外行学空分（319）一一空分基本原理一一单热泵及多热泵

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+ m; h  X( Z. \5 b' H9 U     精馏过程是利用物质的沸点和挥发度的不同实现不同物质的分离过程。精馏过程的有效能效率是精馏过程完善程度的指标，有效能效率越高，精馏过程越完善能耗越低。
1 T) A  w4 U; o8 F# p3 {8 m" r. r    精馏过程的有效能效率是精馏产品最小分离功和实际分离功（精馏过程的有效能输入值）的比值！在精馏产品不变（包括产品数量和纯度）的情况下，精馏过程有效能效率越高则需要输入的有效能（实际分离功）越小，精馏过程能耗越低。
     空分装置的原料是取之不尽的空气，是不需要成本的，因此空分装置的最主要甚至唯一的变动成本就是能耗成本，对于空分装置的优劣而言，能耗是关健性甚至唯一的指标。这一点和一般的精馏装置是很不同的，一般的精馏装置精馏原料成本总是占变动成本的一大部分，而能耗成本虽然也占一定的比例但并不是唯一的变动成本，甚至不是主要的变动成本。
" [) u6 R" N! o+ i     空分装置是空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化的联合装置（有时还有所谓的内压缩），毫无疑问空气开式热泵精馏是空分装置的核心部分，空气开式热泵精馏实际上可以分为两个部分，一是开式热泵供冷供热输入温差有效能卡诺功部分，可以视为精馏过程人造的公用工程（代替组分沸点在环境温度以上的精馏过程的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器输入温差有效能卡诺功），二是精馏过程的本位部分，包括精馏原料空气的输送，纯化，精馏分离，精馏原料空气与精馏产品（氧氩氮气）换热过程。其中精馏本体部分的能耗比例很小，如果不考虑精馏本位部分的精馏原料空气的输送，纯化的压缩功耗（所占比例较小）那么开式热泵供冷供热精馏的能耗就是供冷供热开式热泵循环工质的压缩功耗，开式热泵精馏的有效能效率等于开式热泵供冷供热有效能效率和精馏本体有效能效率的乘积！
       运用于精馏过程供冷供热的开式热泵以精馏原料，精馏中间产物，精馏低沸点组分为循环工质的，在极限工程条件下（无正返流阻力，无换热温差），开式热泵供冷供热有效能效率等于开式热泵循环工质等温压缩效率。但在实际工程条件下，不同的循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率是不同的，循环工质压缩比越大的开式热泵正返流阻力和冷凝器换热温差对开式热泵的有效能效率影响越小，实际开式热泵供冷供热有效能效率越高！以开式热泵冷凝器设置在精馏塔底部的情况而言，开式热泵循环工质的组分越接近纯低沸点组分则在同样设备性能参数及实际工程条件下，开式热泵循环工质压缩比越大供冷供热有效能效率越高，反之开式热泵循环工质的组分越接近纯高沸点组分，则开式热泵循环工质压缩比越小，供冷供热有效能效率越低！之所以产生这样的情况，原因在正返流阻力损失和主冷凝器换热温差损失。
     精馏本体的有效能效率则和以下的几个因素，一是精馏塔的理论塔板数，理论塔板数越多，则给定产品纯度下，精馏过程需要的供冷供热量越小（表现为精馏段回流液气及提馏段回流气液比越接近最小回流液气比和最小回流气液比），二是供冷供热方案，如果采用单开式热泵供冷供热方案，那么精馏本位有效能效率受精馏原料中的高低沸点组分比例影响很大，高低沸点组分比例越接近（精馏原料呈气态时，与精馏原料气呈平衡状态的液相组成），则精馏本体有效能效率越高，而高低沸点组分比例偏差越大，精馏本位有效能效率越低！三是单热泵供冷供热方案还是双热泵及多热泵供冷供热方案。如果在极限工程条件下，无限的理论塔板数加上无限多不同高低沸点组分比例的开式热泵供冷供热方案设置可以实现精馏本体过程的完全可逆即精馏本体有效能效率等于100%！在实际工程条件下，只要采用以低沸点组分和精馏原料为循环工质的双开式热泵供冷供热方案，则精馏本体有效能效率一般可以达到70%-80%！如果采用多开式热泵供冷供热方案则可以达到更高的精馏本体有效能效率。但在一般情况下，考虑精馏本体有效能效率和开式热泵供冷供热方案的简化及加友开式热泵供冷供热有效能效率，一般只采用双开式热泵供冷供热方案（其中以低沸点组分和精馏原料气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案是最常见的），只有在制取高纯度产品时才会考虑采用三开式热泵甚至多开式热泵供冷供热方案！当采用多开式热泵供冷供热方案时，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本体有效能效率的乘积，虽然在实际工程条件下多开式热泵供冷供热方案的加权平均有效能效率低于以低沸点组分为循环工质的开式热泵供冷供热方案，但显著提高了精馏过程本体有效能效率，开式热泵精馏有效能效率仍然会提高，具体情况需要根据情况综合考虑。以上的叙述都是二元物系在一个精馏塔中完成精馏过程而言，至于三元物系和多元物系的依次精馏近似二元物系精馏塔也是同样的道理。
! C# O4 h9 N6 m! c      在环境温度以上的精馏过程，前帖已经说过采用公用工程蒸汽冷却水供冷供热标准常规精馏工艺方案，理论上可以用以水蒸汽为循环工质的常规闭式热泵代替蒸汽再沸器和冷却水冷凝器实现精馏过程的供冷供热并不影响精馏本体的精馏效果一一高低沸点组分产品数量和纯度。但环境温度以上的精馏过程，往往只是大工业（化工）装置的一个组成部分，只占变动成本很小的一个比例！精馏过程能耗高低对大工业装置的影响并不大！环境温度以上的精馏过程，考虑的核心问题是精馏装置的可靠性及启动的方便性，能耗往往并不是考虑的重点。即使需要考虑精馏过程的能耗，也可以采用双效精馏及多效精馏和标准常规精馏工艺方案基础上单热泵及多热泵精馏技术，而不会采用完全自热彻底开式热泵供冷供热精馏工艺方案，这样就兼顾了精馏过程能耗及精馏工艺方案的简化启动的方便！
    空气开式热泵精馏唯一的工艺方案是彻底的开式热泵精馏工艺方案，精馏过程的能耗又是唯一的评价空分装置优劣指标！那么多开式热泵精馏技术的运用就是必须的供冷供热技术方案。当然必须综合考虑各方面因素后选择决定。
    环境温度以上的精馏过程之所以采用双效精馏及多效精馏和单热泵及多热泵精馏技术方案，正是通过精馏过程供冷供热方案的改进提高精馏过程的有效能效率，降低精馏过程的能耗，当然同样适用于空气开式热泵精馏过程。
      以上的讨论仅限于二元物系的精馏过程，对于多元物系的精馏过程，原则上必须分解为多个近似二元物系精馏过程，每个近似二元物系精馏过程都存在单热泵及多热泵技术供冷供热方案优化的问题。如果多元物系的精馏过程只有一个开式热泵供冷供热，当然也是可行的，正如环境温度以上的多元物系精馏过程可以只采用一种规格的蒸汽和冷却水一样，开式热泵压力循环工质气体其作用相当于蒸汽，它的冷凝潜热可以给不同的近似二元物系精馏过程实现供热，它的低压循环工质液体的蒸发气化可以实现近似二元物系精馏过程的供冷！只不过需要增设压力循环工质气体冷凝一蒸发器，其作用相当于环境温度以上精馏过程的蒸汽再沸器，需要增设减压后的开式热泵循环工质液体蒸发一冷凝器，其作用相当于环境温度以上精馏过程的冷却水冷凝器。具体内容可以参阅后面的常规闭式热泵，开式热泵，一拖多开式热泵的相关系列帖子。
( r: I' m# U" g0 J; g/ l0 d  s" c   目前所谓双塔流程的空分装置全装置有效能效率只有25%-30%（实际上比这个数据低得多），在这样的情况下，有的专家认为空分装置能耗的降低（有效能效率提高）有赖于设备性能参数和实际工程条件的进一步改进！设备性能参数的改进，对空压机而言极限等温效精馏80%（目前约70%），实际工程条件的改进，极限的状况是无阻力无换热温差无散冷损失。这样情况下对于所谓的双塔流程空分装置。空压机的出口压力3.7bar，85%的压力空气进入下塔。空分装置中有效能效率可以达到40%-50%！而在压缩等温效率80%下，极限工程条件下，多热泵精馏有效能效率可以达到70%以上！期间的差距是什么原因？

