外行学空分（326）一一空分基本原理一一开式热泵精馏（3）

Yb2021 · 发表于 2023-9-7 08:30:57

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本帖最后由 Yb2021 于 2024-3-16 05:16 编辑

   空气精馏分离唯一可行的工艺方案是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案基础上的完全自热精馏工艺方案即彻底的开式热泵供冷供热精馏工艺方案。不采用开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案就无法实际空气的液化，就无法实现空气气液共存状态，精馏过程无法启动也无法实现稳态化运行。不采用完全自热精馏工艺方案即彻底开式热泵精馏工艺方案，则无法实现大规模低成本空气精馏分离。空气（近似氧氮二元物系）共有三个单开式热泵精馏工艺方案（这里的精馏是广义的精馏）称之为空气（近似氧氮二元物系）精馏分离的三个根流程，这并无任何特殊之处，实际上任何组分沸点远低于环境温度以下的二元物系理论上都有三个单开式热泵精馏工艺方案，分别是以低沸点组分为循环工质的单塔单开式热泵精馏工艺方案，以精馏原料气体为循环工质的单塔单开式热泵精馏工艺方案（这里是广义的精馏，实际上是蒸馏工艺方案制高沸点组分产品和冷凝工艺方案制低沸点组分产品），以精馏原料气体为循环工质的一拖二开式热泵双塔精馏工艺方案，其中上塔（常压精馏塔）是二元物系精馏塔，下塔（冷凝塔）是一拖二开式热泵转换塔。就空气（近似氧氮二元物系）精馏分离而言，一是以空气为循环工质的单开式热泵单塔精馏工艺方案，深冷空分教科书中称之为古典单塔制氧工艺方案和古典单塔制氮工艺方案，实际上是单塔蒸馏制氧工艺方案和单塔冷凝制氮工艺方案，并不是严格意义上完整的精馏工艺方案，但属于广义的精馏工艺方案。二是以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案，深冷空分教科书中称之为空气双塔精馏工艺方案，其中上塔是常压精馏塔，下塔是以空气为循环工质的一拖二开式热泵转换塔（冷凝塔），由于在冷凝器中增设塔板对压力空气进行冷凝分离，把液空分离为液氮和富氧液空两个部分，下塔顶部的氮气冷凝潜热使上塔底部的液氧蒸发气化，一部分作为上塔提馏段的回流上升气，一部分引出与正流空气换热后作为产品氧气。下塔顶部压力氮气冷凝为液氮，一部分经与返流氮气换热过冷后作为上塔顶部回流液，一部分作为下塔顶部回流液，从下塔底部得到的富氧液空过冷后节流减压送至上塔中部作为回流液。这样就把以空气为循环工质的开式热泵就转化为以氮气为循环工质的开式热泵和以富氧空气为循环工质的两个开式热泵。三是以氮气为循环工质的单塔单开式热泵精馏工艺方案。深冷空分教科书中完全没有提及这样的工艺方案，而且论证这样的工艺方案是不可能存在的。其实所谓空气氧氮二元物系精馏分离工艺方案中以氮气为循环工质的单塔单开式热泵精馏工艺方案，对应于组分沸点在环境温度以上的二元物系标准常规精馏工艺方案，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为氧氮二元物系精馏过程供冷供热而已，本来应该是空气氧氮二元物系精馏分离的最基础工艺方案。
   精馏过程实际上是一个等焓过程，精馏原料和精馏产品的焓值是相等的（精馏原料和精馏产品同是气态或液态同时精馏原料和精馏产品换热充分的情况下），精馏过程的供热量总是等于精馏过程的供冷量，正是由于这个原因，从理论上说，精馏过程的供冷供热都可以用闭式热泵代替蒸汽再沸器和冷却水冷凝器，其中闭式热泵压力循环工质气体冷凝器代替蒸汽再沸器实现精馏过程的供热，减压后循环工质液体蒸发器代替冷却水冷凝器实现精馏过程的供冷！但是运用于精馏过程供冷供热并不是标准常规的闭式热泵而是以精馏低沸点组分产品及精馏中间产物为循环工质的开式热泵，原因在无论是方案的简化还是供冷供热的效率，以精馏低沸点组分产品和精馏中间产物气体为循环工质的开式热泵相对于闭式热泵都具有明显的优势！继续讨论闭式热泵在精馏过程中的运用无异于闭门造车！是毫无实际运用价值的。也是对热泵精馏技术的无知，所谓的热泵精馏技术中的热泵是开式热泵而不是标准常规的闭式热泵！
   开式热泵相对于闭式热泵在供冷供热上有不同的特点，对于闭式热泵而言，其供冷的温度是闭式热泵循环工质液体的蒸发温度（沸点温度），决定于闭式热泵循环工质液体蒸发压力即热泵循环工质压缩机进口压力，可以通过调整热泵循环工质压缩机进口压力改变热泵循环工质液体蒸发气化温度，从而改变供冷温度，其供热温度决定于热泵循环工质压力气体的冷凝温度，即决定于热泵压缩机出口压力，当然也可以通过调整热泵循环工质压缩机出口压力改变压力循环工质气体冷凝温度，从而改变供热温度！而开式热泵供热温度和闭式热泵供热温度一样决定于热泵循环工质气体的冷凝温度，决定于热泵循环工质压缩机的出口压力，而开式热泵供冷温度由于其蒸发压力和精馏塔压力一致，其供冷温度则决定于开式热泵循环工质的组分。循环工质中的低沸点组分比例越大则供冷温度越低！
