外行学空分（335）一一空分基本原理（13）一一常规热泵，开式热泵及一拖多开式热泵

( {+ A1 B, S2 ?' j
) Y& ]! b* L( n1 B6 Q$ B' T       组分沸点在环境温度以上的精馏工艺方案和组分沸点在环境温度以上的精馏工艺方案，就精馏本体部分而言本质上并无区别，它们之间的区别仅仅在于组分沸点在环境温度以上的精馏工艺方案，精馏原料及精馏产品均呈液态，精馏原料的输送采用泵选方式。组分沸点在环境温度以下的精馏工艺方案，精馏原料和精馏产品均呈气态，精馏原料输送采用压缩机输送。与此相对应，组分沸点在环境温度以上的精馏工艺方案精馏原料呈液态进料，精馏产品呈液态取出！而组分沸点在环境温度以下的精馏工艺方案精馏原料呈气态进料，精馏产品呈气态取出。就精馏组织方案而言，组分沸点在环境温度以上的精馏工艺方案和组分沸点在环境温度以下的精馏工艺方案同样有二元物系精馏工艺方案和多元物系依次精馏工艺方案及多元物系依次精馏工艺方案基础上的隔板模型优化组织方案。
     组分沸点在环境温度以上的精馏工艺方案和组分沸点在环境温度以下的精馏工艺方案最大的区别在于精馏过程供冷供热方案的不同，组分沸点在环境温度以上的精馏过程有标准常规精馏工艺方案（以蒸汽再沸器供热，冷却水冷凝器供冷），双效精馏及多效精馏工艺方案（以蒸汽再沸器供热和冷却水冷凝器供冷，加上压力低沸点组分气体冷凝供热和减压低沸点组分液体及减压高低沸点组分混合液体蒸发气化供冷），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（以蒸汽再沸器供热和冷却水冷凝器供冷，加上单热泵及多热泵供冷供热方案）。而组分沸点在环境温度以下的精馏工艺方案只有单热泵及多热泵供冷供热方案，另外还有一个以精馏原料气体为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案。如果对热泵，开式热泵热泵及一拖二开式热泵供冷供热方案毫无概念，对它们之间的利弊毫无了解，那么对于组分沸点在环境温度以下的精馏过程（深冷空分就是组分沸点在环境温度以下的精馏过程）就是一知半解，知其然而不知其所以然！
, k% g* u4 s  [. U/ p4 E2 C$ f  ?   热力学第一定律描述了原子层面以上的能量守衡，是热力学的基础内容，热力学第二定律则描述了原子层面以上的热功转的方向和限度，是热力学的核心内容。热力学第一定律描述了原子层面以上能量不生不灭不增不减，是一个恒等式！热力学第二定律则描述了能量是有品级的，高品级的能量可以全部转化为低品级能量，而低品级能量则只能部分转化为高品级的能量！如果说热力学第一定律是能量守衡，是恒等式，那么热力学第二定律的表现形式则是不等式！热力学第二定律最重要的内容就是热功转换，功（高品位能量）可以全部转化为热（低品位能量），而热只能部分转化为功。热转化功的限度可以用所谓的卡诺循环进行计算，所谓的卡诺循环是热力学第二定律的最经典的表现形式。所谓的热泵则是卡诺循环的逆循环！
6 X% }) g3 f3 t$ u. R. Z    热泵顾名思义是输送热量的泵，什么情况下热量流动需要热泵输送呢？热量从高温物体流向低温物体如水走下是自然而然的现象，是不需要热泵输送的，不但不需要耗功，而且通过卡诺循环可以输出最大数量为Q（T2-T1）/T2.的功，其中T2为输出热量的高温热源体绝对温度，T1为输入热量的低温受热体绝对温度，Q为输送的热量！从中很容易可以发现输出热量的高温热源体和输入热量的低温受热体之间的温差越大，高温热源体和低温受热体温度越低，则同样热量输送可以产生的最大功越大！水要从低处流向高处需要水泵输送才能发生。热量从低温物体流向高温物体也需要热泵输送才能发生！热泵本质上是热功转换卡诺循环的逆循环，通过耗功使热量从低温热源体输送给高温受热体，输送热量的最小功耗是Q（T2一T1）/T2.！，其中Q是输送的热量，T2是高湿受热体的绝对温度，T1低温热源体的绝对温度，很容易可以发现高温受热体和低温热源体之间的温差越小，高温受热体温度越高，低温热源体温度越高，输送同样热量的最小功耗越小！热泵并不是一个简单的机械而是一个装置一套系统。热泵从原理说可以分为压缩式热泵和吸收式热泵，其中压缩式热泵是一般普遍的热泵形式，利用循环工质气体的冷凝温度随着压力升高而升高的物性，压力循环工质气体冷凝潜热向高温受热体输出热量，压力循环工质气体冷凝液化，减压后的循环工质液体随着压力降低，蒸发气化温度随之降低，从而从低温热源体吸收热量使减压后热泵循环工质液体蒸发气化，蒸发气化后低湿热泵循环工质气体进入热泵循环工质压缩机进行压缩，以此反复则热量不断地从低温热源体输送给高温受热体，这就是压缩式热泵的基本原理。运用于精馏过程（包括空气精馏过程）的热泵都是压缩式热泵，而且是特定的压缩式开式热泵！
