在理论塔板数不变的情况下，提高氧气产品纯度。这样的氧氩混合气体为循环工质的开式热泵一般来说压缩比都很小，适合采用深冷压缩工艺方案。
  r0 \, {# x) Z! ^& k   二是在需要调整空分装置的液体产品数量的时候。新单塔流程的双热泵基本工艺方案，无论是氮气冷凝嚣设置在空分塔底部上的第一个方案，还是氮气冷凝器设置在空分塔液空入口处的第二个方案，其液体产品数量都在5%以上(占氧气产量，如果对新单塔标准工艺方案进行优化，将占空气数量5%-10%的空气增压至38bar，用于液化则可以大幅度提高新单塔流程标准工艺方案中的开式热泵一膨胀制冷液化效率，在其它工艺参数不变的情况下，大幅度增加液体产品数量)，而如果产品方案要求液体产品数量接近于零，那么就需要采用深冷压缩以降低空分装置的液体产品数量！
   总而言之，用于精馏过程供冷供热的开式热泵循环工质气体的压缩只有相对于复热常温压缩有利的情况下才能选择深冷压缩。至于是采用复热常温压缩还是选择深冷压缩需要根据空分装置的产品方案及具体情况比较后作出选择。
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