外行学空分（337）一一空分基本原理（15）一一常规热泵，开式热泵，一拖多热泵（3）

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% G$ W! Y* W5 C6 G' b- R% i     组分沸点在环境温度以上的二元物系精馏过程，可以采用公用工程蒸汽冷却水实现精馏过程的供冷供热，也可以采用以从精馏塔引出的二元物系的低沸点组分和高低沸点混合组分气体作为循环工质的开式热泵实现精馏过程的供冷供热。在二元物系高低沸点组分沸点非常接近和精馏原料中的高低沸点组分比例导致精馏段回流液气比和提馏段回流气液比严重不协调时，单热泵及多热泵精馏开式热泵供冷供热方案相对于标准常规精馏工艺方案的节能效果是非常显著的。相对于双效精馏及多效精馏，单热泵及多热泵精馏不但流程更加简化，能耗上也拥有绝对优势，只不过开式热泵循环工质压缩机设计制造上存在很大的困难，因此在组分沸点在环境温度以上的精馏过程中并没有完全替代标准常规精馏工艺方案和双效精馏及多效精馏！
    对于精馏过程而言，开式热泵供冷供热相对于公用工程蒸汽冷却水供冷供热具有很大的优势，一，理论上可以适用于所有的精馏过程，而公用工程蒸汽冷却水供冷供热只适用于组分沸点在环境温度以上的一个很小范围内的精馏过程，而无法适用于组分沸点在环境温度以下的精馏过程！二是公用工程蒸汽冷却水一般只有一种规格或者特定几种规格，无法完全匹配精馏过程的供冷供热要求，从而无法进一步提高精馏本体部分有效能效率，导致供冷供热效率和精馏效率很低能耗很高！而开式热泵（特别是多开式热泵供冷供热方案）供冷供热则解决了以上的问题！理论上通过设置无限的开式热泵，在无限塔板数及极限工程条件下，可以实现完全可逆的精馏过程。
    一个开式热泵系统可以实现同时给精馏过程供冷供热，其中压力循环工质冷凝器实现给精馏过程供热，减压后的循环工质液体作为下降液（从精馏段加入称为回流液，在提馏段加入只能称为下降液，其供冷温度就是精馏塔压力下的开式热泵循环工质液体蒸发温度，由开式热泵循环工质液体的组成决定）直接加入精馏塔实现给精馏过程供冷。压力循环工质气体的作用相当于公用工程中的蒸汽，减压后的循环工质液体相当于公用工程中的冷却水。这样就存在一种可能性，那就是可以用开式热泵的压力循环工质气体在其它精馏过程（精馏塔）设置的压力循环工质冷凝一蒸发器（再沸器）中冷凝供热，从而实现其它精馏过程的供热，用开式热泵减压后的循环工质液体在其它精馏过程（精馏塔顶部）设置的蒸发一冷凝器（低沸点组分气体冷凝器）中蒸发气化，从而实现给其它精馏过程供冷。至于在其它精馏过程（精馏塔）冷凝一蒸发器中冷凝的压力开式热泵循环工质液体体和在其它精馏过程蒸发一冷凝器中蒸发气化的循环工质气体只要返回开式热泵冷凝器和开式热泵循环工质压缩机进口就不会影响精馏过程的稳态化运行，只是增加了热泵循环工质压缩机压缩量。当然由于其它精馏过程无法和开式热泵供冷供热完全匹配，加上需要增设热泵循环工质压力气体冷凝一蒸发箱和减压后热泵循环工液体蒸发一冷凝器，其它精馏过程的供冷供热效率较低。但省去了一个开式热泵循环工质气体压缩机！这是常见的一拖多开式热泵！多用于多元物系精馏依次精馏工艺方案的第二，第三及后面的依次精馏塔供冷供热。
    一拖多开式热泵还有另外一个形式！那就是组分沸点在环境温度以下的二元物系（或者多元物系依次精馏第一精馏塔）精馏过程中，以精馏原料（气态）为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案。这个一拖多开式热泵供冷供热方案确实是组分沸点运低于环境温度的二元物系最容易想到精馏供冷供热组织方案，但并不是最优的开式热泵供冷供热方案，有关内容可以参阅前面的帖子。
5 s$ T0 o# l# c) z3 O% f8 G* s1 k    目前空气精馏分离的所谓双塔流程就是以空气（精馏原料）为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热精馏工艺方案。又被错误地称为双效精馏工艺方案（其实是对精馏技术发展历史极端无知的表现）。
    下面以干空气处理量50000NM3，氧氮二元物系空气组成氧含量20%，氮含量80%为例，计算一下以精馏原料空气为循环工质的一拖二（多）开式热泵的供冷供热有效能效率。空气在主换热器换热后不带液，不过热进入所谓的下塔（实际上是一个冷凝器）底部，下塔顶部通过主冷凝器与上塔（空分塔）相连，下塔中设置塔板进行氧氮分离。下塔压力5-5.4bar，氧氮分离系数2.67，氧氮相变热比值为1.4！！在无限理论塔板数，最小回流液气比下操作，如果进入下塔的空气数量35000NM3，其余15000NM3涡轮增压后用于膨胀制冷后进入上塔参与精馏，那么从下塔顶部可以得到17500NM3液氮，17500NM3含氧约40%的富氧液空，与返流气换热后减压送至上塔顶部和中部作为回流液。下塔顶部压力氮气冷凝温度约93-94K，压力5.4bar，数量37800NM3，上塔底部液氧蒸发气比温度91-92K，过冷减压后的液氮蒸发气化温度78-79K左右，富氧液空蒸发气化温度83-84K！根据以上的数据可以计算出以空气为循环工质的的一拖二开式热泵供冷供热有效能效在相同设备性能参数和工程条件下率只有以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率的75%左右（下塔理论塔板数和氮气纯度不同，回流液气比不同，液氮，富氧液空数量不同而有变化，但最大不超过75%！）！
       上面从开式热泵供冷供热有效能效率的角度，讨论了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只有以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率的75%以下！但有人认为不能仅仅从开式热泵供冷供热有效能效率角度讨论下塔功能，下塔和双效精馏的高压精馏塔一样是一个初级精馏塔！这样的类比是不正确的。双效精馏的高压精馏塔精馏原料呈液态进入高压精馏塔中部，低沸点组分液体和高低沸点组分液体送至低压精馏塔顶部和中部，确实是一个初级精馏塔。但以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案（双塔流程）的下塔，精馏原料空气（气态）进入下塔。而液氮，富氧液空呈液态减压送至上塔顶部和中部！当然不能认为是初级精馏塔！
       以氮气为循环工质的开式热泵空气精馏工艺方案实际上标准常规开式热泵供冷供热精馏工艺方案。和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的唯一区别是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采用蒸汽再沸器供热和冷却水冷凝器供冷，而以氮气为循环工质的空气氧氮二元物系精馏分离则采用以氮气为循环工质的开式热泵实现精馏过程的供冷供热而已！以处理50000NM3的氧氮二元物系精馏以氮气为循环工质的标准开式热泵精馏工艺方案，空压机出口的压力空气纯化后经涡轮增压在主换热器换热后膨胀制冷进入空分塔中部参与精馏。从空分塔底部引出氧气10000NM3（根据液氧引出量相应调整），氮气70000NM3，在主换热器换热复热至常温，其中40000NM3返流氮气作为产品氮气，30000NM3氮气经氮压机压缩至5.4bar，在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的压力氮气冷凝器中冷凝为液氮，使空分塔底部液氧蒸发气化（数量约为22000NM3），液氮与返流氮气换热过冷后送至空分塔顶部作为回流液。空分塔精馏段上升气数量为70000NM3，提馏段回流上升气数量为12000NM3！空分塔精馏段回流液气比0.43，提馏段回流气液比0.52！均大于精馏段最小回流液气比（0.4）和提馏段最小回流气液比（0.5）约5%左右！30000NM3，氮压机出口压力5.4bar，其压缩功耗是35000NM3，空压机出口压力5.6bar压缩功耗的75%-80%！以上仅从精馏角度进行讨论，未从空气开式热泵一膨胀制冷液化角度考虑。也未考虑过冷不完全送空分塔液氮气化率。
: ^1 \2 t6 ?9 \( A  Q9 G    采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案，空压机出口压力空气（压力5.6bar）纯化后，其中15000NM3经涡轮增压在主换热器换热后膨胀制冷进入上塔参与精馏，35000NM3在主换热器换热后进入下塔，下塔压力下与氧含量20%的空气平衡的液相组成中的氧含量40%，在最小回流液气比下（理论塔板数无限多），下塔底部富氧液空中的氧含量40%，数量17500NM3，下塔顶部送上塔液氮数量17500NM3！与返流气换热过冷后送至上塔顶部和上塔中部作为回流液！上塔膨胀制冷空气入口处以上的上升气数量为40000NM3！富氧液空入口处对应的气相中的氧含量17.5%（不是与含氧40%的富氧液空平衡的氧含量约15%），富氧液空入口处以上的精馏段最小回流液气比0.475！
     采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案，在进入下塔的空气数量占空气总量70%时，上塔提馏段实际回流气液比己经大于最小回流气液比5%-10%！但即使下塔在最小回流液气下操作（这样送上塔液氮数量最大，富氧液空中的氧含量最高），上塔富氧液空入口处以上的精馏段实际回流液气比也仅仅达到最小回流液气比！其原因在于上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量并不是与富氧液空平衡气相中的氧含量，而是与进入下塔空气数量占空气总量比例有关！当进入下塔的空气数量占空气总量70%时，富氧液空入口处对应气相中的氧含量17.5%！当进入下塔空气数量占空气总量80%时，富氧液空入口处对应气相中的氧含量20%！相应最小回流液气比为0.44和0.5！通过增加进入下塔的压力空气比例，虽然下塔送上塔液氮数量相应增加，但富氧液空入口处对应气相中的氧含量随之升高，上塔富氧液空入口处以上精馏段最小回流液气比随之升高，实际回流液气比还是略小于最小回流液气比！
   

