外行学空分（304）一一氧氮氩三元物系精馏工艺方案详解总结（6）

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5 x3 u+ F( H  c! t& a. z     前面外行学空分298-303帖对深冷空分流程中的空气开式热泵一膨胀制冷液化部分（即空气压缩与液化）的工艺方案及工艺参数的优化，空气开式热泵精馏中开式热泵供冷供热方案有效能效率的影响因素。氧氮氩三元物系依次精馏标准常规组织方案，氧氮氩三元物系依次精馏的优化组织方案（隔板模型）进行了叙述和总结。现在总结一下基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案（对于氧氮氩三元物系一一空气精馏而言，不存在所谓的双塔流程而只有基于所谓双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案），并与对应的基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案进行比较。
    一，关于空气开式热泵一膨胀制冷液化即空气的压缩与液化的效率。所有的深冷空分装置都是空气开式热泵一膨胀制冷液化装置（部分）和空气开式热泵精馏装置的联合装置。其中空气开式热泵一膨胀制冷液化装置（部分）是深冷空分装置空气开式热泵精馏装置（部分）启动的前提条件，又是维持持开式热泵精馏装置（部分）稳态化运行效必要条件，当然空气开式热泵一膨胀制冷液化也是一个可以独立运行效装置，与空气开式热泵精馏过程联合，既可以为空气开式热泵精馏创造前提条件并补偿空分装置的散冷损失和正返流换热温差形成的冷量冷能损失，也可以有液空，液氧，液氮，液氩的液体产品产出。因此以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化即空气压缩部分的有效能效率及其影响因素就是空分装置能耗及核算最基础最核心的一个问题。
; [* C7 k0 [1 _! \     深冷空分教科书中的空分原理部分的第一个主要内容就是空气的压缩和液化，这其实就是以空气为循环工质压力开式热泵一一膨胀制冷液化的基本工艺方案，这个工艺方案中实际上包括两个部分，一是开式热泵液化部分。压力空气在主换热器中与膨胀制冷后的返流空气换热吸收膨胀制冷返流空气中的冷量冷能并实现液化，节流减压或液体膨胀机膨胀减压后得到常压的液空（会有部分气化），二是压力空气在主换热器与返流膨胀制冷空气换热后进入膨胀机膨胀制冷。膨胀制冷后的空气返流与正流液化压力空气换热使正流压力空气液化，再与正流膨胀制冷空气换热复热至常温，进入空压机压缩，进入下一个膨胀制冷循环。但深冷空分教科文并没有对此进行展开，既没有说明空气压缩与液化的各部分的功能和作用，也没有说明不同的设备性能参数和工程条件及工艺参数对空气压缩与液化的有效能效率，空气液化率的影响。而只对空气压缩至6bar，在目前设备性能参数及实际工程条件下的开式热泵一膨胀制冷液化过程进行了描述，并得出结论空气液化率（液空数量与空压机压缩量的比值）为3%-5%！相应可以计算出开式热泵一膨胀制冷液化有效能效率在20%以下！
     空气压缩与液化即空气开式热泵一膨胀制冷液化如果不考虑循环工质的不同（可以是空气，也可以是氧气，氮气，氩气），实际上只有一个工艺方案。但工艺参数却是可以变化的，这就存在空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的工艺参数优化问题。如果在极限工程条件下（主换热器换热温差为零，正返流阻力损失为零），那么空气开式热泵一膨胀制冷液化效率只与设备性能参数（循环工质压缩机等温效率，膨胀机绝热效率，涡轮增压机等温效率）有关，但在实际工程条件下，开式热泵一膨胀制冷液化效率除了和设备性能参数有关外，还和空气开式热泵一膨胀制冷液化的工艺参数有极大的关系！开式热泵一膨胀制冷液化实际上分为两个部分，一是开式热泵液化部分。在实际工程条件下毫无疑问用于液化的正流压力循环工质冷凝温度越高，则主换热器换热温差的影响越小。开式热泵一膨胀制冷液化效率越高！二是膨胀制冷部分，毫无疑问在设备性能参数不变的情况下，膨胀机膨胀比越大，则正返流阻力损失的影响越小，但压力达到一定数值后，正返流阻力损失对空气膨胀制冷效率的影响趋于平稳！以深冷空分教科书中空气压缩与液化即以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数为例，如果空压机出口压力从6bar逐步降低，在设备性能参数不变实际工程条件不变的情况下，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率逐步降低，空压机出口压力低于某个数值，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率等于零！即膨胀机制冷量等于散冷损失和正返流气体的热端换热温差造成的冷量损失，液空输出量为零！而随着空压机出口压力的提高。开式热泵一膨胀制冷液化效率逐步提高（目前膨胀机不是轴流式，膨胀比只能小于10）！即使由于受到膨胀机膨胀比的限制，也可以通过空气增压机将用于液化的空气压力（一般占空气压缩量的5%-15%，根据空压机出口压力不同而不同，以增压后正流压力空气全部液化为原则）提高至空气临界压力（38bar），那么开式热泵一膨胀制冷液化效率也会有大幅度升高！空压机出口压力仍然是6bar，其中空压机出口大约10%的压力空气进一步增压至38bar，用于正流液化，那么空气液化率就不是3%-5%，而是接近10%，相应计算出的开式热泵一膨胀制冷液化有效能效率就不能20%以下，而是30%-35%！两者之间的差距接近一倍！工艺参数的不同对开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响比设备性能参数，实际工程条件更大！
