外行学空分(208)一一双塔流程和双效精馏(二)

Yb2021

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; m0 t. ?+ p* S( l5 q     组分沸点在环境温度以上的二元物系精馏分离经历了蒸馏冷凝，标准常规精馏，双效精馏及多效精馏，单热泵及多热泵精馏三个发展阶段。前两个阶段二元物系精馏分离的能量均来自蒸汽冷却水，而进入单热泵及多热泵精馏阶段后，理论上已经可以实现完全自热精馏即完全不用消耗蒸汽冷却水的精馏过程，二元物系的精馏分离的能量完全来自热泵循环工质压缩机的压缩功耗。但在实际上，如果完全取消蒸汽再沸器和冷却水冷凝器，那么精馏过程启动及热量平衡将成为一个大问题。所以组分沸点在环境温度以上的二元物系一般都在保留蒸汽再沸器和冷却水冷凝器的标准常规精馏工艺方案的基础上，设置一个或多个开式热泵实现蒸汽冷却水消耗的大幅度下降。这就是所谓的单热泵及多热泵精馏技术，二元物系的单热泵及多热泵精馏过程都是在一个常压精馏塔中完成的（也不排除特殊情况下采用加压精馏塔），这也是单热泵及多热泵技术和双效精馏及多效精馏的最大不同。从双效精馏及多效精馏的观点来说，标准常规精馏过程可以认为是单塔单效精馏。多效精馏过程的能耗一般低于双效精馏而双效精馏的能耗一般来说又低于单塔单效精馏即标准常规精馏过程。其原理在于高品位蒸汽的多次利用及精馏过程效率的提高（即高品位蒸汽双效和多效利用，这里的高品位蒸汽只是相对而言）这其实很好理解，如果不是如此，又何必多此一举增加精馏塔而使流程复杂化及提高精馏工程造价呢！
' V% F7 @0 j* Z( e, q9 h9 l) o, N    在低沸点组分及高低沸点混合气体的热泵压缩机设计制造问题解决后，双效精馏及多效精馏就被单热泵及多热泵精馏所取代，一方面精馏流程简化，同时也更有利于提高精馏效率（供冷供热效率提高即虚拟热泵有效能效率提高），另一方面以一台热泵压循环工质缩机代替一个高压精馏塔也降低了工程造价，当然更重要的在于降低了精馏过程的能耗。一般来说，一个以低沸点组分为循环工质的热泵加一个以高低沸点组分混合气体为循环工质的热泵，理论上就可以实现完全自热精馏过程，之所以仍然保留蒸汽再沸器及冷却水冷凝器，只不过是为了精馏过程的快速启动及调整精馏过程的热量平衡（本质上是气液平衡）。
  当双效精馏向单热泵及双热泵精馏转换时，我们会发现一个问题，当我们以双效精馏高压塔底部的混合液体组分相同的混合气体作为开式热泵循环工质的时候，这个热泵的合理循环量比双效精馏塔高压塔混合液体的数量要小，而低沸点组分为循环工质的开式热泵其循环量大于双效精馏高压塔送至低压塔顶部的低沸点组分液体数量。而精馏塔精馏段上升气的数量及精馏塔顶部冷凝器的冷凝量等于标准常规精馏塔精馏段上升气数量及冷凝器冷凝量大于双效精馏低压塔精馏段上升气数量及双效精馏低压塔顶部冷凝器的冷凝量，其差距是双效精馏中高压精馏塔送至低压塔顶部的低沸点回流液的数量。
    空气组分氮氩氧沸点都远远低于环境温度，既无法采用标准常规精馏也无法采用双效精馏及多效精馏，深冷空分双塔流程当然也不可能是什么双效精馏流程（工艺方案），但在开式热泵精馏理论和技术出现之前，将双塔流程称为双效精馏是最接近最贴切的，但也仅此而已！现在我们讨论一下深冷空分中的所谓双塔流程和双效精馏的异同，相同的地方在它们都有两个压力不同的精馏塔，略有不同的是双效精馏的两个压力不同的精馏塔都是完整的精馏塔。而双塔流程中只有上塔是完整的精馏塔，而下塔则是氮气（空气）冷凝塔！其次双效精馏和双塔流程一样，高压塔和低压塔之间都有一个冷凝器，高压低沸点组分在其中放热冷凝，低压高沸点液体组分在其中吸热气化。最后双效精馏的低压塔和双塔流程的上塔都有两个来自高压塔(下塔)的回流液，一个是低沸点组分液体，一个是高低沸点混合液体。应该说它们之间的相似性达到90%以上！
    空气组分氮氩氧的沸点都远远低于环境温度，不可能采用标准常规精馏或者双效精馏及多效精馏实现精馏分离。唯一可行的只能是完全自热精馏流程即开式热泵精馏流程！所有的二元物系精馏分离都有三个完全自热精馏流程即开式热泵精馏流程！分别是以低沸点组分为循环工质的开式热泵精馏流程，一个是以精馏原料为循环工质的开式热泵精馏流程，一个是以精馏原料为循环工质通过一个高压塔实现一拖二热泵转换的开式热泵精馏流程。其中第一个及第二个流程对应的都是标准常规精馏过程，只不过以氮气或空气热泵代替了蒸汽再沸器和冷却水冷凝器而已！第三个流程(深冷空分中称为双塔流程)当然也以空气一拖二热泵代替了蒸汽再沸器和冷却水冷凝器，但其精馏过程对应的却不是标准常规精馏，甚至也不是单热泵或双热泵精馏。这是一个非常特殊的情况。其特殊情况是下塔不是一个完整的精馏塔而是一个冷凝塔。
    二元物系的完全自热精馏流程即开式热泵精馏流程都有三个单热泵精馏流程（其中有一个是一拖二热泵)对应于深冷空分就是新单塔流程，古典单塔流程和双塔流程，在深冷空分教科书及一般深冷空分技术人员中只认识到有古典单塔流程和双塔流程，对新单塔流程则一无所知，而新单塔流程实际上是标准常规开式热泵精馏流程！而对古典单塔流程和双塔流程的比较也仅限于氧提取率及能否同时制取氧氮气产品，完全没有讨论其能耗的优劣。

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在热泵精馏理论出现之前，将双塔流程称为双效精馏是比较贴切的，但在热泵精馏理论及实践出现之后就不合适了！