外行学空分（328）一一空分基本原理一开式热泵精馏（5）

       精馏技术经历了蒸馏一冷凝技术原型阶段，标准常规精馏技术阶段，双效精馏及多效精馏技术阶段，单热泵及多热泵精馏技术阶段，完全自热精馏即彻底开式热泵精馏阶段，其中蒸馏一冷凝技术向标准常规精馏工艺方案的升级，主要解决了以下的几个问题，一是用蒸汽再沸器和冷却水冷凝器代替了蒸馏一冷凝技术阶段的明火加热和空气自然冷却，实现了大规模工业化生产，扩大了蒸馏一冷凝技术的运用范围（蒸馏一冷凝技术只适用蒸馏酒和香精提取过程，其精馏原料都是乙醇水溶液或者香精水浸出液），可以运用于所有组分沸点在环境温度以上的液体混合物。二是把需要进行多次重复的蒸馏一冷凝过程，整合在一个精馏过程（二元物系精馏分离只需要一个精馏塔，多元物系需进行依次精馏，从每个精馏塔得到一个纯度合格的组分）精馏塔中完成，大幅度降低了能耗，保证了各组分的产品纯度和提取率！
    深冷空分教科书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就精馏工艺方案而言本质上还属于空气精馏分离的蒸馏一冷凝阶段，所以古典单塔制氧工艺方案和古典单塔制氮工艺方案都存在氧提取率和氮提取率的问题，也无法同时制取氧氮气产品，这是蒸馏一冷凝技术阶段才存在的问题，在进入精馏技术阶段后己经得到解决！古典单塔制氧工艺方案很快被所谓双塔工艺方案所取代，而古典单塔制氮工艺方案则沿用至今（可以参阅前面关于制氮的相关帖子）！真是让了解精馏技术发展历史的人匪夷所思！
     精馏技术发展成熟后，精馏产品的纯度和提取率理论上己经完全解决，都可以归结为理论塔板数和回流比的问题！精馏技术发展方向转向精馏能耗的降低！为了解决组分沸点相近的二元物系精馏分离，高低沸点组分含量比例差距大的二元物系精馏分离能耗高的问题，又在标准常规二元物系精馏工艺方案的基础上发展出了双效精馏及多效精馏和单热泵精馏及多热泵精馏工艺方案！其本质上都是通过改变精馏过程供冷供热方案（从单规格供冷供热向多规格供冷供热方案改进）提高精馏效率，降低精馏能耗！而单热泵及多热泵精馏工艺方案和双效及多效精馏工艺方案相比，不但工艺方案更简单而且精馏效率更高，从理论上说完全可以全面取代双效精馏及多效精馏，但由于精馏过程开式热泵循环工质压缩机设计制造上都存在很大的困难，可靠性也很差，标准常规精馏工艺方案和双效及多效精馏工艺方案还是非常普遍，当然单热泵及多热泵精馏工艺方案也得到了广泛的运用，并成为精馏过程节能的最重要的技术方向！
+ J4 k, U' N) L$ v   空气的组分氧氩氮氦氖氪氙沸点远低于环境温度，在环境温度下均呈气态，只能采用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！同时它具备开式热泵精馏工艺方案的运用极为有利的条件，一是开式热泵循环工质无论是采用复热常温压缩还是采用深冷压缩，压缩机械的设计制造都不存在难以解决重大的困难！这点和沸点在环境温度以上的精馏过程是很不一样的！其次空气精馏分离中，能耗是唯一的变动成本，而组分沸点在环境温度以上的精馏过程，精馏能耗往往只是成本的一小部分，精馏能耗降低并不具有特别大的重要性！
' t, e. f/ }. M" O- Y# k- b0 p    正是由于以上的原因，空气精馏分离成为了第一个实现工业化生产的完全自热精馏即彻底开式热泵精馏工艺方案！当然这是逼上梁山的结果，而不是精馏技术理论和实践演进的自然结果，这就造成了一个意想不到的后果，那就是空气精馏分离是世界上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的开式热泵精馏工艺方案这一个事实既不为空分技术人员也不为精馏技术人员所认识！
9 i6 |: U: O5 @     二元物系的精馏是多元物系精馏的基础，多元物系如果需要得到每个纯度合格的每个组分产品，那么需要分解为多个近似二元物系精馏过程（精馏塔），从每个近似二元物系精馏塔得到一个纯度合格的组分产品。n元物系精馏分离，如果要得到n个纯度合格组分产品，则至少需要n一1个近似二元物系精馏塔，一般情况下需要n个近似二元物系精馏塔
$ g. ]5 m1 F" q+ s9 W" l7 m     空气的真实组成中氮气含量最高约占78.4%，氧气含量次之约占20.7%，氩气含量又次之约占0.9%，其它尚有氦氖氪氙等微量元素。根据产品方案（不同产品数量及产品纯度）空气精馏分离可以分为近似氧氮二元物系精馏分离方案和氧氩氮三元物系精馏分离方案及氧氩氮氦氖氪氙多元物系精馏分离方案，三者之间的精馏分离组织方案是完全不同的。
5 _- E$ B: N+ x8 W- _9 f2 Y  O* _     多元物系的精馏分离，如果要实现每个组分的分离并保证每个组分的产品纯度，那么需要把多元物系精馏过程分解为多个近似二元物系精馏过程（精馏塔），从每一个近似二元物系精馏过程（精馏塔）得到一个纯度合格的组分产品。一般而言多元物系依次精馏的第一个精馏过程（精馏塔），要得到纯度合格的组分产品只能是所有组分中沸点温度最高或者最低的组分，而不能是沸点温度处于中间的组分。依次精馏第二，第三，第n个精馏过程（精馏塔）同样适用这样的基本规则。其次多元物系依次精馏的一般做法是从第一个依次精馏过程（精馏塔）得到含量最高的组分产品。依次精馏过程（精馏塔）也同样适用这样的规则。其中第一个基本规则是产品纯度问题，第二个规则是精馏能耗问题，都是可以灵活掌握变通的。例如空气组分中沸点温度最低的氦氖，沸点温度最高的是氪氙，但即使提取氦氖氪氙等气体，依次精馏的第一个精馏塔也不能直接产出氦氖氪氙产品，因为它们的含量太低了，需要一个富集过程，实际上提取氦氖气体产品以压力氮气冷凝器中的不凝气体（富含氦氖的压力氮气）为原料，提取氪氙气体产品以液氧蒸发器底部蒸发残液（富含氪氙的液氧）为原料。
( O0 k4 I* d" U; t     以空气氧氩氮三元物系精馏分离过程而言，依次精馏第一个精馏过程（精馏塔）应该是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，从精馏塔顶部得到合格纯度的氮气产品，从精馏塔底部得到氧氩混合气体（以氮含量为工艺指标，氮氩含量比例和空气中的氧氩比例一致！）作为依次精馏第二精馏过程（精馏塔）的原料气。其原因在于氧氩氮三元物系中氮气沸点温度最低，氮气含量最大！从氧氩混合气体（含有少量氮气）为原料气的依次精馏第二精馏过程（精馏塔）底部得到纯度合格的氧气产品，从精馏塔顶部得到氮氩混合气体（以氧含量为工艺指标，氮氩含量比例则和原料气中的氮氩比例一致），一般称为工艺氩气，再根据工艺氩气中的氮气含量决定是否需要依次精馏第三精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔，从依次精馏过程（精馏塔）第三精馏塔底部得到合格纯度的氩气产品（以氮气含量为工艺指标）。
     以上是多元物系精馏分离的依次精馏组织方案的基本规则，多元物系精馏分离还有另外一个重要的问题，那就是供冷供热方案，以氧氩氮三元物系精馏分离为例，目前基于双塔流程的氧氩氮三元物系精馏分离过程采用以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案。基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏分离过程采用以氮气，空气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案。
     多元物系精馏组织方案中的一个重要问题是所谓的隔板模型优化的问题。多元物系精馏分离过程需要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一般而言需要双开式热泵供冷供热才能保证较高的精馏效率。以氧氩氮三元物系精馏分离为例。进入氧氩氮三元物系依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的原料气中的氧氩比例为19比1高低沸点组分的比例差距太大，氧氩沸点温度仅差3k！如果采用单开式热泵供冷供热方案则工艺氩气压缩量是原料气氧氩混合气体数量的3倍以上！如果采用工艺氩气，氧氩混合气体（原料气）为循环工质的双开式热泵供冷供热，则由于开式热泵冷凝器换热温差2k左右，导致以氧氩混合气体（原料气）为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率极低！解决这个问题的办法就是所谓的隔板模型优化组织方案，通过统筹氧氩氮三元物系依次精馏的第一，第二依次精馏塔的供冷供热方案改变进入依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的原料气组成，，大幅度降低了依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的精馏能耗。具体而言，就是把依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔和依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔。近似氧氩精馏塔整合在一起，形成主塔和侧塔的精馏组织形式，其中主塔氩馏分引出口以上是氮一氩氧精馏塔，是依次精馏第一精馏塔，氩馏分引出口以下的主塔加侧塔（粗氩冷凝塔）是依次精馏第二精馏塔？氮氩一氧精馏塔，其中氩馏分引出口以下的主塔是氮氩一氧精馏塔的提馏段，侧塔粗氩冷凝塔则是氮氩一氧精馏塔的精馏段。氩馏分中的氩含量从4.5%提高至10%，相应进入依次精馏第二精馏塔的原料气数量降低2.2倍！从而大幅度降低了以工艺氩气为循环工质的开式热泵循环量（工艺氩气压缩量）。有关隔板模型的内容可以参阅前面帖子的相关内容。
   

