外行学空分(207)一一双塔流程和双效精馏（一）

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' f0 h4 h3 H. n& `    对于沸点在环境温度以上的二元物系的精馏分离，二元物系的标准常规精馏工艺方案是一个单级常压精馏塔（多元物系的精馏工艺方案至少需要n-1个精馏塔，每个精馏塔都是一个近似二元物系的精馏塔），精馏塔底设置蒸汽再沸器，用蒸汽加热精馏塔底的高沸点组分的液体使之蒸发气化成为提馏段回流上升气，余下的高沸点组分液体从精馏塔底部引出在换热器与加压泵送的精馏原料液体换热后作为产品引出。精馏塔顶部设置冷却水冷凝器，冷却水冷却使精馏塔顶部的低沸点组分气相冷凝，一部分作为精馏回流液，一部分引出在主换热器与精馏原料液体换热后作为产品引出。精馏塔顶部设置冷却水冷凝器，冷却水冷却使精馏塔顶部的低沸点组分气体冷凝为液体，一部分回注精馏塔作为回流液，一部分作低沸点组分液体在换热器与精馏原料液体换热后作为低沸点组分产品引出。呈液态的精馏原料液体经泵加压后和返流的高低沸点液体精馏产品换热后进入常压精馏塔中部。蒸汽加热的热量和冷却水冷却带走的热量几乎完全相等。蒸汽再沸器和冷却水冷凝器本质上构成一个热泵，给精馏过程提供温差有效能即逆卡诺功，而精馏过程得到的是二元物系的分离功。两者的比值即是精馏过程的有效能效率一一精馏效率，而精馏过程得到的温差有效能和蒸汽冷却水有效能之和的比值是供热供冷有效能效率一一虚拟热泵效率。精馏过程总效率等于精馏效率和虚拟热泵效率的乘积！
    标准常规精馏过程的精馏效率和供热供冷效率（虚拟热泵效率）一般情况下都很低，蒸汽冷却水消耗很大，主要的原因有以下几个，一是蒸汽冷凝温度和精馏塔底部高沸点组分液体沸点相差很大（如果使用高品位蒸汽，蒸汽需要节流减压进入蒸汽再沸器，极大降低了蒸汽再沸器的供热有效能效率），冷却水也需要有很大的功耗，和精馏过程实际得到的温差有效能即逆卡诺功之间有一个很大的折扣即虚拟热泵效率很低。二是由于标准常规精馏工艺方案本质上相当于以低沸点组分气体为循环工质的单热泵精馏工艺方案，在精馏原料中的高低沸点组分比例差距很大的情况下，精馏过程的精馏效率很低。其中第一个原因在高低沸点组分沸点相差很小的时候特别突出！第二个原因在高低沸点组分比例使精馏塔提馏段和精馏段回流气液比和回流液气比严重不协调，理论塔板数较少又要制取高纯产品的时候特别突出。
    为了降低标准常规精馏过程的蒸汽冷却水消耗，发展了双效精馏及多效精馏技术。所谓的双效精馏和多效精馏从本质上说是蒸汽热量的两次或多次利用，最先见于卤水制盐和海水淡化，通过卤水的一次减压或多次减压利用乏蒸汽多次作为加热热源从而大幅度降低卤水制盐的蒸发消耗。对于双效精馏的标准工艺方案简单介绍如下，与标准常规精馏过程相比，双效精馏在两个压力不同的精馏塔（其中一个是接近常压精馏塔）中实现精馏过程。其中高压精馏塔底设置蒸汽再沸器，低压精馏塔顶部设置冷却水冷凝器。高压精馏塔顶部和常压精馏塔底部通过一个换热器相连接，这个换热器既是高压精馏塔的冷凝器，同时又是常压精馏塔的再沸器。高压塔顶部的低沸点组分气体在低压精馏塔底部的再沸器(冷凝器)中冷凝为液相其中一部分作为高压塔的回流液，另一部分减压后送至低压塔作为回流液，同时使低压塔底的液相气化作为提馏回流上升气，同时从常压塔底部引出高沸点组分液体产品。