外行学空分（247）一一深冷空分气体液化和空分装置的联合（一）

Yb2021

     深冷空分气体的液化过程是一个可以单独进行的热力学过程，全部都是采用开式热泵一膨胀制冷液化联合工艺方案，当然具体工艺方案和工艺参数也是千变万化的，前面两个帖子已经从有效能效率的角度说明了在极限工程条件下，如果压缩机，涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%，那么膨胀制冷分系统（包括膨胀制冷循环工质压缩机和涡轮增压机和换热器）的有效能效率在50%以内。而深冷气体开式热泵一膨胀制冷联合工艺方案全系统有效能效率在35%以内！这个结果和大家的一般认知是很不一致的。在深冷空分文献中经常可以看到液氧扣除值0.45KWh每标准立方米液氧，这个不但突破了给定设备性能参数（压缩等温效率70%，膨胀机绝热效率85%，这个给定的设备性能参数是很高水平的）下开式热泵一膨胀制冷工艺方案的极限有效能效率，而且突破了膨胀制冷分系统的有效能效率（有人认为如果压缩等温效率74%，膨胀机绝热效率88%，则膨胀制冷效率可以大于50%，这当然是正确答案，但那是设备性能参数改变的结果，但即使在这样情况下，深冷空分气体开式热泵一膨胀制冷液化效率也不可能超过50%！），目前这种空分装置气氧液化单耗扣除值普遍低于0.7kWh每标准立方米液氧甚至低于0.5kWh每标准立方米液氧的情况是如何发生的？这就不能不说到深冷气体液化装置和深冷空分装置的联合红利及核算问题。
1 i# V7 s* t9 j8 `8 I   氢气，天然气这样的深冷气体的液化当然无法和深冷空分装置联合，因此也就只能采用单独的开式热泵一膨胀制冷联合工艺方案实现液化，其液化效率从文献来看在25%左右，大约为给定设备性能参数下极限液化效率（35%）的70%-80%左右，这是符合一般规律的。而深冷空分文献看到的液体产品能耗（实际上是空分装置液体产品核算扣除值）换算的有效能效率数值则大大高于以上的数据（现在一般在40%左右，至于大于50%的极端数值有时也能看到）。
! i2 h9 x# Y/ F    空气开式热泵一膨胀制冷液化是深冷空分装置的必要组成部分，深冷空分气体产品的能耗实际上可以分为空气开式热泵一膨胀制冷液化能耗和开式热泵精馏能耗两个部分，但从来没有人深入分析一下深冷气体产品能耗中，用于开式热泵精馏的能耗是多少？用于开式热泵一膨胀制冷液化|的能耗是多少？而没有对此进行深入分析，深冷空分装置的能耗核算就是一笔糊涂帐！
    深冷空分装置在设备性能参数及工程条件和工艺方案不变的情况下，随着装置规模的增大，单位标准状态氧气单耗迅速下降，其实无论规模多大，空分装置的换热温差，正返流阻力基本上都是一致的，从开式热泵精馏角度而言，要求的空压机出口压力也是一样的，空气的流量则随着规模增加而等比例增加，如果设备性能参数，工程条件及工艺方案一致，空分装置的开式热泵精馏能耗和装置规模大小就毫无关系！但是我们知道即使设备性能参数，工艺方案及换热温差正返流阻力完全一致，深冷空分装置的能耗和装置规模也是关系极大，这是为什么？在以上的情况下，大小空分装置的唯一区别在于单位制氧能力的散冷损失，随着装置规模扩大，单位制氧能力的散冷损失减小，但其数量并不大，却造成了单位制氧能耗的大幅度升高，只能说明在这种情况下空分装置的膨胀制冷液化效率非常低，开式热泵一膨胀制冷液化的能耗占空分气体单耗的很大比例！
