外行学空分(39)一新单塔流程和双塔流程的比较（7）一液体产品比例

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/ z. j, u; B7 V  深冷空分装置的产品有气氧气氮气氩，液氮液氧液氩。大体上可以分为气体产品和液体产品两大类，因此液体产品数量和气体产品的数量（一般是总氧产量）之比一一液体产品比例是一项重要的产品方案指标，表征了深冷空分装置这个空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化联合装置的两者比例大小。
1 }+ u; O+ Y. q& [' {   对于双塔流程的基本流程来说，一般来说制冷量总是不足，即使是大型深冷空分装置在不设置增压机及高温膨胀机的情况下，液体产品的产出量也只能到气氧产量的2%-3%，只够保证主冷凝器总烃合格排放之用。要提高液体产品数量，一个办法是提高空压机的出口压力，但这个办法增加的液体产品数量非常有限，一般只能达到氧气产量的10%左右，这个时候空压机的出口压力已经接近7-8bar，这已经达到空压机两段压缩的出口压力上限，涡轮增压后也达到了膨胀机膨胀比的上限。由于受通过膨胀机空气数量的限制，空压机出口压力提高大部分又被节流减压进入下塔，而压力空气节流减压有效能损失很大。要更大幅度提高液体产品数量，就需要采用增加增压机，增压后的空气小部分用于制取液空（开式热泵液化），大部分通过高温膨胀机膨胀制冷后进入下塔或者部分复热至常温进入压力空气增压机进口循环压缩（根据液体产品数量而决定）的工艺方案，相对于基本流程的空气开式热泵一膨胀制冷液化效率高得多（这个问题将在后面进行详细讨论），也有所谓的全液体深冷空分装置，但那离双塔流程的基本流程已经很远了，本质上更接近是一个空气开式热泵一膨胀制冷液化装置，而深冷空分开式热泵精馏反而成为次要部分了。
3 @8 m0 }( F5 h2 E+ S    对于采用未经空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺参数优化的新单塔流程的深冷空分装置，当产品液气比和双塔流程一样接近于零时，由于开式热泵一膨胀制冷液化制冷效率很低，其基本流程制氧能耗和双塔流程相比有所升高（增设压力空气增压机，压力空气增压机出口压力空气用于正流液化，情况就不一样了），当采用空气氮气双热泵工艺方案（氮气冷凝器设置在液空入口处）时，新单塔流程的能耗可以达到略低于双塔流程的水平。随着液气比上升，新单塔流程的开式热泵一膨胀制冷液化效率提高，新单塔流程的制氧能耗相对于双塔流程的优势越来越大，当新单塔流程的制冷效率和双塔流程相当时，其制氧能耗已低于双塔流程20%以上（这里存在空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数优化的问题，也存在空分装置能耗核算的问题，将在后面的帖子进行深入的讨论）。
    空气开式热泵一膨胀制冷液化是一个可以独立进行的纯粹热力学装置，气体临界温度在环境温度以上时，可以采用压缩气体用冷却水冷却的办法得到液化产品，这本质上是热泵制冷（液化）！其制冷（液化）效率如果产品是常压液体产品，其开式热泵液化效率和压缩机的等温效率非常接近，略低于压缩机的等温效率。
    临界温度在环境温度以下的气体无法采用单热泵制冷方案实现气体液化。但临界温度在环境温度附近的气体，可以采用热泵接力（双热泵）方案实现液化。倒如C02气体，临界温度在环境温度附近，但高于常压液氨的沸点，就可以通过压缩CO2气体用常压液氨气化冷却的办法实现液化，气化后的常压氨气再通过压缩冷却水冷却实现液化。这就是热泵接力液化，在机械性能参数和工程条件不变的情况下，其开式热泵液化效率在40%-50%之间即压缩等温效率的平方。双热泵接力液化基本上已经是开式热泵接力液化的极限，目前还没有看到三热泵接力液化的实际案倒。其原因在于工艺方案复杂而且效率很低。三热泵接力液化的效率已经低于25%。
