外行学空分（273）一一开式热泵精馏的有效能效率（二）

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   环境温度以上的精馏过程，除了标准常规精馏工艺方案外，还有所谓双效精馏及多效精馏工艺方案，以及在标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵技术工艺方案。其中双效精馏及单热泵技术精馏工艺方案是常见的，而多效精馏及多热泵精馏技术运用的工艺方案是少见的，原因在于标准常规精馏工艺方案由于二元混合物组成的不同，在标准常规精馏工艺方案下往往造成提馏段和精馏分的回流气液比和回流液气比严重不协调，需要大幅度升高再沸器蒸汽加入量和冷凝器冷却水用量（如果是完全自热精馏工艺方案的单开式热泵供冷供热精馏则需要大幅度提高开式热泵循环工质压缩量）才能同时保证高低沸点产品纯度达标，导致精馏过程有效能效率降低（变化范围很大，因精馏原料组成不同及高低沸点组分产品纯度要求不同而变化，理论塔板数有限又加大了变化的范围），双效精馏通过高压塔底部高低沸点混合液体组成的优化，标准常规精馏基础上的单热泵工艺方案通过单热泵循环工质组成及循环量的优化选择，协调了二元物系精馏塔（双效精馏的低压精馏塔）精馏段回流液气比和提馏段的回流气液比，大幅度降低了再沸器蒸汽和冷凝器冷却水消耗量，在无限理论塔板数及最小回流比下，精馏塔有效能效率已经稳定达到80%以上，实际工程条件下（有限理论塔板数，实际回流比下，产品纯度没有特殊要求的）一般情况也已经达到70%！相对于标准常规精馏工艺方案，精馏效率已经大幅度升高，再进一步采用多效精馏和多热泵精馏工艺方案节能的潜力已经不大，采用多效精馏和多热泵精馏的必要性降低，同时在实际工程条件下，由于冷凝器换热温差的存在，增设的开式热泵的供冷供热效率也会大幅度降低，开式热泵精馏总效率的提高就更有限了，只有理论塔板数不足又要制取高纯度产品的时候才会进一步采用多效精馏和多热泵精馏工艺方案。
     空分装置属于远低于环境温度的精馏过程，唯一可行的精馏工艺方案是完全自热的开式热泵供冷供热精馏工艺方案（理论上闭式热泵精馏工艺方案也是可行的，但无论工程上还是能耗上均不利）。当然也就不可避免带来精馏启动和冷量平衡（热量平衡，本质上是深冷液体盈亏）的问题，使空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案成为了空分装置的必要组成部分，但这是无可奈何的事！因为除此之外无路可走！对于深冷空分而言，空气开式热泵一膨胀制冷液化部分的作用相当于环境温度以上单热泵及多热泵精馏过程中保留蒸汽再沸器和冷却水冷凝器，是为了精馏过程的启动和冷热量平衡（气液平衡，深冷液体平衡），当然在特殊情况是也可以通过输入深冷液体的方案代替开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案。
3 t: |* Z! \9 o' i/ d! D  ~    正如环境温度以上的精馏过程标准常规精馏工艺方案可能由于精馏段回流液气比和提馏段回流气液比严重不协调一样，环境温度以下的标准常规开式热泵精馏工艺方案（以低沸点组分为循环工质的单热泵精馏工艺方案）也存在同样的问题。一般情况下需要增加一个以精馏原料气或精馏中间组分为循环工质的开式热泵形成双热泵精馏工艺方案，才能使开式热泵精馏的精馏过程效率与双效精馏和标准常规精馏基础上的单热泵工艺方案（其实相当于双热泵精馏工艺方案，其中蒸汽再沸器和冷却水冷凝器除了精馏过程启动和热量平衡的作用外，事实上也构成一个热泵）的精馏过程效率相当。最简单方便的工艺方案就是以低沸点组分和精馏原料气为循环工质冷凝器均设置在空分塔底部的双热泵工艺方案。
    开式热泵精馏的总效率是开式热泵供冷供热效率和精馏效率的乘积。开式热泵供冷供热给精馏过程输入卡诺功温差有效能（不是热量和冷量，当然也可以说同时输入热量冷量且两者数量相等是温差有效能卡诺循环功），卡诺功温差有效能转化为二元混合物的分离功。开式热泵供冷供热的效率是开式热泵输出的卡诺功温差有效能和开式热泵循环工质复热常温压缩功的比值。而精馏效率则是精馏过程得到的分离功和输入的温差有效能即所谓的卡诺功的比值。开式热泵精馏效率当然是开式热泵效率和精馏过程效率的乘积。如果是双热泵或多热泵精馏工艺方案。则开式热泵精馏总效率是开式热泵供冷供热加权平均有效能效率和精馏过程有效能效率的乘积。

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如果对精馏过程有效能效率的影响因素没有基本的认识，没有对开式热泵有效能效率的影响因素没有基本认识，那么对于空分装置的开式热泵精馏有效能效率认知就可能出现非常大的误差。例如我们既看到认为空分装置上下塔有效能效率90%以上的文献，也看到认为空分装置精馏有效能效率只有20%的文献，两者之间的差距竞达到4倍以上，真是不知道说什么好！