外行学空分（316）一一深冷空分的基本原理一一开式热泵和闭式热泵

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     深冷空分装置的核心是空气深冷条件下精馏分离，利用氧氩氮气体的沸点及挥发度的不同通过精馏实现氧氩氮组分的分离，而空气的深冷液化则是使空气处于气液共存状态从而使精馏过程得以实现的必要前提条件。
$ h: I/ h3 X% Y- S2 n: c. |    利用不同组分的沸点及相对挥发度的不同实现液体混合物中的不同组分的分离是一个古老的技术，是液体混合物不同组分物质分离的基本方法之一。在手工业时代主要用于蒸馏酒和香精的提取，这是精馏技术发展的第一阶段，是精馏技术的原型前史。从技术特征而言可称为蒸馏一冷凝技术阶段，通过燃烧加热产生水蒸汽，水蒸汽使混合物中沸点低的物质组分蒸发进入水蒸汽中，含有低沸点组分的水蒸汽经水冷或者风冷冷凝为含有低沸点组分的液体（水溶液），从而得到一定浓度的低沸点组分水溶液（含有较高比例的水），在蒸馏一冷凝技术阶段无法通过一次蒸馏一冷凝使水和低沸点组分完全分离，得到纯度较高比低沸点组分水溶液。得到的低沸点组分产品中总是含有较高比例的水分。反之蒸馏残液（水）中也总是含有较大比例的低沸点组分，相应低沸点组分（例如酒精和香精）的提取率也较低！如果需要获得更高纯度的低沸点组分产品及更高的低沸点组分产品提取率就需要多次重复进行蒸馏一冷凝过程。对于多次重复蒸馏一冷凝过程的描述，可以参阅深冷空分教科书中的液空的多次蒸馏和冷凝最终得到少量液氧的内容，但深冷空分教科书中的内容只是对蒸馏一冷凝技术的简单模份，在现实中是不可能发生的，只是一个想象中的过程，是一个思想试验。
2 N  v/ _$ Q* r! [) Y    如果说蒸馏一冷凝技术只是利用不同组分沸点和挥发度不同实现不同组分精馏分离的精馏技术原型前史，那么进入工业化时代后，就发展出了更为先进完善的精馏技术，是蒸馏一冷凝技术的升级版。精馏技术相对于技术原型前史一一蒸馏一冷凝技术的主要改进有以下内容。
    一，蒸馏和冷凝过程统一采用公用工程蒸汽和冷却水实现精馏过程加热和冷却一一供热供冷，其中通过蒸汽再沸器间接加热使精馏塔底部的高沸点组分液体蒸发气化作为回流上升气（回流提馏气），未蒸发气化的高沸点组分液体则从精馏塔底部引出与精馏原料混合液体换热后作为高沸点组分产品。通过冷却水冷凝器间接供冷（移出热量）使精馏塔顶部低沸点组分气体冷凝，其中一部分作为精馏塔回流液，一部分引出精馏塔与精馏原料混合物液体换热后作为低沸点组分产品。蒸汽和冷却水等公用工程为大规模工业化生产创造了前提条件。同时也使精馏技术适用于水溶液之外的不同组分混合物液体的分离，而在蒸馏一冷凝阶段一般而言仅限于实现水溶液中的低沸点组分（例如酒精和香精）的分离提取。
1 R: U4 S7 G' J& A    二，将蒸馏罐改进为精馏塔，在精馏塔内部增加填料和塔板从而强化高低沸点组分的气液相的热质交换，同时增加低沸点组分液体作为回流液（蒸馏段本来就有回流，又称为提馏气或回流气具体而言就是水蒸汽或者高沸点组分气体），把为了得到较高提取率及较高纯度高低沸点组分产品而需要多次重复进行的蒸馏一冷凝过程整合在一个精馏塔中完成（一块理论塔板数相当于一次蒸馏一冷凝过程），从而可以在精馏塔底部和顶部分别得到符合纯度要求的高低沸点组分产品（理论上在无限理论塔板数下高低沸点组分的纯度可以达到100%，但由于理论塔板数有限，产品纯度实际上有一个上限，这个产品纯度既决定于实际理论塔板数也决定于实际回流比，其中塔顶低沸点组分纯度决定于精馏段理论塔板数和实际回流液气比或者低沸点组分产品回流比，塔底部高沸点组分纯度决定于提馏段理论塔板数及提馏段实际回流气液比及对应的高沸点组分产品回流比，同样理论上高低沸点组分的提取率也都可以达到100%，但受理论塔板数有限及实际回流比的限制，高低沸点组分产品提取率既决定于理论塔板数也决定于实际回流比。蒸馏一冷凝技术向精馏技术的升级实际上就是把需要重复进行的蒸馏一冷凝过程在一个精馏塔中实现，这当然大幅度降低了不同沸点组分的分离能耗，提高了高低沸点组分的产品纯度及提取率。精馏技术成熟后，从理论上说，实现高低沸点组分的完全分离不存在任何的困难，剩下的问题都是理论塔板数和回流比的问题，理论塔板数决定于实际工程条件（如塔阻力，塔高度），而回流比的大小则决定了高低沸点组分精馏分离的能耗即公用工程蒸汽冷却水的消耗。
