外行学空分（318）一一空分基本原理一一单膨胀和双膨胀工艺方案

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     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。一套完整的空分装置就其功能而言可以分为三个部分，一是空气精馏的本体部分，包括空气的输送，纯化及空气精馏产品氧气，氮气，污氮气，氩气和精馏原料空气的换热。依次精馏第一精馏塔，依次精馏第二精馏塔，依次精馏第三精馏塔！二是开式热泵供冷供热部分，包括供冷供热开式热泵循环工质的复热常温压缩和深冷压缩，压力循环工质气体的冷凝供热（如果压力循环工质气体不过热也不带液进入压力循环工质气冷凝器，供热量是压力循环工质气体的冷凝潜热），开式热泵循环工质压力液体与返流低压循环工质气体的换热（过冷），及减压后的低压循环工质液体蒸发气化供冷（其供冷量是减压后的低压循环工质液体的蒸发气化潜热），复热常温压缩后正流开式热泵循环工质和返流循环工质气体的换热。三是空气开式热泵一膨胀制冷液化部分，这部分的功能有两项，一是为空气开式热泵精馏的启动创造空气气液共存及供冷供热开式热泵启动的前提条件，并维持空气开式热泵精馏的稳态化运行一一即气液平衡状态（即深冷空分教科书中的冷量平衡）。二是结合开式热泵精馏制取液氧，液氮，液氩产品。
     空气开式热泵精馏是空分装置的核心功能，空气开式热泵精馏工艺方案在很大程度上决定了空气开式热泵一膨胀制冷液化的工艺方案及工艺参数。
$ Q% N+ m3 `4 M3 P1 U% S      所谓双塔流程空分装置中的空压机，既是精馏原料空气输送压缩机，以空气为循环工质一拖二开式热泵循环工质复热常温压缩机，空气开式热泵一膨胀制冷液化部分，膨胀制冷循环工质复热常温压缩机，用于液化正流空气（空气开式热泵一膨胀制冷液化中的空气开式热泵）常温压缩机，一仆而四主！
$ l- q# ~& O5 I! t4 ~  E. F      对于空压机出口压力而言，精馏原料空气的输送压力，主要的考虑的因素是纯化器的分子筛吸附容量，如果空压机出口压力太低，则纯化器的分子筛吸附容易大幅度降低，就需要大幅度缩知分子筛再生周期！对于以空气为循环工质的供冷供热开式热泵循环工质复热常温压缩机，如果选择空气为循环工质的供冷供热开式热泵，那么在目前实际工程条件下，空压机出口压力在3.7-4.3bar之间。如果采用以空气为循环工质的一拖二（多）供冷供热开式热泵，则在目前实际工程条件下，空压机出口压力在5.0-5.6bar，对于空气开式热泵一膨胀制冷液化部分而言，用于液化的正流空气（液化原料气。液化开式热泵循环工质）压力最优工艺参数为38bar（空气临界压力）。膨胀制冷循环工质复热常温压缩机，要求经涡轮增压后的空气压力在10bar以下。空压机出口压力在7-8bar！一台空压机不可能满足所有工艺参数的最优化！
! q$ m: h+ N- o% |- F( }     综合考虑空气开式热泵一膨胀制冷液化部分，精馏原料气压缩输送部分，以空气为循环工质的供冷供热开式热泵循环工质复热常温压缩对空气压力的要求。空压机出口压力应该以以空气为循环工质供冷供热开式热泵循环工质复热常温压缩的压力为准！同时增设压力空气增压机，增压机出口压力38bar，以保证空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的优化。
# A& ?. S2 G, G+ G      如果仅仅从开式热泵精馏工艺方案决定空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数，完全忽视空气开式热泵一膨胀制冷液化效率对空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的要求，那么必然导致空气开式热泵一膨胀制冷液化效率随着开式热泵精馏工艺方案而大幅度波动，既无法实现空分装置效率（空分装置的效率既决定于开式热泵精馏效率，也受开式热泵一膨胀制冷液化效率极大的影响）的提高又给空分装置的能耗正确核算带来极大的困难。
2 S) c" [$ b# G    空分装置空气精馏开式热泵供冷供热方案确定后，可用于膨胀制冷的空气数量也就确定了。例如如果采用以空气为循环工质的一拖二（多）开式热泵精馏工艺方案（即所谓双塔流程工艺方案），那么在制取95%纯度的氧气（含氩4.5%左右，含氮0.5%以下）及合格氮气产品时（实际上是近似氧氮二元物系精馏，氩视同为氧，当然也就没有提氩问题了），空压机出口压力约5.6bar，压力空气数量的70%进入下塔作为空气一拖二开式热泵的循环工质用于精馏过程的供冷供热。则可用于膨胀制冷的空气数量只有空压机出口压力空气数量的30%！液氧产品数量为总氧产量的10%-15%！如果不增设出口压力38bar的压力空气增压机，而用5.6bar的空压机出口压力空气作为正流液化空气，那么液氧产星量只有5%-7%！两者空气开式热泵一膨胀制冷液化效率相差一倍！