高压塔顶部冷凝的低沸点组分液体减压后和常压精馏塔顶部冷却水冷凝器冷凝的低沸点组分液体汇合后，一部分作为常压精馏塔的回流液，一部分作为低沸点组分液体产品引出。这样连接高压精馏塔和低压精馏塔的冷凝器既是高压塔塔顶冷凝器也是低压精馏塔底部的再沸器和顶部的冷凝器。当然双效精馏根据不同的二元物系的精馏过程特点，有很多适宜性的变化。例如高压塔顶部的气相可以是低沸点组分，也可以是高低沸点混合气体！精馏原料可以全部进入高压塔，也可以分别进入高压塔和低压塔（在这样情况下低压塔底部得到的是高低i沸点组分混合物泵送进入高压塔中部），低沸点产品可以从低压塔冷却水冷凝器取出，也可以从高压塔顶部气相冷凝器取出。高沸点组分可以从高压塔底部取出也可以从低压塔底部取出。可以是高压塔底部的混合液体减压进入低压塔，也可以是低压塔底部的混合液体泵送进入高压塔。以下如不做说明都以标准常规双效精馏为准，即精馏原料泵送进入高压塔中部，高压塔顶部气相为低沸点组分冷凝后一部分作为高压塔的回流液，其余送入低压塔顶部作为回流液或作为产品引出。高压塔底部液体为高低沸点混合液体减压后进入低压塔中部作为回流液，高低沸点组分均从低压塔顶部底部取出。
    对于精馏原料中的高低沸点组分比例差距很大的精馏过程，双效精馏相对于标准常规精馏大幅度降低了蒸汽冷却水消耗！一是利用高压塔顶部气相的冷凝热作为低压塔再沸器的加热源，既减少了蒸汽消耗也减少了冷却水的消耗。二是通过调整高压塔底部的混合液体的高低沸点组分组分比例（其作用相当于二元物系的双热泵精馏工艺方案），协调了精馏过程的提馏段气液比和精馏段液气比，提高了精馏过程效率。但也存在重大的问题，一是使精馏流程复杂化，大幅度提高了工程造价。二是高压塔不利于精馏分离。
      在双效精馏及多效精馏技术的基础上，又发展出了单热泵技术及多热泵技术，双效精馏及多效精馏和单热泵及多热泵精馏技术有着极大的对应性和相似性，但同时也有着非常大的不同。从对应性来说，单热泵及多热泵精馏技术对应双效精馏及多效精馏。从相似性来说，无论是单热泵及多热泵精馏技术还是双效精馏及多效精馏都利用了压力气体的冷凝潜热替代了部分的蒸汽冷却水消耗，都提高了精馏过程的精馏效率。从不同来说，二元物系的精馏分离无论是采用单热泵及多热泵精馏技术，都是单级常压精馏塔（不排除在特殊情况下采用单级高压精馏塔，但这是特殊情况不是一般普遍的情况）！而双效精馏是两个压力不同的精馏塔，多效精馏则是多个压力不同的精馏塔。另外更加重要的是，双效精馏及多效精馏其精馏过程的有效能全部来自蒸汽冷却水（实际上构成一个热泵），而单热泵及多热泵精馏的精馏过程的有效能则大部分来自热泵循环工质压缩功耗，仅有少部分来自蒸汽冷却水(可以完全不消耗蒸汽冷却水，那就是完全自热精馏过程了，是彻底的开式热泵精馏过程)。
   以上的叙述其实都是针对沸点在环境温度以上的二元物系精馏过程，由蒸馏而精馏，由标准常规精馏而双效精馏多效精馏，由双效精馏多效精馏而单热泵及多热泵精馏逐步演进，这其实就是精馏技术的发展历史！

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  深冷空分教科书中描述双塔流程是所谓的双效精馏是对双效精馏概念的误用。