     为了节约精馏过程的蒸汽冷却水等公用工程的消耗，在标准常规精馏技术的基础上又发展出了双效精馏及多效精馏和单热泵及多热泵精馏技术，其中单热及多热泵技术中运用的就是以精馏中间产物气体（和精馏原料高低沸点组分组成不同的高低沸点气相组分混合气）为循环工质的开式热泵而不是常规标准的闭式热泵，从精馏塔引出的高低沸点组分混合气体加压后进入设置在精馏塔底部与蒸汽再沸器并列的压力循环工质气体冷凝器（压力循环工质气体冷凝器也可以设置在精馏塔中的其它位置，但以设置在精馏塔底部与蒸汽再沸器并列最为常见）中冷凝为液体，同时冷凝放出的冷凝潜热使精馏塔底部的高沸点组分液体蒸发气化，在精馏塔底部压力循环工质气体冷凝器中冷凝的液体送至精馏塔合适的位置节流减压后作为回流液，从而大幅度降低了公用工程蒸汽冷却水的使用量，有关的内容可以参阅精馏技术教科书或前面的相关帖子。
     如果认真研究标准常规精馏过程的热量平衡进出情况，我们就会发现精馏过程中如果精馏原料和精馏产品同是液相（环境温度以上的精馏过程就是这样的情况），那么蒸汽再沸器的蒸汽加热输入的热量等于冷却水冷凝器的冷却水移出的热量，蒸汽再沸器输入的热量完全被冷却水冷凝器中的冷却水移出！精馏过程本身并不消耗热量或者冷量，或者说精馏原料液体的焓值和精馏产品的焓值之和差距微乎其微基本上是一个等焓过程。理论上标准常规精馏过程的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器完全可以用一个以水蒸汽或者其它物质为循环工质的闭式热泵替代而并不影响精馏过程的实现和效果。从有效能角度来说，精馏过程消耗的是蒸汽再沸器和冷却水冷凝器输入的温差有效能卡诺功，蒸汽再沸器和冷却水冷凝器或者开式热泵输入的实际上是温差有效能卡诺功，温差有效能卡诺功转化为分离功！
      深冷空分精馏过程因为是在深冷温度下才能实现的精馏过程，当然无法采用环境温度以上的标准常规精馏和双效精馏及多效精馏及标准常规精馏基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案（它们都需要蒸汽再沸器和冷却水冷凝器），只能是所谓完全自热的精馏过程即完全彻底开式热泵供冷供热的精馏过程。开式热泵供冷供热精馏技术在环境温度以上的精馏过程运用已经非常成熟，但环境温度以上的精馏过程一般不采用完全自热精馏供冷供热方案即完全彻底的开式热泵精馏过程而只采用标准常规精馏基础上的单热泵及多热泵技术对标准常规精馏过程进行改进从而降低精馏过程的公用工程蒸汽冷却水消耗，其原因在于如果采用完全自热精馏方案则精馏过程的启动及热量平衡（深冷空分对应的是冷量平衡，其实也就是热量平衡，是基于热力学第一定律的功一焓恒等式）将成为一个大问题难以解决，只要想一想深冷空分装置从启动到出产品投入运行需要历时几天的时间，为什么环境温度以上精馏过程只采单热泵及多热泵技术而不采用完全自热的彻底开式热泵精馏方案也就一目了然了。但是对于深冷气体混合物（例如空气）而言，采用完全自热的彻底开式热泵精馏方案是深冷条件下的精馏唯一可行精馏供冷供热组织方案，也就没有选择的余地，至于精馏的启动和所谓的冷量平衡只能通过空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案来加以解决。
2 A3 f% D2 i# `% }, o     在精馏过程中运用的开式热泵（包括环境温度以上的精馏过程的单热泵及多热泵精馏技术中运用的热泵）有以下的几个特点，
     一，开式热泵的循环工质是精馏原料气，精馏中间产物及低沸点组分（这个和环境温度以上的单热泵及多热泵技术中的热泵并无不同，只是多了个精馏原料气作为开式热泵循环工质，而在组分沸点在环境温度以上的精馏过程，精馏原料星液态，一般不能作用供冷供热开式热泵的循环工质）。从而在理论上可以不受限制地为任何组分混合物的精馏过程实现供冷供热。