9 g( [$ t3 Z2 J3 |9 z! K% n    深冷空分装置的冷量损失，我们从冷量平衡的角度出发，认为主要是两项，一是所谓的热端温差损失，二是所谓的散冷损失。冷量平衡方程式是等温焓差产生的冷量加膨胀制冷产生的冷量等于热端温差产生的冷损加散冷损失产生的冷量损失加液体产品带走的冷量。其中在采用低温膨胀制冷工艺方案（即膨胀制冷后的空气进入上塔或空分塔的工艺方案），液体产品数量基本上都是接近于零比例很小，而等温焓差和膨胀制冷产生的冷量和热端温差产生的冷量则随着装置的规模扩大而等比例增加。只有散冷损失的情况比较特殊，随着装置规模的扩大，总散冷损失当然也是增加的，但是并不是同比例增加，因此随着装置规模的扩大单位氧气产量的散冷损失迅速降低。如果根据这样的冷量平衡分析的话，在工艺方案设备性能参数及工程条件一致的情况下，装置规模的扩大，导致的散冷损失摊薄就是大小空分装置能耗水平差距的决定性因素，另外一个结论是膨胀机进口温度越高，膨胀制冷量越大，越有利于冷量的平衡，即高温高焓降，但膨胀机进口温度由什么因素决定，从这样的冷量平衡方程式却看不出来，也就只能知其然而不知其所以然。
1 [8 Q" b+ s! N/ S# C! K5 T+ Q    其实深冷空分装置的所谓冷量平衡方程式，只是基于热力学第一定律的恒等式，无所谓平衡不平衡！所谓的冷量平衡（热量平衡）的本质上是空分装置中的深冷液体的盈亏（表现为主冷凝器液面的上升或下降），进入精馏系统的压力空气（或新单塔流程的压力氮气）中的液体的气化产生的冷量（气化潜热）等于精馏系统的散冷损失加膨胀制冷后的空气温度和冷凝温度之间的显热加液体产品带走的冷量。从这个平衡方程式中可以分析出更多的结论，那就是进入精馏系统的液体数量（进入下塔的压力空气带液量，或新单塔流程进入冷凝器的压力空气，压力氮气带液量）是所谓冷量平衡（本质上是液体的盈亏）极为重要的因素，带液量越大，有利于提高膨胀机进口温度，高温高焓降，越有利于冷量平衡，而进入精馏系统的带液量的决定因素有三个，一是进入精馏系统的压力空气（氮气）的冷凝温度，压力越高冷凝温度越高，带液量越大，二是返流气的数量温度，数量越大，温度越低，带液量越大，三是主换热器的冷端换热温差。温差越小带液量越大。
   如果从有效能而不是从冷量平衡角度分析深冷空分装置的制冷，和冷量平衡的角度分析有很大的不同，一是主换热器的冷能损失决定性因素是主换热器的冷端温度及温差而不是热端温差。二是膨胀机进口温度越高，膨胀机制冷效率越低，而不是高温高焓降（高温高焓降是正确的，但是是肤浅的）。三是用于液化部分的压力空气压力氮气开式热泵制冷（正流压力空气吸收返流气的冷量冷能而液化，节流减压或液体膨胀机膨大后，压力能转化为冷能，产生冷能增量，其中节流减压只产生冷能增量，而液体膨胀机则产生冷能增星及少量冷里而节流膨胀只产生冷静增里不产生冷量）有效能效率显著高于膨胀制冷有效能效率，但压力空气氮气（气态）的节流膨胀制冷（是绝热等焓过程，但会生产温降）有效能效率非常低，应该尽可能避免。
    其实从以上的分析已经基本上可以得出几个初步的结论，一是双塔流程标准工艺方案（或者说采用低温膨胀制冷工艺方案，总体制冷效率（这里实际上是开式热泵一膨胀制冷液化效率而不仅仅是膨胀制冷效率）是非常低的。二是从膨胀制冷液化角度而言，正流空气压力高，则进入下塔的正流压力空气的带液量大，可以提高空气开式热泵一膨胀制冷液化效率，但从精馏角度而言却希望正流压力空气压力尽可能地低，两者之间是有矛盾的。如何协调这个矛盾则是提高空分装置空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化效率从而提高空分装置有效能效率的关健！