      常规压缩式热泵包括以下的几个组成部分，一是热泵循环工质气体压缩机，二是压力循环气体工质冷凝器，三是压力循环工质气体冷凝器中产生的压力热泵循环工质液体减压阀（或者液体膨胀机），四是减压后的热泵循环工质液体蒸发器。以及连接以上设备的管路，管路中则充满热泵循环工质。根据热泵中压力循环工质冷凝器的连接对象（热量输送对象）的不同。热泵可以分为制热热泵和制冷热泵。其中压力循环工质冷凝器与环境大气相连接，向大气环境（受热体）输出热量是用于制冷的热泵，如空调，冰箱就是制冷热泵。如热泵循环工质液体蒸发器与大气环境连接，从大气环境输入热量则是制热热泵，如空气能热水器。制冷热泵和制热热泵只是约定俗成的说法，实质上热泵并不制冷制热，只是从大气环境（热源体）输入热量输送给受热体（如空气能热水器），或者从低温热源体（如空调，冰箱）输送热量给大气环境（受热体）而已！循环工质压缩功转化为温差有效能，是热功转换卡诺循环的逆循环。
    精馏过程是一个接近等焓的过程，标准常规精馏工艺方案，精馏塔底部蒸汽再沸器输入的热量全部被精馏塔顶部冷却水冷凝器输出！精馏过程实际得到的是温差有效能卡诺功，卡诺功转化为分离功！毫无疑问可以用热泵代替蒸汽再沸器和冷却水冷凝器给精馏过程供冷供热，这就是所谓的热泵精馏工艺方案。是精馏过程节能的最重要的技术方向！热泵精馏之所以是精馏过程最重要的技术方向，是单热泵及多热泵精馏技术解决了标准常规精馏工艺方案能耗高的三个问题。一是公用工程蒸汽冷凝温度和冷却水温度无法和精馏过程低沸点组分气体冷凝液化温度及高沸点组分液体蒸发气化温度无法匹配的问题，大大提高了供冷供热有效能效率！二是在二元物系精馏过程由于高低沸点组分含量，高低沸点组分产品纯度，高低沸点组分分离系数导致精馏段低沸点组分回流比和提馏段回流气液比现严重不协调时，通过双开式热泵或者多开式热泵供冷供热方案，在同样产品纯度指标的前提下，协调了高沸点组分和低沸点组分回流比降低了低沸点组分和高沸点组分的实际回流比，降低了精馏过程的供冷供热功耗，大幅度提高精馏过程有效能效率！三是制取高纯度高低沸点组分产品及高低沸点组分沸点接近分离系数很小的精馏过程，在理论塔板数既定的情况下，需要非常大的回流比（实际回流液气比和实际回流气液比非常接近于1），供冷供热数量非常大，但供冷供热温差非常小，开式热泵精馏虽然不能改变供冷供热量，但大幅度降低了单位供冷供热量功耗，从而降低了制取高纯度高低沸点组分产品和高低沸点组分沸点非常接近的二元物系精馏过程能耗！
' c) y; N+ Z- k" e    但运用于精馏过程的热泵并不是常规热泵（虽然常规热泵同样可以运用于精馏过程，但在工程上，效率上均不有利）！而是所谓的开式热泵，开式热泵有自己的特点，一是热泵循环工质采用从二元物系精馏塔引出的精馏高低沸点混合组分或者低沸点组分作为循环工质气体，压缩后热泵循环工质气体在压力循环工质气体冷凝器中冷凝液化为精馏过程供热后，压力循环工质液体减压后直接作为精馏过程回流液返回精馏塔参与精馏过程！二，所谓开式热泵相对于常规热泵没有减压后热泵循环工质液体蒸发器的，而是直接加入精馏塔作为回流液。它的热泵循环工质并不在热泵内闭路循环而是和精馏过程结合在一起稳态化运行。这些适用于精馏过程的改变并不改变开式热泵供冷供热的本质，三，开式热泵是供冷供热合体的热泵，既给精馏过程供热使精馏塔下降液蒸发气化（表现为压力开式热泵循环工质气体冷凝供热），也给精馏过程供冷使精馏过程上升气冷凝液化（表现为热泵循环工质液体直接加入精馏塔作为下降液，回流液）！
    压缩式常规热泵是很容易辩识的，但运用于精馏过程的开式热泵虽然也是压缩式热泵，但由于和精馏过程紧密结合，辩识起来就存在一定的困难，但只要热泵的功能出发，并无太大的困难。
  精馏过程能耗除了精馏原料输送能耗及精馏原料和补偿精馏产品换热温差及精馏装置散冷散热损失的能耗外，全部是供冷供热能耗！精馏过程供冷供热有效能效率是精馏能耗高低的决定性因素！
     

标准常规热泵，开式热泵，一拖多开式热泵是理解空气精馏工艺方案的核心关健。不深入了解以上的概念，对于空气精馏工艺方案只能是瞎子摸象！

无论是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，还是组分沸点在环境温度以下的自热情况工艺方案，运用于精馏过程的都是开式热泵而不是标准常规热泵
9 [7 ?( P3 A, f! c4 b8 ]( D* N( N（闭式热泵）。

  开式热泵供冷供热方案是空气精馏分离过程唯一可行的供冷供热，从精馏本体而言，采用多开式热泵供冷供热方案可以显著提高精馏本体有效能效率！在实际工程条件下，开式热泵供冷供热有效能效率决定于热泵循环工质压缩机压缩效率和压力循环工质气体冷凝器换热温差。其中以低沸点组分为循环工质，冷凝器设置在精馏塔底部的开式热泵供冷供热有效能效率最高，其它开式热泵供冷供热有效能则较低！

如果对热泵，开式热泵，一拖二开式热泵供冷供热方案毫无概念，对它们的利弊毫不了解，那么对于深冷空分精馏工艺方案也只能是一知半解，知其然也不知其所以然！

开式热泵供冷供热是理解深冷空分精馏过程的核心基础。