   二是开式热泵不但和精馏过程有热的交换而且有物质交换。这就形成开式热泵供冷供热方式的复杂变化。好处是相对于以精馏原料，精馏中间产物及低沸点组分为循环工质的闭式热泵效率更高更加简便！坏处是理解掌握上变得相当困难。相关内容可以参阅前面的帖子一一开式热泵和闭式热泵！从理论上说运用于精馏过程的开式热泵完全可以采用闭式热泵的形式，两者对精馏过程而言是完全等效的，但闭式热泵相对于开式热泵而言，增加了一个循环工质低压液体蒸发一冷凝器，同时由于减压循环工质液体蒸发一冷凝器换热温差也降低了供冷供热的有效能效率。唯一的好处是易于理解。运用于精馏过程的供冷供热热泵，无论是环境温度以上的单热泵及多热泵精馏技术，还是环境温度以下的完全自热精馏过程即彻底热泵精馏过程都是开式热泵供冷供热方案，有关闭式热泵在精馏过程中运用的文章和探讨完全是对精馏技术发展毫无了解的闭门造车！为发表文章而为毫无实际意义和运用价值。就好象集成电路己经广泛运用的时代，讨论电子管技术的运用。
      深冷空分是第一个实现完全自热精馏过程工业化大规模运用的实际案例，原因深冷空分除了采用完全自热精馏过程即完全彻底开式热泵精馏方案外没有任何可行的精馏供冷供热组织方案。在深冷空分实现大规模工业化生产的时候，什么双效精馏及多效精馏，单热泵及多热泵精馏技术，完全自热精馏技术的理论和实践还完全没有出现，现在单热泵及多热泵精馏技术及完全自热即彻底开式热泵精馏技术在理论和实践上均已成熟，而深冷空分技术人员对此却一无所知，真是前世因缘深厚，今生见面不相识！
     标准常规精馏中的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器可以用一个闭式热泵代替而不影响精馏过程，以精馏原料气，中间产物及低沸点组分为循环工质的闭式热泵优化为开式热泵，从而简化了开式热泵的设备配置，提高了热泵供冷供热效率是理解开式热泵精馏技术的两个关健，前者实际上说明了用热泵供冷供热代替蒸汽再沸器和冷却水冷凝器的可行性，后者则带来了热泵精馏（开式热泵精馏）的复杂变化。
2 S: p( I! S% r: W% A      深冷空分装置中还有另外一个开式热泵，那就是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中的以空气为循环工质的开式热泵，其作用是吸收空分装置返流气的冷量冷能实现压力空气的液化产生液空，用于补偿空分装置的散冷损失，主换热器冷热端换热温差形成的冷量冷能损失及制取液体产品，以而维持空分装置中气液平衡（冷量平衡），保证空分装置的稳态化运行。其性质和作用与用于精馏过程供冷供热的开式热泵是不同的。
( Z& j. J5 }- E* N! y    环境温度以上的精馏过程，精馏原料，精馏高低沸点产品均呈浟态。都可以采用精馏原料加压泵送，公用工程蒸汽，冷却水供冷供热方案实现。精馏过程的蒸汽，冷却水消耗就是精馏过程的能耗（理论上还需要加上精馏原料泵送加压功耗，但数量很小）。如果采用单热泵及多热泵精馏工艺方案，则是蒸汽，冷却水消耗，加上精馏原料加压泵送功耗和单热泵及多热泵循环工质压缩功耗！
, z5 Z: y* C1 J6 k: A. P& j   空气是组分沸点远低于环境温度的近似氧氮氩三元物系，空气精馏过程是氧氩氮三元物系精馏过程。真精馏工艺方案的组织需要解决三个问题，一是氧氩氮三元物系依次精馏组织方案及隔板模型优化组织方案。二是氧氩氮三元物系精馏过程供冷供热方案。三是为了创造精馏过程气液共存状态的前提条件，补偿空分装置的散冷损失及精馏原料气和精馏产品换热温差形成的冷量冷能损失及制取液体产品的空气液化工艺方案。其中供冷供热方案是开式热泵供冷供热方案，空气液化方案是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案。
    空气精馏分离能耗包括精馏原料空气加压输送功耗，开式热泵供冷供热功耗，为补偿空分装置散冷损失及精馏原料空气与精馏产品氧氩氮气换热温差的空气液化功耗（液体产品液化功耗扣除）。
   如果对热泵及开式热泵的概念和在空气精馏过程中的作用，没有基本的认识，那么就无法建立深冷空分的基本理论框架，而深冷空分教科书竟然无一语涉及热泵更不要说开式热泵了，这样的精馏理论框架还停留在一百多年前，对于一百多年来的精馏理论及技术实践毫无了解！

