外行学空分（269）一一开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案和工艺参数的优化（四）

Yb2021

    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是由空气开式热泵精馏效率和空气开式热泵一膨胀制冷液化效率共同决定的。双塔流程工艺方案以空压机出口压力进行区分，经历了高压流程，中压流程及所谓的全低压流程三个阶段。与此对应制冷液化也经历了空气开式热泵一等温焓差制冷液化阶段，空气开式热泵一膨胀制冷液化两个阶段。
      空分装置的空压机出口压力，除了空气纯化方式（冻结法还是吸附法，其中冻结法对空压机出口压力有要求，吸附法一般而言对空压机出口压力没有特殊要求，当然过低也是不利的）外，在很长一段时间完全取决于以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化的工艺方案和效率，当空气制冷液化采用空气开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案时，需要很高的空压机出口压力，才能产生足够数量的等温焓差冷量（液体中的冷能来自于压力空气压力能的转化不是来自等温焓差），实现所谓的冷量平衡及制取液体产品。当采用空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案时，由于膨胀制冷相对于等温焓差制冷而言效率高得多！空压机出口压力相应降低，进入了中压范围。随着膨胀机由活塞式（单级膨胀）向离心式（双级膨胀，这里的双级膨胀不是所谓的单膨胀和双膨胀工艺方案，而是指离心膨胀机是两级膨胀）转变及设备性能参数的提高，膨胀制冷效率相应提高，空压机出口压力进入了低压范围。
8 d7 V) S3 m+ g- q1 w9 f' _+ Z9 _      对于开式热泵精馏而言，下塔的压力是不变（决定于于上塔压力及阻力，氧气产品纯度，液氧的静压，主冷凝器换热温差及下塔顶部不凝气含量）的，大约在5.4bar左右，加上主换热器阻力，纯化器阻力，对应的空压机出口压力5.6bar！如果空压机出口压力高于5.6bar，则不是节流减压就是膨胀制冷后进入下塔。所谓的全低压工艺方案（压力空气不节流进入下塔）对于双塔流程开式热泵精馏而言当然是最适宜的。但是所谓的全低压工艺方案对于空气开式热泵一膨胀制冷液化而言是最适宜的吗？
7 n/ d' l9 R- @9 f& c    空分装置中以纯化空气为循环工质的空气开式热泵一膨胀制冷液化是空分装置的必要组成部分，它产生的液空一方面补偿空分装置的主换热器冷热端换热温差形成的冷量冷能损失及空分装置的散冷损失以实现空分装置的冷量平衡及稳态化运行。同时液空中的冷量冷能转化为液氧，液氮，液氩的冷能冷量以制取液体产品。
    纯化空气的开式热泵一膨胀制冷液化过程是一个可以单独进行的热力学过程，在设备性能参数空压机，涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%，极限工程条件下优化的工艺方案及工艺参数下，其液化效率接近于35%！在极限工程条件下，空气开式热泵一膨胀制冷液化的工艺参数例如用于膨胀制冷的空气压力高低，对于液化效率无显著影响，但用于正流液化的空气压力对开式热泵一膨胀制冷液化效率影响极大。在实际工程条件下同样的设备性能参数下，其液化效率当然只能比35%低，但低多少，却决定于空气开式热泵一膨胀制冷液化具体工艺方案工艺参数，工艺方案工艺参数的不同，其开式热泵一膨胀制冷液化效率可以相距甚远！
$ [5 b# e% ]2 g! ]. A    以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化实际上只有一个工艺方案（可以分为正流液化空气节流减压和液体膨胀机膨胀减压两个方案，但两者之间开式热泵一膨胀制冷液化效率相差不大），所谓的优化其实是工艺参数的优化。对于以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化而言，实际上只有两个工艺参数，一是用于正流液化的空气压力，二是用于膨胀制冷的空气压力。
   对于空气的开式热泵一膨胀制冷液化而言，所谓的实际工程条件，主要是三个，一是散冷损失，二是正返流阻力，三是主换热器换热温差。
8 w; e, g" H; A  v+ h( Z2 F    对于正返流阻力损失而言，毫无疑问在设备性能参数不变的情况下，用于正流液化及膨胀制冷的空气压力越高，正返流阻力损失所占的比例越小越有利，当然随着压力提高，正返流阻力损失所占的比例越来越小，压力提高至一定程度，进一步提高，效率升高就微乎其微了进一步提高压力就没有必要了，但压力过低却可以大幅度降低开式热泵一膨胀制冷液化效率。
   对于散冷损失而言，一般和空气压缩量成正比，其数量随着空气压缩量增加而增加，但增加的幅度随着压缩量的增加而变小，而装置规模增大和空气液化率的提高，单位液体产品的散冷损失大幅度下降！这同样要求用于正流液化及用于膨胀制冷的空气压力提高，当然提高到一定程度，随着单位液体产品散冷损失数量的减少，其作用也就不大了，但装置规模过小，液化率过低却可以大幅度降低开式热泵一膨胀制冷液化效率。
  对于换热温差而言，用于液化的正流空气压力越高，换热温差产生的冷能损失越小。但用于液化正流空气压力的上限则受到空气临界压力的限制。正流空气压力高于空气临界压力则空气冷凝温度不再升高！不但不会提高开式热泵一膨胀制冷液化的效率，反而趋于下降（等温焓差制冷的效率大大低于膨胀制冷效率，空气的临界压力是38bar）！
   其实讨论至此，什么以是空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化优化的工艺方案工艺参数已经呼之欲出了！