外行学空分（327）一一空分基本原理一一开式热泵精馏（4）

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# y+ Y! |: ^- x6 @6 e     组分沸点在环境温度以上的二元物系精馏过程可以分为两个分系统，一是精馏本体部分，包括精馏原料液体的泵送，精馏原料液体和精馏产品液体的换热，精馏塔内的热质交换精馏分离，二是精馏过程供冷供热部分。组分沸点在环境温度以上的标准常规精馏工艺方案中，供热由设置在精馏塔底部的蒸汽再沸器完成，供冷由设置在精馏塔顶部的冷却水冷凝器完成。组分沸点在环境温度以上的双效精馏工艺方案，就高压精馏塔而言，供热由设置在高压精馏塔底部的蒸汽再沸器完成，高压精馏塔的供冷由高压精馏塔和低压精馏塔之间的主冷凝器供给。对于低压精馏塔而言，供热由高压精馏塔和低压精馏塔之间的主冷凝器供给，供冷由高压精馏塔底部节流减压后的高低沸点混合组分液体和冷却水冷凝器共同供冷。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基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案中，供冷供热部分又分为两个部分，一是蒸汽再沸器和冷却水冷凝器供热供冷，这部分的供热供冷的作用是实现精馏过程启动和热量平衡，其能耗只占精馏过程能耗的很小一部分，完全可以忽略不计。二是单热泵及多热泵工艺方案中的热泵循环工质压缩功耗，占了供冷供热量的绝大部分，当然也占了精馏能耗的绝大部分！
" l; [- y: ?$ r0 n1 w* y9 ~    基于以上的原因，精馏过程总有效能效率大体上可以认为是精馏过程本体部分的有效能效率和供冷供热方案有效能效率的乘积！
   精馏过程本体有效能效率又称为精馏效率，精馏塔有效能效率或精馏有效能效率，是精馏过程最小分离功和精馏过程功耗（有效能）的比值，在极限工程条件下（精馏塔阻力为零，无限理论塔板数，最小回流比），等于精馏过程最小分离功和供供冷供热方案（精馏是等焓过程，供热量等于供冷量，供热量和供热温度和供冷量和供冷温度之间的温差有效能卡诺功即供冷供热方案输出的温差有效能卡诺功）输入有效能数值的比值！
5 t) Y; ^2 T- h# M9 ?' ?" w& O  Z    空气精馏过程采用空气开式热泵精馏工艺方案和空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，与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基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案相比，空气精馏分离工艺方案不存在蒸汽再沸器供热和冷却水冷凝器供冷部分（其功能是实现单热泵及多热泵精馏的启动及实现精馏装置的热量平衡从而保证精馏装置的稳态化运行），空气精馏分离装置则采用空气开式热泵一膨胀制冷液化部分实现空气精馏分离过程的启动和稳态化运行，因此可以称为空气开式热泵一膨胀制冷液化基础上的开式热泵供冷供热精馏工艺方案。空气开式热泵精馏过程同样分为两个分系统，一是空气精馏本体部分，二是开式热泵供冷供热部分。就空气精馏过程而言，空气精馏本体部分的能耗是较小的，精馏原料空气的压缩输送功耗大约占空压机压缩功耗的10%左右。空气精馏过程供冷供热部分又可以分为两个部分，一是空气开式热泵一膨胀制冷液化部分，其作用一是实现空气液化，从而为空气精馏过程启动创造气液共存的必要前提条件。二是补偿空气精馏产品氧气，氮气，污氮气与精馏原料空气换热温差形成的冷量冷能损失，补偿空分装置散冷损失。这部分的供冷能耗大约为空压机压缩功耗的15%-20%！（根据空分装置规模和空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案工艺参数是否优化有重大的差距）。空气精馏过程供冷供热量中的绝大部分是开式热泵供冷供热部分，如果精馏过程供冷供热方案的开式热泵循环工质采用复热常温压缩，其供冷供热量相等，其输出的是温差有效能卡诺功，其数值等于压力循环工质冷凝潜热，冷凝温度和减压后循环工质液体蒸发气化潜热和蒸发气化温度之间的温差有效能卡诺功。其计算公式是Q（1+T2/T1））其中Q是压力循环工质气体冷凝潜热或者减压后循环工质液体蒸发气化潜热，两者是相等的，T0为精馏塔底部高沸点组分蒸发气化沸点，与压力循环工质气体冷凝温度之间的差距是主冷凝器换热温差，T1为减压后循环工质液体蒸发气化温度。
# }; p% |8 Q- q+ I   如果不考虑原料空气输送能耗及补偿空分装置散冷损失及原料空气和氧氮气产品换热温差造成的冷能冷量损失的开式热泵一膨胀制冷液化供冷功耗。空气精馏过程总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。
     精馏过程的精馏本体有效能效率（精馏效率）的影响因素有以下的几个，一是精馏塔理论塔板数，二是高低沸点组分产品的纯度，三是供冷供热方案。其中理论塔板数越多，高低沸点组分产品纯度要求越低，精馏本体有效能效率越高，在理论塔板数有限的情况下，如果高低沸点组分产品纯度要求高，就需要提高实际回流比，提高精馏过程供冷供热量，大幅度降低精馏本体有效能效率！供冷供热方案对精馏本体有效能效率也有重大的影响，单开式热泵供冷供热方案精馏本体有效能效率最低，双开式热泵供冷供热及多开式热泵供冷供热则可以显著提高精馏本体有效能效率！
   开式热泵供冷供热有效能效率的影响因素有以下几个，一是开式热泵循环工压缩等温效率，这是由设备性能参数决定的，在极限工程条件下，开式热泵供冷供热有效能效率约等于开式热泵循环工质压缩等温效率，二是正返流阻力及开式热泵冷凝器换热温差，其中正返流阻力损失影响较小，冷凝器换热温差则对开式热泵供冷供热有效能效率影响极大，开式热泵冷凝器换热温差越大，高低沸点组分沸点越接近，开式热泵供冷供热有效能效率越低！开式热泵精馏中开式热泵循环工质为低沸点组分气体和高低沸点组分混合气体，在热泵循环工质压缩等温效率不变的情况下，以低沸点组分为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率最高，混合组分气体为循环工质的开式热泵循环工质中的高沸点组分比例越高，开式热泵供冷供热有效能效率越低！
2 Z+ G/ Q* Z# v; ^. C     在实际工程条件下，综合考虑精馏本体有效能效率（要求多开式热泵供冷供热，开式热泵设置越多，精馏本体有效能效率越高）和开式热泵供冷供热有效能效率（随着开式热泵设置越多，加权开式热泵供冷供热有效能效率越低），以空气精馏分离为例，氧氮二元物系精馏分离以氮气，空气双开式热泵供冷供热方案为宜，才能达到开式热泵精馏总有效能效率及工艺方案简化之间的平衡，只有在制取高纯度氧氮气产品，才需要考虑增加开式热泵设置，以降低精馏过程能耗。
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     如何实现精馏过程的可逆化是精馏理论的一个基础问题，精馏过程越接近可逆，则精馏过程有效能效率越高，精馏能耗越低！就精馏本体部分而言，一是实际工程条件，包括精馏塔理论塔板数，正返流阻力损失，开式热泵冷凝器换热温差，理论塔板数越多，正返流阻力损失及开式热泵冷凝器换热温差越小，精馏过程越接近可逆过程，精馏能耗越低！二是设备性能参数，设备性能参数越高则精馏过程越接近可逆，精馏能耗越低！以上的两点几乎是不言自明的，但还有第三个非常重要的因素，那就是供冷供热方案，供冷供热方案越多样化，精馏过程越接近可逆，精馏有效能效率越高，精馏能耗越低！多效精馏工艺方案的精馏能耗低于双效精馏，双效精馏的能耗低于单效精馏即标准常规精馏工艺方案！多热泵精馏工艺方案能耗低于双热泵精馏工艺方案，双热泵精馏工艺方案低于单热泵精馏工艺方案！这才是降低精馏能耗的最重要的方向！

