外行学空分（333）一一空分基本原理（11）一一产品纯度，理论塔板数和回流比（4）

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# j: Y  q9 t! Q/ p      组分沸点在环境温度以上的二元物系精馏工艺方案除了标准常规精馏工艺方案，双效精馏及多效精馏工艺方案外，还有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。关于单热泵及多热泵精馏工艺方案，以压力热泵循环工质冷凝器设置在精馏塔底部（与蒸汽再沸器并列）的单热泵精馏工艺方案为例，简单叙述如下。
4 R2 ^6 V7 e; e+ ?" M: T    精馏原料液体泵送与精馏高低沸点组分产品（液体）换热后进入精馏塔中部，精馏塔顶部和底部分别设置冷却水冷凝器和蒸汽再沸器。从精馏塔（根据精馏原料组成不同，分别从精馏段或提馏段）引出一定组成的高低沸点组分气体直接压缩后进入与精馏塔底部蒸汽再沸器并列的压力热泵循环工质气体冷凝器中冷凝供热，自身液化为压力热泵循环工质液体，与低沸点组分产品换热后节流减压后送至热泵循环工质气体引出口以上的特定理论塔板数处（此理论塔板数处下降液组成与热泵循环工质液体组成一致！）加入精馏塔作为下降液（从精馏塔提馏段加入称为下降液，从精馏塔精馏段加入称为回流液），这就是标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵精馏工艺方案。毫无疑问热泵循环工质气体的组成和数量及热泵循环工质压缩比，是单热泵精馏工艺方案的三个工艺参数。而热泵压力循环工质冷凝器的设置位置也是一个非常重要的问题，但一般以设置在精馏塔底部与蒸汽再沸器并列为方便有利，但根据具体情况也有设置在精馏塔中部的情况。
    首先讨论一个特殊的情况，那就是单热泵循环工质直接从精馏塔顶部引出低沸点组分气体压缩后进入设置在精馏塔底部与蒸汽再沸器并列的压力热泵循环工质气体冷凝器中冷凝供热，自身液化后与低沸点组分产品液体换热后节流减压送至精馏塔顶，与精馏塔顶部冷却水冷凝器产生的低沸点组分产品液体混合后，一部部分作为回流液，一部分引出与精馏原料换热后作为低沸点组分产品。那么只要热泵循环工质气体压缩量（热泵循环量），压缩比足够大，就可以同时从精馏塔底部引出纯度合格的高沸点组分液体与精馏原料换热后作为高沸点组分产品，精馏塔底部蒸汽再沸器的供热量可以减小至零！精馏塔顶部冷却水冷凝器的热负荷（基本上就是热泵循环工质压缩功耗形成的焓增，以维持精馏过程的气液平衡，可以降低至最小），也大幅度降低，整个精馏过程可以在没有蒸汽再沸器蒸汽冷凝供热的情况下进行！这其实就是彻底的开式热泵精馏工艺方案了，之所以依然保留蒸汽再沸器和冷却水冷凝器，一是为了精馏过程的启动，创造气液共存的精馏前提条件及供冷供热开式热泵投入运行的前提条件。二是维持精馏系统热量平衡（本质上是气液平衡）实现稳态化运行。这其实就是完全自热的标准开式热泵供冷供热精馏工艺方案，它和标准常规精馏工艺方案的区别仅仅在于标准常规精馏工艺方案以精馏塔底部的蒸汽再沸器实现给精馏过程供热，使精馏塔底部的高沸点组分液体蒸发气化作为上升气！以精馏塔顶部的冷却水冷凝器实现给精馏过程供冷，使精馏塔顶部低沸点组分气体冷凝液化，一部分作为精馏塔精馏段回流液，一部分引出经与精馏原料液体换热后作为低沸点组分产品。而标准开式热泵精馏工艺方案，则以热泵循环工质压缩机压缩后的压力低沸点组分气体在设置在精馏塔底部的冷凝一蒸发器中冷凝，从而实现给精馏过程供热，使精馏塔底部的高沸点组分液体蒸发气化作为回流上升气！与低沸点组分产品液体换热节流减压后的低沸点组分液体送至精馏塔顶部，一部分作为精馏塔的回流液，从而实现给精馏过程供冷！一部分引出与精馏原料液体换热后作为低沸点组分产品！