环境温度以上的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，其中的单热泵及多热泵毫无疑问都是开式热泵而不是标准常规的闭式热泵！如果其中的一个开式热泵以低沸点组分产品为循环工质，只要开式热泵循环量（低沸点组分气体压缩量）足够大，则在稳态化运行中，蒸汽再沸器只在精馏启动的过程中才需要用蒸汽再沸器加热实现气液共存状态，一旦开式热泵投入运行，蒸汽再沸器的外供蒸汽供热量就可以降至零退出运行！至于冷却水冷凝器的作用，除了和蒸汽再沸器一样实现精馏过程启动外，当开式热泵精馏正常运行后，其实际作用就是保证精馏过程的热量平衡，一般而言沸点在环境温度以上的单热泵及多热泵精馏工艺方案，开式热泵循环工质无法采用复冷常温压缩（常温下热泵循环工质呈液态无法压缩），而只能采用高温压直接压缩（从精馏塔引出循环工质气体直接压缩），开式热泵循环工质的压缩功耗增加的焓值总是大于精馏过程的散冷损失和精馏原料和精馏产品换热温差导致的热量损失，需要冷却水冷凝器移出部分热量才能实现热量平衡实际上的气液平衡。实际上就精馏过程而言，单热泵及多热泵精馏工艺方案已经可以实现完全自热精馏过程，之所以还保留蒸汽再沸器和冷却水冷凝器是为精馏过程的启动和精馏过程的热量平衡（其作用等同于空气精馏工艺方案中的空气开式热泵一膨胀制冷液化部分是保证精馏启动和热量冷量平衡（实际上的气液平衡）所必不可少的）。
空气中的组分氧氮沸点运低于环境温度，当然无法采用公用工程蒸汽冷却水实现精馏启动和热量平衡（深冷空分中的术语是冷量平衡，其实就是热量平衡，更准确的涵义是气液平衡），而只能采用空气开式热泵一膨胀制冷液化实现空气精馏过程的热量平衡（冷量平衡，实际上是气液平衡）和精馏过程的启动。
在空气精馏分离的启动和冷量平衡问题解决后，从理论和实践都已经非常成熟的单热泵及多热泵精馏技术出发，非常容易合理推导出空气精馏分离的单热泵精馏工艺方案（根流程，根工艺方案）就是以氮气为循环工质的单塔开式热泵精馏工艺方案，而绝对不会出现所谓的古典单塔制氧流程和双塔流程！其中以空气为循环工质的单塔单热泵精馏工艺方案无法实现空气的完全精馏分高，本质上是蒸馏工艺方案和冷凝工艺方案！而采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案则开式热泵供冷供热有效能效率低，均不可取！
在空气精馏分离实现大规模工业化生产的时候，精馏技术还处在蒸馏一冷凝技术原型向精馏技术升级的过程中，什么双效精馏多效精馏和单热泵及多热泵精馏工艺方案还没有出现，实际上空气精馏分离是第一个实现完全自热精馏分离即彻底开式热泵精馏的案例。空分技术前辈只能在毫无理论指导及实际案例下摸索空气精馏工艺方案。在这样的情况下，最容易想到的当然是古典单塔制氧工艺方案和古典单塔制氮工艺方案，较为容易想到是所谓的双塔流程，而以氮气为循环工质的开式热泵精馏工艺方案则是最不容易想到的工艺方案，另外一个非常重要的背景是深冷空分技术发展初期，采用的开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案，空压机出口压力大大高于双塔流程精馏工艺方案以空气为循环工质一拖二开式热泵所要求的空气压力！如果不采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案即所谓双塔流程工艺方案，压力空气只能节流减压进入压力空气冷凝器或者节流减压进入精馏塔，这当然是极不合理的，在这样的约速条件下，当然以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案是最合理的的，也是能耗最低的空气氧氮二元物系精馏工艺方案。现在空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案己经取代空气开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案，纯化器纯化已经成标配技术方案的情况下，空压机出口压力已经完全不再受开式热泵一等温焓差制冷液化及空气自净化对空压机出口压力要求的约束（如果原料空气压力太低，则空分装置无法有足够数量的等温焓差实现空分装置的冷量平衡及制取少量液体产品，也无法满足自净化的条件）！，这样的情况下，双塔流程就不是最合理，能耗最低的空气开式热泵精馏工艺方案。下面以干空气处理量50000NM3为例说明一下新单塔流程和双塔流程的开式热泵精馏供冷供热能耗对比。
在目前实际工程条件下（正返流阻力0.1bar，主冷凝器换热温差2k，并考虑主冷凝器液氧侧的液氧静压）新单塔流程氮压机出口压力5.4bar，氮气压缩量30000NM3，压缩功耗1900KWh（5.4bar压力氮气每标准立方米压缩功耗0.063KWh）双塔流程以空气为循环工质一拖二开式热泵，空压机出口压力5.6bar，进入下塔压力空气数量35000NM3，压缩功耗2450KWh（5.6bar压力空气每标准立方米压缩功耗0.07KWh）。其间的差距就是以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率和以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热有效能效率的差距！