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   精馏技术的进步包括精馏本位部分和供冷供热部分，从精馏本位部分而言，是从蒸馏一冷凝向完整的精馏塔改进升级！从供冷供热而言是从蒸汽再沸器供热和冷却水冷凝供冷向单热泵及多热泵供冷供热改进升级。考察精馏工艺方案需要从精馏本位部分和供冷供热方案部分分别进行。例如现在的空气制氮工艺方案，从精馏本位而言还是冷凝工艺方案而不是精馏工艺方案，所以存在所谓氮提取率的问题！而从供冷供热方案而言则是完全自热精馏工艺方案即彻底的开式热泵精馏工艺方案（供冷供热方案）！

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单开式热泵供冷供热方案和多开式热泵供冷供热方案的关健在于，精馏本体有效能效率和开式热泵供冷供热有效能效率的平衡，在实际工程条件下，多开式热泵供冷供热方案可以提高精馏本体部分有效能效率，但开式热泵供冷供热方案加权平均有效能效率却是降低的。结合实际工程条件，一般情况下，采用双开式热泵供冷供热方案，精馏本体有效能效率已经较高，只有在理论塔板数有限，又要制取高纯度产品导致精馏本位有效能效率大幅度降低时，才会考虑叁开式热泵及多开式热泵供冷供热方案！

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  空气开式热泵精馏工艺方案中，精馏能耗包括三个部分，一是空气输送功耗，二是补偿空分装置散冷损失及精馏原料和精馏产品换热温差冷量冷能损失的空气开式热泵一膨胀制冷液化功耗，三是开式热泵供冷供热功耗，而其中供冷供热方案的功耗是精馏能耗最重要的组成部分！