外行学空分（299）一一氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案详解一一总结（一）

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1 n* m$ @' F" {4 D8 F4 C      空分装置的核心是氧氮氩三元物系一一空气的精馏分离，就精馏而言又可称为自热精馏流程，这里的自热精馏是相对于标准常规精馏工艺方案，双效及多效精馏工艺方案及标准常规精馏基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案而言！环境温度以上的标准常规精馏过程都是采用蒸汽冷却水等公用工程给精馏过程供冷供热从而组织精馏过程（即使是双效精馏和多效精馏及单热泵和多热泵精馏技术，蒸汽冷却水供冷供热也是必不可少的组成部分），但对于组分沸点远低于环境温度的氧氮氩三元物系一一空气精馏过程而言，既无法利用公用工程的蒸汽，冷却水实现氧氮氩三元物系一一空气的气液共存状态，也无法利用公用工程蒸汽，冷却水给氧氮氩三元物系一一空气精馏过程实现供热供冷！这是组分沸点在环境温度以下的精馏过程在精馏工艺方案组织之前就需要解决的两个特殊的问题，一是如何实现气液共存状态，二是如何给精馏过程供冷供热，空气氧氩氮三元物系精馏过程是组分沸点远低于环境温度的精馏过程，因此如何实现气液共存状态及实现深冷条件下精馏过程供冷供热就成为了氧氮氩三元物系一一空气精馏分离首先必须解决的两个问题，也是和组分沸点在环境温度以上的标准常规精馏工艺方案，双效及多效精馏工艺方案及标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案的根本区别所在！
8 n2 f' Z' i! f9 W: `7 P+ L& P    氧氮氩三元物系一一空气精馏分离工艺方案是如何解决这两个特殊的问题呢？一是采用以空气为循环工质的空气开式热泵一一膨胀制冷液化工艺方案实现精馏原料气一一空气的液化，实现空气的气液共存状态，为空气的精馏分离创造了第一个前提条件！二是采用以氮气，空气，工艺氩气或者其它氧氩氮混合气体为循环工质的开式热泵实现深冷条件下氧氮氩三元物系一一空气精馏过程的供冷供热。
' x* {( S5 R0 t8 |. X  E# F     所谓以空气为循环工质的开式热泵一一膨胀制冷液化工艺方案实际上就是深冷空分教科书中空分原理部分的第一个内容一一空气的压缩与液化。压缩纯化后的压力空气大部分涡轮增压后在主换热器经与返流空气换热后进入膨胀机膨胀制冷，小部分未经涡轮增压的压力空气与膨胀制冷后的返流空气换热并液化！其中用于膨胀机制冷的涡轮增压后的空气是膨胀制冷循环工质，未经涡轮增压用于液化的空气是开式热泵液化循环工质。以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化是一个可以独立运行的热力学过程，其结果是空气的压力能不断转化为液空的冷能！其中包括了两个过程，一是压力空气的涡轮增压膨胀机膨胀制冷过程，它产生冷量冷能。分别以制冷系数和膨胀机膨胀制冷效率表示，其中制冷系数是膨胀机输出功（等于膨胀制冷循环工质一一空气的焓降，用于膨胀制冷压力空气的涡轮增压）和膨胀制冷循环工质一一空气复热常温压缩功耗的比值。制冷系数的大小和膨胀制冷循环工质一一空气的膨胀前后压力（即膨胀比），膨胀机进口温度（可由用于液化正流压力空气冷凝温度及空气液化率计算得出，用于液化压力空气冷凝温度越高，空气液化率越高，膨胀机进口温度越高），空压机等温效率，膨胀机绝热效率，涡轮增压机等温效率有关，在设备性能参数（膨胀机绝热效率，空压机等温效率，涡轮增压机等温效率），膨胀比不变的情况下，膨胀机进口温度越高，膨胀制冷系数越大，此即所谓高温高焓降！膨胀制冷过程的另外一个指标是膨胀制冷过程的有效能效率（实际上是分系统有效能效率，因为膨胀制冷过程包括括循环工质压缩，涡轮增压，循环工质换热，膨胀机膨胀等过程）。其影响因素和制冷系数完全一样，但又有不同的特点，同样在设备性能参数和膨胀比不变的情况下，其中最关健在于膨胀机进口温度，对于制冷系数而言，膨胀机进口温度越高，制冷系数越大！膨胀机制冷效率则与之相反，在同样设备性能参数及膨胀比条件下，膨胀机进口温度越高，膨胀制冷有效能效率越低！所以只讲高温高焓降是不全面且具有误导性的！空气开式热泵一膨胀制冷液化过程除了膨胀制冷过程外还包括开式热泵液化过程，即用于正流的压力空气与膨胀制冷后的返流空气换热并液化的过程。空气开式热泵液化过程不产生冷量，但产生冷能增量！一般而言，膨胀制冷后的空气是不允许带液的（现在已经有允许少量带液的膨胀机），空气的液化是正流压力空气与返流膨胀制冷空气换热实现的，如果正流压力空气液化后采用液体膨胀机，且液体膨胀机绝热效率100%，则正流液化空气压力几乎能100%转化为液体膨胀机输出功和减压后液空的冷能，而其中液体膨胀机的输出功相对于用于液化的压力空气的压力能而言是很小的（不到压力能的1%-2%）。即使不采用液体膨胀机或液体膨胀机绝热效率较低，正流液化空气中的压力能转化为冷能的效率也可以达到95%以上（总开式热泵液化有效能效率还要乘以开式热泵循环工质复热常温压缩的等温效率），以用于液化压力空气常温压缩功耗计算（等温效率70%），开式热泵液化制冷有效能效率在空压机等温效率70%的条件下可以在65%以上，一般而言高于同样设备性能参数下的膨胀机制冷有效能效率30%-40%左右。