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    深冷空分是开式热泵精馏过程是一个非常重要的理论问题，这个问题一旦突破，深冷空分技术将进入一个新的发展阶段。

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    环境温度以上的精馏过程和环境温度以下的精馏过程就精馏本身而言并无任何不同。只有深刻认识到所有的深冷空分精馏过程都是开式热泵供冷供热组织方案，才有可能进一步讨论不同开式热泵供冷供热方案的优劣，从而降低深冷空分精馏过程的能耗。

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   所谓双效及多效的本义是蒸汽的双效和多效利用，用于工业制盐的卤水蒸发浓缩。工业制盐中用于卤水蒸汽一般是低压蒸汽，但其冷凝温度往往也比卤水蒸发温度高得多！这样提高卤水蒸发压力，再利用卤水蒸发产生的泛蒸汽加热常压甚至真空压力下的卤水，同样的蒸汽，就可以实现双倍数量的卤水蒸发浓缩，大大节约了卤水蒸发浓缩的蒸汽消耗，称为双效蒸发。所谓的多效蒸发浓缩与此大同小异。后来又发展出了乏蒸汽加压蒸发浓缩技术，这实际上就是以蒸汽为循环工质的开式热泵卤水蒸发浓缩技术。后来这样的技术原型及技术原理也在精馏过程得到了广泛的运用，这就是双效精馏及多效精馏和开式热泵精馏技术的由来！

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双效精馏及多效精馏从供冷供热角度而言，实际上是双热泵供冷供热方案和多热泵供冷供热方案。其中双效精馏的高压精馏塔底部的蒸汽再沸器和高压精馏塔顶部的冷凝器构成一个热泵供冷供热系统，低压精馏塔顶部的冷却水冷凝器和低压精馏塔底部的冷凝一蒸发器构成一个热泵供冷供热方案。

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精馏技术发展发历史的原型阶段是用于生产蒸馏酒，香精的蒸馏一冷凝技术阶段，采用蒸汽一冷却水公用工程实现供冷供热的标准常规精馏工艺方案，单效精馏及多效精馏工艺方案，单热泵及多热泵精馏工艺方案，以及适用于组分沸点在环境温度以下的混合气体的精馏分离的彻底开式热泵精馏工艺方案。深冷空分毫无疑问是彻底开式热泵精馏工艺方案即完全自热精馏工艺方案！

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  空分装置是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案和空气开式热泵精馏工艺方案的联合装置。没有对热泵，开式热泵有基本的认识和理解，就无法建立深冷空分的基本理论框架。对精馏过程的理论认识就还停留在一百多年前！