   完全可逆的精馏过程是一个非常重要的理论模型，对于提高精馏过程有效能效率降低精馏过程能耗有非常重要的指导意义。

   环境温度以上的精馏过程之所以采用单热泵及多热泵精馏工艺方案，并不是仅仅开式热泵循环工质压缩功替代了精馏过程蒸汽消耗，更重要的意义在于精馏过程供冷供热方案的改进（单热泵及多热泵技术），一方面提高了供冷供热效率，一方面提高了精馏本位部分的有效能效率（精馏效率）。其中双效精馏和多效精馏和单热泵和多热泵技术对精馏本体有效能效率的提高作用是一样的。

精馏能效率最重要的部分是供冷供热能耗，环境温度以上的精馏过程供冷供热能耗是蒸汽，冷却水消耗，对于空气精馏而言，唯一可行的供冷供热方案是开式热泵供冷供热方案，供冷供热开式热泵循环工质压缩功耗就是空气精馏的精馏能耗。

   精馏过程的能耗包括三个部分，一是精馏原料输送功耗（用于克服精馏原料与精馏产品换热阻力损失，精馏塔阻力损失），二是精馏原料上精馏产品换热温差及精馏系统散冷散热形成的热量热能，冷量冷能损失（组分沸点在环境温度以上的精馏过程，表现为蒸汽耗的增加，组分沸点在环境温度以下的精馏过程表现为液体产品的损耗减少），三是供冷供热能耗（组分沸点在环境温度以上表现蒸汽，冷却水消耗，组分沸点在环境温度以下的精馏过程表现为供冷供热开式热泵循环工质压缩功耗）！毫无疑问其中供冷供热部分的能耗占精馏能耗的绝大部分！
   至于完全自热精馏工艺方案即彻底开式热泵精馏工艺方案而言，单热泵精馏工艺方案只有两个，一是以低沸点组分氮气为循环工质的开式热泵供冷供热精馏工艺方案，二是以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案！至于多热泵精馏工艺方案就丰富多彩了！多热泵精馏工艺方案相对于单热泵精馏工艺方案，在相同产品方案下，可以大幅度降低多热泵循环工压缩总功耗（相对于单热泵精馏工艺方案），从而降低精馏过程能耗！

目前所谓双塔流程的空分装置全装置有效能效率只有25%-30%！是设备性能参数还是实际工程条件的问题，还是有其它的原因。