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开式热泵精馏工艺方案中开式热泵供冷供热有效能效率是开式热泵精馏有效能效率的关健因素。

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开式热泵精馏有效能效率等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乘积。开式热泵精馏本体有效能效率（分离功和开式热泵输入温差有效能的比值）和单热泵及多热泵供冷供热方案关系极大，一般情况下双开式热泵供冷供热方案精馏本体有效能效率可以达到接近80%！开式热泵供冷供热有效能效率则和热泵循环工质压缩比和冷凝器换热温差关系极大，热泵循环工质压缩比越小（供冷供热温差小），则正返流阻力和冷凝器换热温差对开式热泵供冷供热有效能效率影响越大！一般情况下双开式热泵供冷供热精馏工艺方案，开式热泵精馏有效能效率和供冷供热方案简化可以达到较好平衡，只有在制取高纯度精馏产品时，才会考虑采用多热泵精馏工艺方案。

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   以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案的开式热泵供冷供热有效能效率只有以氮气为循环工质的标准空气开式热泵供冷供热精馏工艺方案开式热泵供冷供热有效能效率的75%以下！

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以空气原料空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案，精馏塔的精馏计算具有显著的特点。

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  认真了解清楚双塔流程上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量的影响因素是理解双塔流程的关健！

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感谢能看到各位的经验 谢谢分享