外行学空分（325）一一空分基本原理一一开式热泵精馏（2）

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      前帖总结了精馏技术的发展历史，由蒸馏一冷凝技术原型而标准常规精馏，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标准常规精馏基础上的单热泵及多热泵精馏，由标准常规精馏基础上的单热泵及多热泵精馏而完全自热精馏即彻底的开式热泵精馏！这是一个精馏工艺方案（核心是供冷供热方案的改进）逐步升级完善能耗降低适用范围逐步扩大的精馏技术演进过程。但就精馏本体部分除了蒸馏一冷凝技术原型向二元物系标准常规精馏工艺方案升级以后，实际上再无大变化，变化的是精馏过程的供冷供热方案以及由于供冷供热方案变化而导致的精馏原料输送，换热及精馏塔内上升气，下降液数量，组成的相应变化。
     其中蒸馏一冷凝技术原型升级为标准常规精馏技术，主要是把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实现，其次采用公用工程蒸汽再沸器和冷却水冷凝器间接换热给精馏过程供热供冷，从而扩大了精馏技术的适用范围，可以适用于组分沸点在环境温度以上的二元物系的精馏分离，同时也解决了产品纯度和提取率的问题，理论上无论高低沸点组分产品纯度和提取率都可以无限接近100%！实际能达到的产品纯度和提取率则决定于理论塔板数和实际回流比（分为低沸点组分回流比和高沸点组分回流比，或者精馏段实际回流液气比和提馏段实际回流气液比）！如果高低沸点组分产品的提取率无法接近100%，那么就不是精馏工艺方案而是蒸馏工艺方案或者冷凝工艺方案，当然也是广义的精馏工艺方案但不是严格意义上的精馏工艺方案。空分中的所谓古典单塔制氧工艺方案和古典单塔制氮工艺方案实际上就是空气蒸馏工艺方案和冷凝工艺方案而不是严格意义上的空气精馏工艺方案，其中古典单塔制氮工艺方案没有完整精馏塔的提馏段，古典单塔制氧工艺方案没有完整精馏塔的精馏段，由于不是严格意义上的精馏工艺方案，当然也就无法保证高低沸点组分产品纯度和提取率也不能同时制取氧氮二元物系的高低沸点组分产品产品，这是顺理成章不言自明的。
1 q+ u) o$ b" {+ ?     一个完整的二元物系精馏分离过程，实际上可以分两个分系统，一是精馏本体部分，包括精馏原料的输送，予处理（纯化或者过滤），精馏原料和精馏产品的换热（气一气换热或者液一液换热），精馏塔中高低沸点组分的热质交换精馏分离过程（高低沸点组分的气液热质交换），就精馏本体部分而言，其本身能耗只包括精馏原料输送，能耗是很低的，在极限工程条件下（无阻力，无换热温差，无散热散冷损失）其能耗为零，这样情况下所谓的总精馏能耗实际上就是供冷供热分系统的能耗。二是供冷供热部分，根据供冷供热方案的不同，其中又可分为标准常规精馏工艺方案的蒸汽再沸器供热（输入热量）和冷却水冷凝器供冷（移出热量） ，双效精馏的蒸汽再沸器供热及高压精馏塔顶部压力低沸点组分气相冷凝供热，冷却水冷凝器供冷及高压精馏塔低沸点组分液体和高低沸点组分液体减压后蒸发气化供冷，标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案的蒸汽再沸器供热和压力开式热泵循环工质压力气体的冷凝供热，冷却水冷凝器供冷，减压后开式热泵循环工质液体的蒸发气化供冷。从精馏技术发展历史而言，由蒸馏一冷凝技术原型升级为标准常规精馏工艺方案，主要的变化在精馏本体部分，通过在精馏塔内设置塔板和填料，强化热质交换，增加低沸点组分液体的回流（提馏段在蒸馏一冷凝技术阶段就有回流气，又称为提馏气），实现了在蒸馏一冷凝技术原型阶段需要重复进行的蒸馏一冷凝过程整合在一个精馏塔内完成，每一块理论塔板数相当于一个蒸馏一冷凝过程！从此二元物系精馏分离的高低沸点组分产品纯度及提取率理论上已经不存在任何困难（至于多元物系精馏分离，只要将其分解为多个近似二元物系精馏分离，同样可以得到纯度合格的每个组分产品，并实现接近100%的产品提取率），最终都可以归结为实际理论塔板数（工程条件）和回流比（供冷供热方案能耗）的问题。在标准常规精馏工艺方案阶段为了实现大规模工业化生产，统一采用公用工程蒸汽再沸器和冷却水冷凝器间接换热实现精馏过程的供冷供热。扩大了精馏技术的适用范围（不再和蒸馏一冷凝原型技术一样只适用于乙醇水溶液和鲜花水浸出液，而是适用于所有的二元物系混合物液体精馏分离）。