    下面以精馏原料液体中高沸点组分含量90%，高低沸点组分分离系数3为例，在恒摩尔流假定成立的前提下计算最小回流气液比，及对应的上升气数量（在精馏原料和精馏产品均为液态且恒摩尔流假定成立的情况下，二元物系标准常规精馏工艺方案，精馏塔精馏段，提馏段上升气数摩尔数量恒定不变，均为精馏塔底部蒸发气化的高沸点组分气体摩尔数量）。
     精馏原料中高沸点组分含量90%，高低沸点组分分离系数3的情况下。与液体精馏原料组成平衡的气相组成低沸点组分含量25%！精馏段最小回流液气比是0.825！提馏段最小回流气液比为0.4！如果液体原料数量1摩尔，采用标准常规精馏工艺方案时，精馏塔底部最小高沸点组分蒸发气化量0.6摩尔，精馏塔上升气数量0.6摩尔。精馏塔顶部低沸点组分回流液数量为0.5摩尔。精馏段实际回流液气比0.83！提馏段实际回流气液比为0.4，等于最小回流气液比！
   如果从精馏塔精馏段引出高沸点组分含量50%的气相0.4摩尔压缩后进入设置在精馏塔底部与蒸汽再沸器并列的冷凝器中冷凝为液体送至精馏塔精馏段作为回流液。同时相应减少精馏塔底部蒸汽再沸器的蒸汽加入量（蒸汽再沸器热负荷从蒸发气化高沸点组分液体0.6摩尔降低至0.2摩尔），使精馏塔底部高沸点组分液体蒸发气化量保持不变（0.6摩尔），则高沸点组分产品纯度决定于精馏原料入口处以下提馏段的理论塔板数及实际回流气液比！而提馏段理论塔板数，实际回流气液比保持不变！从而在保证高沸点组分产品纯度的情况下减少蒸汽再沸器的蒸汽加入量2/3以上（蒸汽再沸器供冷使精馏塔底部蒸发气化的高沸点组分液体数量从0.6摩尔减少至0.2摩尔，另外热泵循环工质冷凝供热使精馏塔底部蒸发气化高沸点组分液体数量0.4摩尔，回流上升气数量及精馏塔提馏段回流气液比保持不变）。同时精馏塔提馏段下降液摩尔数量依然是1.5摩尔，同样保持不变！而精馏塔精馏工艺方案热泵循环工质液体入口处至精馏塔顶部回流液气比为0.5！其中上升气0.2摩尔，精馏塔顶部回流液数量0.1摩尔！精馏塔顶部冷却水冷凝器的热负荷同样减少2/3！如果考虑热泵循环工质压缩机的压缩功耗形成的焓增，则精馏段上升气数量略大于0.2摩尔，精馏塔顶部冷却水冷凝器的低沸点组分气体冷凝量相应增加，回流液数量相应增加，精馏段回流液气比相应提高，当然可以相应减少精馏塔底部蒸汽再沸器的蒸汽加入量。通过增加一个以高沸点组分含量50%气体为循环工质的开式热泵供冷供热，协调了精馏段回流液气比和提馏段回流气液比！大幅度降低了精馏能耗（蒸汽耗）！以上并未进行寻优，只是举例说明。计算中未考虑热泵循环工质压缩功耗的焓值，实际精馏段回流液气比比计算值略大！当然也可以通过寻优从精馏塔引出其它组成的气体作为热泵循环工质。如果再增加一个开式热泵供冷供热方案，从精馏塔顶部引低沸点组分气体0.2摩尔，压缩后在设置在精馏塔底部的压力低沸点组分气体冷凝器中冷凝为液体，节流减压后，其中0.1摩尔引出与精馏原料换热后作为低沸点组分产品。0.1摩尔作为精馏塔顶部回流液，则形成欢开式热泵供冷供热精馏工艺方案。则蒸汽再沸器热负荷可以降至零。
- ~% l# D3 P/ U0 }    与标准常规精馏工艺方案相比，采用标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵精馏工艺方案时，单开式热泵供热量加上蒸汽再沸器供热量等于标准常规精馏工艺方案蒸汽再沸器供热量。当采用双开式热泵供冷供热方案（其中一个是以低沸点组分气体为循环工质，压力低沸点组分气体冷凝器设置在精馏塔底部），则双开式热泵供热量等于标准常规精馏工艺方案的蒸汽再沸器供热量，蒸汽再沸器供热量可以降低至零！