   其实空气压缩与液气即以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化是空分原理极为重要的内容，也是空分装置能耗核算的最基础工作！
" \8 H8 {+ n) h/ n" U! [     基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案就空气开式热泵一膨胀制冷液化部分而言，共有叁个基本的工艺方案，一是空压机出口压力5.6bar（87%-90%的压力空气进入下塔，是开式热泵精馏的循环工质，10%-13%的压力空气用于膨胀制冷，膨胀制冷后空气进入上塔参与精馏），空分装置的液体产品数量基本为零，通过进一步提高空压机出口压力，液体产品数量可以达到氧气产量的10%以内。这就是所谓全低压空分流程的单膨胀制冷工艺方案（单低温膨胀机）。二是所谓的双膨胀工艺方案，空压机出口压力5.6bar（85%-90%的压力空气进入下塔，是开式热泵精馏的循环工质，10%-15%的压力空气用于膨胀制冷，膨胀制冷后的空气进入上塔参与精馏），同时设置空气增压机，空气增压机出口的压力空气部分用于正流液化，减压或液体膨胀机膨胀减压后进入下塔，大部分增压机出口压力空气用于膨胀制冷后进入下塔或返流复热后进入空气增压机进口，这就是所谓的双膨胀制冷工艺方案。当然还有空压机出口压力空气全部进入下塔，这样情况下当然也就没有什么低温膨胀机了，增压机出口的压力空气一部分用于液化，节流减压或液体膨胀机膨胀后进入下塔，一部分用于膨胀机膨胀制冷，膨胀制冷后的空气进入下塔或返流复热至常温进入空气增压机进口。这其实也是单膨胀工艺方案。和第一个基本方案的区别在于是所谓的高温膨胀机，膨胀制冷后的空气进入下塔，而第一个基本方案是所谓的低温膨胀机，膨胀制冷后的空气进入上塔参与精馏。
* E# l% U7 r; w. W" _7 {1 k4 A! L& c     基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案中的三个开式热泵一膨胀制冷液化基本方案，其空气开式热泵一膨胀制冷液化效率差距极大，其中第一个基本方案的开式热泵一膨胀制冷液化效率在目前设备性能参数及实际工程条件下只有20%左右！而第二个和第三个基本方案的开式热泵一膨胀制冷液化效率在30%-35%之间，两者之间的差距达到近一倍！根本的原因并不在于是采用单膨胀还是采用双膨胀工艺方案，而在于用于液化的正流空气压力参数和空气临界压力的差距，用于正流液化的空气压力越接近空气临界压力，则在相同设备性能参数及实际工程条件下，开式热泵一膨胀制冷液化效率越高，反之则越低！
      空分装置是空气开式热泵一膨胀制冷液化装置和空气开式热泵精馏的联合装置，空分装置的能耗水平决定于开式热泵一膨胀制冷液化效率和开式热泵精馏效率。如果明确了所有全低压工艺方案中的开式热泵一膨胀制冷液化效率由于用于液化的正流空气压力大大低于空气临界压力而效率很低，不是优化的工艺方案，而只有设置空气增压机的第二，第三基本方案才是优化的工艺方案。那么就应该认识到不同的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数，空分装置能耗核算的液体产品能耗核算扣除值是不同的，这其实是目前深冷空分行业对空分装置能耗核算办法无法达成一致的深层原因，具体内容可以参阅前面的帖子一空分装置的能耗核算及液体产品核算扣除值和边际液化功及实际液化功。
; w: T+ O  G& C      基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案。空压机出口压力为4.0-4.3bar，如果不设置增压机，则用于液化的空气压力只有4.0-4.3bar，比所谓全低压双塔流程的用于液化空气压力更低，在目前设备性能参数及实际工程条件下，开式热泵一膨胀制冷液化效率更低！而在相同设备性能参数及实际工程条件下，通过增设空气增压机优化开式热泵一膨胀制冷液化工艺参数，基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案中的开式热泵一膨胀制冷液化效率可以和基于双塔流程的开式热泵一膨胀制冷液化第二，第三基本方案一致而高于第一基本方案。
   空分装置中不同的空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案（一般都是以空气为循环工质）不同工艺参数对开式热泵一膨胀制冷液化效率影响极大，即使在相同设备性能参数及工程条件下，差距也可能达到一倍以上，这就给空分装置能耗核算中的液体产品核算扣除值确定带走极大的困难！当然空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数优化后，这个问题就得到较好的解决。
     

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    所谓全低压工艺方案在目前实际工程条件下，空压机出口压力在5.6bar，但随着主冷凝器换热温差进一步下降，空压机出口压力实际上可以进一步降低，这对于开式热泵精馏而言毫无影响，但是却进一步降低了开式热泵一膨胀制冷液化效率，导致冷量无法平衡（实际上是液体平衡），只能增加膨胀制冷空气数量。