Yb2021 · 发表于 2023-9-8 07:26:48

如果对精馏技术的发展历史有所了解，知道蒸馏一冷凝技术原型升级为标准常规精馏工艺方案，为了降低能耗又从标准常规精馏工艺方案发展出双效精馏工艺方案和多效精馏工艺方案，而为了简化流程（去掉高压精馏塔）和进一步降低精馏能，双效精馏和多效精馏又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升级代替的历史，就非常容易理解只能是彻底开式热泵精馏工艺方案的空气精馏工艺方案，只能是以氮气为循环工质的单塔单开式热泵精馏工艺方案和以氮气，空气为循环工质的双开式热泵精馏工艺方案。

Yb2021 · 发表于 2023-9-21 06:54:47

组分沸点远低于环境温度的空气精馏分离，首先要解决的第一个问题是如何实现空气的液化，只有能够实现空气的液化，才能使空气处于气液共存的状态，才能实现空气精馏过程的启动。空气的液化采用的是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案。这样情况下采用空气作为供冷供热开式热泵循环工质是最方便最容易想到的。这就是古典单塔制氮工艺方案。但以空气为循环工质的供冷供热方案存在一个重大的缺陷。其供冷温度无法低于精馏塔压力下的氮气冷凝温度。也就无法实现氧氮二元物系的完全精馏分离。氧提取率很低，也无法制取纯度合格的氮气产品。于是在古典单塔制氧工艺方案基础上，又发展出了所谓的双塔精馏工艺方案。在没有开式热泵精馏理论指导下，这都是非常自然的演进过程。