  o! C* T4 S+ Q8 y* U   深冷空分气体的临界温度大大低于环境温度，因此既不可能采用单热泵液化的工艺方案，也不可能采用多热泵接力液化工艺方案，深冷空分气体的液化采用的是等温焓差和膨胀制冷和开式热泵液化联合工艺方案（其实就是深冷气体的压缩和液化）。其中等温焓差和膨胀制冷产生冷量，开式热泵提高冷量品位（冷能）及产生液体产品。而液化效率是膨胀制冷效率和开式热泵液化效率的乘积，在空压机，涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%的设备性能参数下，极限工程条件下（无散冷损失，无换热温差，无阻力损失）空气开式热泵一膨胀制冷液化效率35%，显著低于双热泵接力液化工艺方案，但高于叁热泵接力液化工艺方案，这其实也是看不到叁热泵接力液化工艺方案实施案例的原因。
    深冷气体采用等温焓差膨胀制冷和开式热泵联合液化工艺方案实现液化，其液化效率受工艺方案及工艺参数的影响极大，当空压机出口压力在5.6bar的情况下，在目前设备性能参数及工程条件下，其液化效率在20%-35%之间。（制氧技术）中气氧实际液化功1.2KWh-1.47KWh每标准立方米液氧。换算为液化效率为15%-20%！显然该开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数是没有经过优化的，通过对工艺方案及工艺参数进行优化可以显著提高实际工程条件下开式热泵一膨胀制冷液化效率！其优化主要有两个方面的内容，一是提高用于液化的开式热泵循环工质的压力（38bar，空气的临界压力），二是采用涡轮增压及液体膨胀机膨胀减压工艺方案，这样同样设备性能参数下，其开式热泵一膨胀制冷液化效率可以从20%-25%提高至30%-33%！对应的气氧实际液化功降低至0.75-0.8KWh每标准立方米液氧！
. q: @8 j$ w9 Q  w8 O) S   深冷空分装置和液化装置有很大的联合红利，所以深冷空分液体产品一般都在深冷空分装置中直接生产，而单独的制冷（液化）装置只有在极特殊的情况下才是有利的。
    深冷空分装置中，实际有两个制冷（液化）工艺方案即所谓的低温膨胀机工艺方案和高温膨胀机工艺方案，所谓的低温膨胀机工艺方案，其膨胀机后的空气进入上塔（空分塔）参与精馏。更准确地说应该是低背压膨胀机工艺方案，所谓高温膨胀机工艺方案，其膨胀机后的空气进入下塔（空气冷凝器）或复热后返回增压机进口。由于正返流阻力和换热温差对高背压低背压膨胀制冷（液化）的效率影响不同。所以（制氧技术）中有当采用双膨胀工艺方案气氧实际液化功（其实是液氧核算扣除值）可以低于0.65KWh每标准立方米液氧的说法。
   与双塔流程相比由于新单塔流程双热泵工艺方案的空压机出口压力低于双塔流程，因此采用低温膨胀机工艺方案时，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率略低于双塔流程的空气开式热泵一膨胀制冷液化效率。新单塔流程双热泵工艺方案也可以和双塔流程一样通过增设空气增压机及所谓高温膨胀机提高液体产品数量，只不过双塔流程的高温膨胀机膨胀制冷空气进入下塔，而新单塔流程双热泵工艺方案的高温膨胀制冷空气进入设置在空分塔底部的空气冷凝器（压力4.0bar）而已，两者的膨胀制冷效率也是一样的。
; O  `8 Q$ t6 I   对于制冷和液化的效率，有一个非常重要的问题，那就是开式热泵一膨胀制冷液化效率和膨胀制冷效率不是一回事！在空压机等温效率70%，涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%，极限工程条件下，膨胀机制冷效率可以达到50%，而开式热泵一膨胀制冷液化效率只能达到35%。这是一个非常重要但是认识非常混乱的基础问题，后面将对这个问题进行深入的讨论。
% \2 E2 c0 _* H4 l3 D$ z    标准双塔流程氧氮氩三元物系精馏工艺方案，液体产品数量极少，液体产品核算扣除值无论大小，对气体单耗核算结果影响极小！标准新单塔氧氮氩三元物系精馏工艺方案，液体产品数量较大。液体产品核算扣除值对气体产品单耗核算结果影响就很大了！
; ]) I, P. e( N  S 其实无论是标准双塔流程工艺方案还是标准新单塔流程工艺方案由于用于正流液化空气压力太低（新单塔流程4.1bar，双塔流程5.5bar），和最优化的工艺参数一一用于液化正流空气压力38bar（空气临界压力）相距甚这！空气开式热泵一膨胀制冷液化效率极低，均不到20%（其中标准新单塔流程工艺方案更低）！

Yb2021

   气氧实际液化功和深冷空分装置中的液氧核算扣除值之间的巨大差距实际上是深冷空分装置和制冷（液化）装置联合红利的分配问题，