    如果精馏原料中低沸点组分含量90%，高低沸点组分分离系数为3，精馏原料1摩尔。如果采用标准常规精馏工艺方案，那么精馏塔底部蒸汽再沸器的热负荷是高沸点组分液体蒸发气比数量1.4摩尔。至于单热泵精馏工艺方案举例如下，精馏原料液体经泵送与精馏高低沸点组分换热后进入精馏塔，精馏塔顶部，底部分别设置冷却水冷凝器和蒸汽再沸器。从精馏塔顶部引出低沸点组分气体1.2摩尔压缩后在设置在精馏塔提馏段（此处下降液中的高沸点组分含量50%）的压力热泵循环工质冷凝器中冷凝供热，一方面使精馏塔内下降液蒸发气化，一方面自身液化为低沸点组分液体。节流减压后送至精馏塔顶部，其中0.5摩尔作为回流液，0.7摩尔和冷却水冷凝器中冷凝液化的0.2摩尔共0.9摩尔低沸点组分液体引出与精馏原料液体换热后作为低沸点组分产品，精馏塔底部蒸汽再沸器热负荷可以降低至0.2摩尔，则精馏段回流液气比0.357！离开热泵冷凝器的下降液中高沸点组分含量50%，数量为0.3摩尔，精馏塔底部蒸汽再沸器加热使精馏塔底部高沸点组分液体蒸发气化0..2摩尔作为上升气，实际回流气液比为0.67！高沸点组分产品纯度决定于压力循环工质冷凝器以下的理论塔板数和实际回流气液比，此段最小回流气液比为0.5！其余未蒸发气化的高沸点组分液体0.1摩尔引出与精馏原料液体换热后作为高沸点组分产品。相对于采用标准常规精馏工艺方案，蒸汽耗也有大幅度下降！如果增加一个以低沸点组分气体0.2摩尔为循环工质的的开式热泵供冷供热方案，压力低沸点组分气体冷凝器设置在精馏塔底部，这就是双开式热泵供冷供热方案，则精馏塔底部一蒸汽再沸器热负荷可以降低至零。
    正如双效精馏及多效精馏一般只采用双效精馏工艺方案一样，所谓单热泵及多热泵精馏除非必要一般也只采用单热泵精馏工艺方案，所谓多效精馏和多热泵精馏只具有理论上的意义，因为多效精馏和多热泵精馏极大地增加了工艺方案的复杂性和工造造价但相对于双效精馏和单热泵精馏节能效果并不显著！这本质上是工艺方案简化和能耗之间的平衡取舍问题。
' T6 j: c  [* D2 y% X" w   以上都是在恒摩尔流假定下进行的简单计算，但对于理解单热泵精馏工艺方案已经足够。
, o/ l9 l( W8 L0 p) c: Z0 V+ q   标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏技术是对双效精馏及多效精馏的升级工艺方案，一方面扩大了适用范围，降低了工程造价。但是由于组分沸点在环境温度以上的精馏过程，热泵循环工质压缩机在设计制造上存在的困难，单热泵及多热泵精馏工艺方案并没有实现对标准常规精馏工艺方案和双效及多效精馏工艺方案的全面升级替代！但对于组分沸点在环境温度以下的精馏过程，情况就完全不一样了，首先热泵循环工质压缩机的设计和制造不存在任何困难，其次对于组分沸点在环境温度以下的精馏过程而言，标准常规精馏工艺方案和双效及多效精馏工艺方案都是不可行的，唯一可行的精馏组织方案只有完全自热精馏工艺方案即彻底的单热泵及多热泵精馏工艺方案！唯一需要解决的是空气精馏的启动和冷量平衡问题，这可以通过空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案而得到解决。
' j& S9 t4 ~, z) W8 o0 |   其实就精馏而言，标准常规精馏工艺方案中的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器实质上构成一个以水蒸汽为循环工质的闭式热泵，完全可以用以水蒸汽为循环工质的闭式热泵代替蒸汽再沸器和冷却水冷凝器的作用！当然也可以采用以低沸点组分产品为循环工质的开式热泵代替蒸汽再沸器和冷却水冷凝器在精馏过程的功能！但为了实现精馏过程的快速启动和精馏过程热量平衡（本质上是气液平衡）则有必要保留蒸汽再沸器和冷却水冷凝器，这就是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。和多效精馏运用案例很少不同，多热泵精馏是常见的，特别是对于制取高纯度高低沸点组分产品是非常重要的节能手段，关于这方面的内容，可以参阅前面的帖子就不展开了！