    标准常规精馏工艺方案和双效精馏及多效精馏，标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案从精馏本体而言并无不同，都是在一个接近常压精馏塔中最终完成高低沸点组分的精馏分离。不同的在于供冷供热方案及精馏原料输送方案的变化！其中双效精馏及多效精馏工艺方案，如果低沸点气体组分及高低沸点气体组分混合气体的压缩不存在机械设计和制造的困难，都可以被标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案所代替升级优化，在精馏产品纯度和提取率不变的前提下，可以把需要在两个或者多个精馏塔完成的二元物系精馏过程在一个精馏塔中实现，从而简化精馏工艺方案及工程造价及进一步降低精馏能耗，这里的关健在于低沸点组分气体和高低沸点沸点组分气体的压缩机械的设计和制造，如无法解决当然只能采用双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是双效精馏及多效精馏工艺方案的升级版。其优劣比较结论是非常明确的，但是由于环境温度以上的精馏过程，高低沸点混合气体和低沸点组分气体的压缩机械设计制造难度很大（光是一个轴封就很难办），所以还能看到双效精馏及多效精馏的实际案例，单热泵及多热泵精馏工艺方案的案例也是常见的，但并没有完全替代双效精馏及多效精馏工艺方案，这主要是热泵循环工质压缩机的设计制造的困难，影响了标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案完全取代双效精馏及多效精馏工艺方案。
    标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案，其精馏过程的供冷供热完全可以由单开式热泵和多开式热泵完成，之所以保留蒸汽再沸和冷却水冷凝器，是为了精馏过程的快速启动和实现精馏过程的热量平衡（本质上是气液平衡）。
2 h- H- l* ]9 k+ q" y  c0 r     空气是组分沸点远低于环境温度的氧氩氮氦氖氪氙混合气体，其中氮气含量约78.4%，氧含量20.7%，氩含量约0.9%，其它气体的含量微乎其微。空气精馏分离一般可视为氧氮二元物系精馏分离过程（氧氩沸点接近，氩视同为氧），在真实空气组成下，如果要求氧气产品纯度达到96%以上，则影响氧气纯度的是氩组分，空气应该作为氧氩氮三元物系进行精馏分离工艺方案的组织，如果要提取氦氖氪氙等微量元素及超高纯度的氧氮气产品，则空气应该视为多元物系进行精馏分离工艺方案的组织。空气氧氮二元物系精馏分离工艺方案，氧氮氩三元物系精馏分离工艺方案，氧氮氩氪氙氦氖多元物系精馏分离工艺方案是完全不同的。氧氮二元物系精馏分离和氧氮氩三元物系精馏工艺方案虽然有重合的部分，但两者不可混为一谈，那样只能制造混乱，无助于问题的讨论。
     对于组分沸点远远低于环境温度的空气精馏分离，当然无法采用标准常规精馏工艺方案（蒸发再沸器供热，冷却水冷凝器供冷），也无法采用双效精馏及多效精馏工艺方案（蒸发再沸器供热和冷却水供冷是双效精馏及多效精馏的必要组成部分），也无法采用标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案（因为蒸汽再沸器供热及冷却水冷凝器供冷既无法实现空气的液化，也无法实现精馏过程的冷量平衡）。只能采用空气开式热泵一膨胀制冷液化方案基础上的完全自热精馏工艺方案即彻底的开式热泵精馏工艺方案！
     空气开式热泵一膨胀制冷液化基础上的氧氮二元物系完全自热精馏工艺方案即彻底的开式热泵精馏工艺方案，共有三个单开式热泵供冷供热精馏根流程（根工艺方案，单开式热泵供冷供热精馏工艺方案），一是以空气为循环工质的单塔单开式热泵供冷供热精馏工艺方案，即深冷空分教科书中的古典单塔制氧工艺方案。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，即深冷空分教科书中的所谓双塔流程，深冷空分教科书中又称为双效精馏工艺方案（这是错误的，是对精馏技术发展历史及其发展过程无知的表现）！三是以富氧空气为循环工质的单开式热泵供冷供热单塔冷凝制氮工艺方案。了解了精馏技术的发展历史，我们很容易想到还存在一个空气开式热泵精馏根流程（根工艺方案），那就是以氮气为循环工质的单塔单开式热泵精馏工艺方案！就精馏本体部分而言和组分沸点在环境温度以上的标准常规精馏工艺方案完全一致，只不过以以氮气为循环工质的开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而已！
# h: x3 M( P! B8 h, b    在组分沸点在环境温度以下的三个根精馏流程（方案）中，只有新单塔流程和双塔流程可以称为氧氮二元物系精馏根流程（方案），而所谓以空气为开式热泵循环工质的单塔单开式热泵的制氧工艺方案和以富氧空气为循环工质的的单塔单热泵制氮工艺方案则是空气蒸馏工艺方案和空气冷凝工艺方案，只是在广义上是空气精馏工艺方案，而不是严格意义上的空气精馏工艺方案（严格意义上的精馏塔必须同时具有精馏段和提馏段，可以实现高低沸点组分的完全分离）。
       深冷空分教科书对空气氧氮二元物系精馏工艺方案的认识完全停留在从蒸馏一冷凝技术原型向精馏技术升级的历史阶段。所以才会出现古典单塔制氮工艺方案和古典单塔制氧工艺方案这样实际上是蒸馏一冷凝技术原型阶段的工艺方案。但同时完全自热精馏工艺方案（供冷供热部分）即彻底开式热泵精馏工艺方案又是非常超前的（是逼上梁山的结果，对于空气精馏分离而言完全自热精馏即彻底开式热泵精馏是唯一可行的供冷供热方案），当时双效精馏及多效精馏和单热泵精馏及多热泵精馏的理论和实践还完全没有出现，更谈不上完全自热精馏即彻底开式热泵精馏的理论和实践了！

