外行学空分（256）一一空分深冷气体的液化

Yb2021

  所谓的深冷气体是指临界温度远在环境温度以下的气体，这样的气体既无法采用开式热泵液化工艺方案（冷却水的温度大大高于深冷气体的临界温度），也无法采用开式热泵接力工艺方案（需要3-4次以上的开式热泵接力才能实现液化，其复杂性，工程造价，液化效率均不可接受），唯一可行的工艺方案是开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案。
   前面的帖子一一膨胀机制冷效率和开式热泵一膨胀制冷液化效率中已经详细讨论过了，在压缩机，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（无正返流阻力损失，无换热温差，无散冷损失，机械效率，电机效率均为100%），膨胀机制冷效率不超过50%，开式热泵一膨胀制冷液化效率不超过35%！请注意我们并没有具体描述用于液化的正流深冷空分气体的名称及压力，也没有具体描述用于膨胀制冷的深冷空分气体的名称及压力，膨胀背压，膨胀比等指标，这正是有效能分析方法的特点，它是关于可能及限度的分析方法！
    深冷空分气体的液化只有一个基本工艺方案，那就是开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，但在给定设备性能参数和实际工程条件下，计算深冷气体实际液化功却不是一个简单的事情，这里一个最重要的问题是在实际工程条件下开式热泵一膨胀制冷液化基本工艺方案，工艺参数的优化。我们分别从开式热泵和膨胀制冷两个不同的角度分析一下实际工程条件下，开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案工艺参数的优化，首先是正返流阻力损失的影响，正返流阻力损失对膨胀制冷效率和开式热泵液化制冷效率均有重大的影响，压力越低影响越大，其中正返流阻力损失对膨胀制冷效率的影响相对大于对开式热泵液化制冷效率的影响。另外在给定设备性能参数下，开式热泵液化制冷效率（开式热泵液化制冷是不产生冷量的冷能提高）高于膨胀制冷效率！如果采用液体膨胀机而不是简单的节流膨胀，则两者之间差距更大！从提高开式热泵一膨胀制冷液化总效率的角度而言，在实际工程条件下，用于液化的正流深冷空分气体压力以接近正流深冷空分气体临界压力从而增加用于液化的正流深冷空分气体数量提高开式热泵制冷相对于膨胀制冷的比例为有利（以空气为例临界压力大约是38bar），进一步提高也无法提高正流深冷气体的冷凝温度也无法增加用于开式热泵制冷的正流空气数量，也就没有太大必要了，反而在没有采用液体膨胀机的情况下导致开式热泵一膨胀制冷液化效率的降低。从换热温差的角度来说，提高用于液化的正流深冷气体的压力也可以降低换热器冷端换热温差造成的冷能损失（这个和从冷量平衡角度分析的热端温差冷量损失是不一样的，热端温差造成冷量损失，但冷能损失很小）！但提高用于液化的正流深冷气体的压力，也带来一个问题，那就是无论是采用节流膨胀还是液体膨胀机，正流深冷气体液化减压后都会有较高的气化率！为了降低气化率，需要对用于液化的正流深冷气体进行过冷！从实际工程条件对膨胀制冷效率的影响角度来说，膨胀机以高进口压力高背压膨胀为有利，但从膨胀比（涡轮增压后膨胀比在10以内为有利）限制及降低正流液化气体气化率角度而言，保留低背压膨胀制冷（即所谓低温膨胀机）是必要的，膨胀制冷循环工质也应选择常压下沸点低的深冷空分气体（例如空气氮气）为有利！当然也可以选择液化原料气作为膨胀制冷循环工质，这样在主换热器换热组织上较为方便。总而言之，实际工程条件下深冷空分气体的实际开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案需要综合考虑优化。
( X' ~- }( ~7 f; V8 F- Y# \5 w    从以上对深冷空分气体实际工程条件下优化过程来说，大家很容易发现，其工艺方案和工艺参数非常接近于所谓的双膨胀制冷液化工艺方案，特别是其中用于液化的正流深冷空分气体产品压力，而和双塔流程标准工艺方案中的单膨胀工艺方案相去甚远！其中最大的区别在于用于液化的正流深冷气体的压力，在所谓双膨胀工艺方案及优化工艺方案中其压力接近于深冷气体的临界压力，而在标准双塔流程工艺方案中，用于液化的正流空气压力是由下塔压力决定的，和优化工艺方案中的正流深冷空分气体的压力相差很大！
, ^4 D2 ^' F- b- D: J   空气的压缩和液化是深冷空分精馏分离的前提条件，深冷空分教科书空分原理部分的第一个内容就是空气的压缩和液化，（制氧技术）中有这样的内容，空气两段压缩至6bar，大部分空气经涡轮增压在主换热器换热后，进入膨胀机膨胀制冷，小部分空气（开式热泵）在主换热器换热液化后，节流减压部分气化，余下的液空作为产品引出，空气液化率3%-5%！对应的空气液化效率20%以下！（制氧技术）中有气氧实际液化功1.25KWh-1.47kWh每标准立方米液氧的内容，对应的气氧液化效率15%-20%！但同时又指出在采用双膨胀工艺方案下，液氧单耗扣除值可以低至0.65KWh每标准立方米液氧！以上的液化效率数据之所以出现如此巨大的差距。除了核算的问题外，最重要的原因在于在实际设备性能参数及工程条件不深冷空分气体开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案是否进行了优化。
8 O8 w! o0 ?9 ?   当然即使经过优化后的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，其实际液化效率也不可能超过空压机，涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%设备性能参数下的极限开式热泵一膨胀制冷液化效率35%，但会很接近！但未经优化的开式热泵一膨胀制冷液化效率则可能远低于这个给定设备性能参数下极限效率。