       空气精馏分离是世界上第一个实现大规模工业化运用的完全自热精馏工艺方案即彻底开式热泵精馏工艺方案，这个历史事实既不为空分技术人员也不为精馏技术人员所认识，以至于深冷空分技术人员发出这样的感慨，为什么精馏技术中最重要的节能技术一一热泵精馏看不到在空分技术中的运用？这怎么说呢？以至于在空分精馏效率只有25%的情况下，竟然看不到任何进一步降低空气精馏能耗的可能性，这又让人怎么说呢？

依次精馏分解方案和隔板模型优化是三元物系和多元物系精馏分离的基本常识。

   如果对氧氩氮三元物系依次精馏工艺方案及隔板模型优化的多元物系精馏的基本常识毫无了解，那么对于影响氩馏分中的氮气含量的因素也就无从说起，也就无法理解粗氩冷凝塔氮阻问题出现的原因和解决的办法。从而使一个极为简单的问题，变成了一个云山雾海难以把握的问题。

  三元物系或者多元物系的精馏组织，首先是三元物系或者多元物系依次精馏组织方案的顺序及是否需要进行隔板模型优化组织，只有这些确定后，才能进一步考虑供冷供热方案。

   对空气精馏过程的理解分为三个层次，一是二元物系蒸馏一冷凝技术原型向精馏技术的升级。二是氧氮二元物系精馏塔和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。三是开式热泵供冷供热方案。