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在精馏标准木语中，所谓的标准常规精馏工艺方案就是单效精馏工艺方案，而双效精馏及多效精馏工艺方案也有特定的涵义。

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   精馏有广义和侠义之分，在广义的精馏中，冷凝工艺方案和蒸馏工艺方案都可以称为精馏工艺方案，而侠义的精馏专指同时拥有精馏段（冷凝）提馏段（蒸馏）的完整精馏塔，是可以实现二元物系完全分离的精馏过程。

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   氧氮二元物系精馏分离的三个根流程中，古典单塔制氧根流程和古典单塔制氮根流程的问题在于没有实现蒸馏一冷凝技术原型向标准常规精馏工艺方案的升级，所以既无法同时制取氧氮气产品，又无法保证氧氮气产品提取率。所谓的双塔流程根流程问题在于采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵。开式热泵供冷供热的有效能效率严重偏低！

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  空气精馏分离是第一个实现大规模工业化生产的完全自热精馏工艺方案即彻底开式热泵精馏工艺方案！但这既不为空分技术人员也不为精馏技术人员所认识，这真是前世缘分深厚，今生见面不相识！

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新单塔流程是以低沸点组分氮气为循环工质的氧氮二元物系单开式热泵供冷供热精馏工艺方案，实际上是标准常规开式热泵供冷供热精馏工艺方案。

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一旦认识到空气精馏分离过程唯一可行的供冷供热方案是开式热泵供冷供热方案，那么对空气精馏分离的认识将发生颠覆性的改变。

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深冷空分的核心是精馏，精馏技术的演化历史是理解深冷空分的基础知识。