外行学空分（251）一一液化装置和空分装置的联合（五）

Yb2021

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   空分装置本质上是空气开式热泵一膨胀制冷液化和空气开式热泵精馏的联合装置，但在深冷空分教科书在空分原理部分存在极为重大的缺陷，在开式热泵精馏部分完全没有认识到精馏是深冷空分的技术核心，对于深冷空分精馏过程是开式热泵供冷供热精馏毫无认识，以至于论证只有双塔流程才能实现氧氮二元物系的完全分离，而单级精馏塔无法实现氧氮完全精馏分离，直接颠覆精馏的基本理论和常识，其实所谓的双塔流程其精馏过程也是在单级精馏塔（上塔）中完成的，而双塔中的下塔则一拖二热泵转换塔。在制冷和液化部分，只抽象地讲什么冷量平衡，等温焓差和膨胀制冷量，而完全没有认识到深冷空分中的制冷本质上是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，在空分装置中首先是以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，得到的是液空及其中的冷量冷能，然后才是液空中的冷能冷量的转化为液氧液氮液氩和耗损（用于补偿散冷损失及冷热端换热温差损失）。
    空分装置是空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化的联合装置，空分装置的能耗水平既决定空气于空气开式热泵精馏的效率也决定于空气开式热泵一膨胀制冷液化的效率，只有同时提高两者的效率才能提高空分装置的能耗水平。如何提高精馏部分的效率已经讨论得很充分了，这在热泵精馏中都已经有非常成熟的理论。对于如何提高空气开式热泵一膨胀制冷液化效率虽然也初步讨论过了，但还需要深入讨论一番。
    在设备性能参数和工程条件工艺方案一致的情况下，无论是小型空分装置还是大型空分装置其开式热泵精馏效率基本上是一致的！而大型空分装置和小型空分装置能耗水平之间的巨大差距，根本的原因在于采用单膨胀制冷工艺方案的双塔流程标准工艺方案的大型空分装置和小型空分装置空气开式热泵一膨胀制冷液化效率是非常低的，所以单位生产能力散冷损失的变化才会造成能耗水平的巨大差距！这个道理本来是非常浅显的。
3 W! [3 k# S. B2 T; L6 _   单独深冷气体开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案既可以采单膨胀工艺方案也可以采用双膨胀甚至叁膨胀工艺方案，但也不可能出现差距近一倍的情况但是在深冷空分装置（空分装置本质上都是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）中采用双膨胀工艺方案可以显著提高空气开式热泵一膨胀制冷液化效率（当然也就提高了空分装置的整体效率，至于表现在液体产品能耗上还是气体产品能耗上则是核算的问题），但其原因并不在于高温膨胀机的制冷效率比低温膨胀机的制冷效率高得多（在极限工程条件下，相同设备性能参数高温膨胀机膨胀制冷效率低于低温膨胀机，但在实际工程条件下，由于正返流阻力损失大小不同，高温膨胀机制冷效率略高于低温膨胀机），而是由于采用双膨胀工艺方案时，用于开式热泵液化的正流空气压力高数量大的原因！用于液化的正流压力空气液化制冷效率（正流压力空气液化不产生冷量但节流膨胀后产生冷能增量，其冷能增量和压缩功耗的比值就是制冷效率，接近于压缩等温效率。）高于膨胀机制冷效率。这本质上是空分装置和液化装置的联合红利，只不过采用单膨胀工艺方案时由于正流空气压力很低无法利用这个联合红利（或者说采用单膨胀工艺方案时，由于正流空气压力低，开式热泵一膨胀制冷液化效率极低），而采用双膨胀工艺方案时，则充分利用了联合红利而己（在不采用双膨胀工艺方案的情况下，通过提高用于液化的正流空气压力，同样可以实现对联合红利的利用）！
/ I0 \- K- i( f" X$ V      深冷空分气体单独液化装置在压缩机，涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%的设备性能参数极限工程条件下开式热泵一膨胀制冷液化效率只有30%-35%！根本原因在于开式热泵一膨胀制冷联合工艺方案中，膨胀机进口温度随着液化率的升高，膨胀机进口温度和用于液化正流空气冷凝温度之间的温差相应升高，膨胀制冷后的膨胀空气膨胀机进口温度至正流空气冷凝温度之间的冷能冷量无法被正流空气所吸收（也可以认为这部分冷能由于换热器换热温差增大已经损失掉了。），其数量接近膨胀机制冷量的30%-40%！
# Z+ o( F: z, Y) U# j    对于液化装置而言，和空分装置的联合红利有以下的几项，一是散冷损失增加量几乎为零，二是开式热泵用于液化的正流空气，只需要计算增压部分，三是大量空分装置的返流气可在不大幅度提高膨胀机进口温度的条件下（膨胀机进口温度提高降低膨胀制冷效率，更重要的是换热器的温差增大，造成巨大的冷能损失，这也是膨胀制冷效率50%，而开式热泵一膨胀制冷液化效率只有35%的根本原因），大幅度增加用于开式热泵液化的正流空气数量（正流空气不产生冷量但产生冷能，其制冷效率大于膨胀机制冷效率）！但是对于双塔流程标准工艺方案（即单膨胀工艺方案），正流空气压力只有5.6bar，无法利用空分装置返流气增大液化量，但又大幅度升高膨胀机进口温度（由于散冷损失及换热器换热温差和用于膨胀空气数量小），实际上双塔流程标准工艺方案空气开式热泵一膨胀制冷液化效率甚至低于相同设备性能参数及工程条件下经过优化的空气单独开式热泵一膨胀制冷液化效率，可谓未见其利先受其害！明白了这个道理，在采用单膨胀制冷工艺方案的限制下，如何提高空分装置的空气开式热泵一膨胀制冷液化部分的效率就非常简单了。