yuvsfoqi

感谢群主分享，非常有用，谢谢

Yb2021

谬赞了，只是关于精馏技术发展的一些常识性内容，只是纸上谈兵，欢迎就前面的帖子提出意见批评指正！

Yb2021

   组分沸点在环境温度以上的单热泵及多热泵精馏工艺方案是理解空分精馏工艺方案的关健！正是由于对精馏技术的发展毫无了解，才会认为空气精馏中的双塔工艺方案是所谓的双效精馏工艺方案，这是完全错误的！实际上空气精馏是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！

Yb2021

无论从流程简化还是供冷供热效率而言，组分沸点在环境温度以上的在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对于双效精馏及多效精馏工艺方案都拥有明显的优势，具有更大的节能潜力，但由于热泵循环工质压缩机设计制造上存在的困难，而没有实现对双效精馏及多效精馏工艺方案的完全升级替代！具体而言就是热泵循环工质压缩机的轴承密封和润滑问题难以解决。润滑油是常温液体，而热泵循环工质气体的冷凝温度高于常温，一旦泄漏就会污染润滑油，使轴封润滑失效！这就大大降低了热泵循环工质压缩机的运行可靠性！但对于组分沸点远低于环境温度的二元物系精馏过程而言，这些问题是容易解决的，当然更重要的原因在于组分沸点远低于环境温度的精馏过程，开式热泵供冷供热方案是唯一可行的供冷供热方案！

Yb2021

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，是组分沸点在环境温度以上的能耗最低，最优化的精馏工艺方案。而在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则是可以运用于组分沸点远低于环境温度的二元物系精馏工艺方案。

Yb2021

精馏技术的第一个升级是蒸馏一冷凝技术向精馏技术升级，精馏技术的第二个重大升级是标准常规精馏工艺方案，双效精馏及多效精馏工艺方案向单热泵及多热泵精馏工艺方案的升级！

Yb2021

  不能深冷理解开式热泵供冷供热方案，依次精馏组织方案，隔板模型优化组织方案，不会进行精馏的基本计算，完全依靠所谓的计算软件，则其底层逻辑己经被完全锁定而不自知！

Yb2021

   从组分沸点在环境温度以上的二元物系单热泵及多热泵精馏工艺方案是理解组分沸点在环境温度以下的空气氧氮二元物系精馏工艺方案的基础。