3 ^& p" @0 Q! a5 U9 k$ c     空气开式热泵一膨胀制冷液化过程包括膨胀制冷过程和开式热泵液化过程两个部分，这两个部分是串联关系，膨胀制冷产生的冷能冷量被用于液化的正流压力空气吸收从而实现液化！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%的情况下，如果膨胀机进口温度大于100K（空分装置一般都是如此），则极限工程条件下（无阻力损失，无主换热器换热温差）膨胀机制冷效率为50%！开式热泵液化有效能效率65%-70%之间，则开式热泵一膨胀制冷液化效率30%-35%！相关的内容请参阅前面的相关帖子一一制冷与液化！
    以上讨论了给定设备性能参数及极限工程条件下的以空气为循环工质的空气开式热泵一膨胀制冷液化有效能效率。如果设备性能参数提高至空压机，涡轮增压机等温效率80%，膨胀机绝热效率90%，那么在极限工程条件下，以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化效率可以达到45%-50%！
( D# y  B  U* V. q" A: B7 x    其次实际工程条件和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及工艺参数对开式热泵一膨胀制冷液化效率有重大的影响。例如如果空压机出口压力为6bar，在目前设备性能参数及实际工程条件下，空气液化率只有4%-5%，以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化效率在20%左右！可以参阅（制氧技术）中空分原理中空气压缩与液化部分的内容。但如果采用优化后的工艺方案及工艺参数，即空压机出口压力保持不变，增没增压机将空压机出口压力空气中的10%左右（以用于液化增压正流空气全部液化为原则）增压至空气临界压力38baj，则空压机加增压机空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的空气液化率将达到8%-10%左右，其中增压机压缩功耗大约为空压机压缩功耗的10%！但空气液化率提高接近一倍左右！开式热泵一膨胀制冷液化效率从不到20%提高至33%-35%！
+ a# B; i# u: @6 K8 h% a: |    所谓的全低压工艺方案的空分装置只从开式热泵精馏的角度考虑空压机出口压力，导致空分装置中的开式热泵一膨胀制冷液化效率极低，所有的深冷空分装置都应该采用空压机加增压机的空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，只有这样才能保证空分装置的能耗水平！
    空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案在实际工程条件下，开式热泵液化和膨胀制冷对空气压力的要求是不同的，膨胀制冷对空气压力的要求主要考虑因素是正返流阻力损失，当空压机出口压力达到一定数值后（例如5-6bar），正返流阻力损失的影响就很小了，但开式热泵液化对正流空气的压力要求却是空气的临界压力，正流空气压力越接近空气临界压力。在膨胀制冷部分不变的情况下，用于液化的正流空气数量增大，空气液化率大幅度升高，开式热泵一膨胀制冷液化效率提高！具体而言表现为膨胀机进口温度升高，实现高温高焓降！

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  空气压缩与液化的有效能效率即开式热泵一膨胀制冷液化有效能效率是空分装置能耗核算中的一个极为重要的基础问题，对开式热泵一膨胀制冷液化有效能效率的错误认识，例如没有区分膨胀制冷有效能效率和开式热泵一膨胀制冷液化有效能效率的重大区别，没有理解开式热泵一膨胀制冷液化中的设备性能参数，工艺方案和工艺参数的不同对开式热泵一膨胀制冷液化效率的重大影响，则空分装置的能耗核算中的液体产品核算扣除值根本无法确定！相关内容请参阅空分装置的能耗核算，全低压空分流程的缺陷等相关帖子。

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   深冷空分装置中的冷量平衡其实就是热量平衡，是热力学第一定律的功-焓恒等式，无所谓平衡！所谓冷量平衡的本质含义是深冷液体的平衡，开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中的正流空气压力和空气液化率（液体产品引出量）决定了膨胀机进口温度。正流空气压力越高。液体产品引出量越大，膨胀机进口温度越高！当然主换热器热端温差冷量损失，膨胀空气数量也会影响膨胀机进口温度。