  Q( F- R* F, i8 O5 @& W+ U    如果氧气产品纯度要求达到99.5%以上（含氩0.5%以下）实际上就是空气氧氩氮三元物系精馏分离（又分为提氩和不提氩两种情况），这样以空气为循环工质的一拖二开式热泵的循环工质压力空气数量就要占到空压机出口压力空气数量的85%-100%（根据氧气产品纯度及氩提取率不同而不同）！用于低温膨胀机涡轮增压膨胀制冷的空气数量只能占到空压机出口压力空气数量的15%以下，一般情况下是无法实现空分装置的冷量平衡（实际上是气液平衡），如果为了保证所谓的冷量平衡（实际上是气液平衡）并制取少量液体产品，那么只能提高空压机出口压力或者增设空气增压机及所谓的高温膨胀机，未增设压力空气增压机的工艺方案，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率很低，后者增设压力空气增压机和高温膨胀机的工艺方案就是所谓的双膨胀工艺方案（实际上本质是经过工艺参数优化的空气开式热泵一膨胀制冷液化方案）。如果空压机出口压力空气全部作为空气一拖二开式热泵循环工质，那么当然也就不存在什么膨胀制冷空气进入上塔的所谓低温膨胀机了，为了实现所谓的冷量平衡（实际上是气液平衡）及制取液体产品只能增设空气增压机及所谓的高温膨胀机。末增设压力空气增压机的工艺方案即所谓的单膨胀工艺方案相对于增设压力空气增压机的双膨胀工艺方案及只有所谓高温膨胀机的单膨胀工艺方案，其开式热泵一膨胀制冷液化效率要低得多！空气开式热泵一膨胀制冷液化效率和单膨胀制冷工艺方案，双膨胀制冷工艺方案其实并无关系，真正的问题在用于液化的的正流空气压力，用于液化的正流空气压力高接近空气临界压力，则空气开式热泵一膨胀制冷液化效率高，但用于正流液化的空气压力受到空气临界压力的限制，用于正流液化空气压力高于空气临界压力则不能进一步提高开式热泵一膨胀制冷液化效率，但用于正流液化空气压力低于空气临界压力很远则严重影响空气开式热泵一膨胀制冷液化效率，用于液化正流空气压力越低对空气开式热泵一膨胀制冷液化效率影响越大！
& w9 _* y- l: q, |    其实所谓的低温膨胀机，高温膨胀机的说法只是对现象描述，是很肤浅的！空分装置中的空气开式热泵一膨胀制冷液化膨胀机进口温度决定于用于液化的正流空气压力及其相应的冷凝温度和液体产品的数量比例，而和膨胀制冷空气是进入上塔还是进入下塔（或者设置在空分塔底部的压力空气冷凝器）无关！而且随着用于正流液化空气压力的提高，膨胀机进口温度相应提高，也就不存在什么低温膨胀机了。随着空分装置对氧氩产品提取率及氧气产品纯度的要求越来越高，同时配置空压机和空气增压机的双塔流程工艺方案越来越成为主流工艺方案，而所谓的全低压工艺方案越来越少见！最根本的原因在于所谓的全低压工艺方案的空气开式热泵一膨胀制冷液化效率很低，导致开式热泵精馏和开式热泵一膨胀制冷液化联合装置的空分装置有效能效率低，能耗高！具体情况可以参阅前面的帖子一一全低压工艺方案的缺陷。
     基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案，采用以氮气，空气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热精馏方案。用于膨胀制冷的空气数量可以达到空压机出口压力空气数量的40%-100%！除了所谓的全液体空分装置外，根本不需要设置什么高温膨胀机，但压力空气增压机（出口压力38bar）却是必须的。至于是不是采用双膨胀工艺方案则完全取决于空分装置的液体产品数量。
0 t8 n; J  g! Q6 F   如果只要求数量比例较小的液体产品，那么以空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案中，压力空气和压力氩气冷凝器设置在空分塔底部，而压力氮气冷凝器设置在空分塔液空入口处。空压机出口压力空气数量60%进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器中冷凝为液空。其余空压机出口压力空气数量的40%涡轮增压后用于膨胀制冷，经此调整大幅度降低空分装置的液体产品数量。但代价是降低了开式热泵精馏效率。
- R$ [, s) W; r: {& F* E1 }    空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案分为压力空气液化部分和空气膨胀制冷部分。其中压力空气液化部分又称为空气开式热泵液化部分，包括液化原料空气的压缩，压力液化原料空气的换热液化，压力空气的液化，压力液化空气的节流减压或者液体膨胀机膨胀减压！其本质上是吸收空气膨胀制冷产生的冷量（膨胀制冷空气焓降）和冷能而液化，节流减压或者液体膨胀机膨胀减压后得到常压液空！另一部分是以空气为循环工质的膨胀制冷部分，包括膨胀制冷循环工质空气的复热常温压缩，膨胀制冷循环工质空气的换热！空气膨胀制冷产生的冷量是膨胀制冷循环工质空气的焓降，冷能则是冷量乘以冷能系数（与膨胀机进出温度有关）！膨胀机当然是高温高焓降！膨胀机进口温度越高！但对于膨胀制冷效率而言，膨胀机进口温度越高，膨胀制冷效率越低！
   空气开式热泵一膨胀制冷液化效率既不是空气开式热泵液化效率，也不是空气膨胀制冷效率！如何实现空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的优化是空分装置工艺方案及工艺参数优化极为重要的一个问题！
    空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案是空分装置的必要组成部分，其作用是为空气精馏分离创造气液共存状态的前提条件，为空气精馏分离开式热泵供冷供热方案创造启动的前提条件，补偿空分装置的散冷损失，精馏原料空气和精馏产品氧氩氮气换热温差造成的冷量冷能损失，结合空气精馏过程制取液氧，液氮，液氩（液空转化为液氧，液氮，液氩）！空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案分为两个部分，一是空气开式热泵液化部分即正流压力空气吸收返流气中的冷量冷能而液化，节流减压或者液体膨胀机膨胀减压后得到常压液空！二是空气膨胀制冷部分，两者紧密结合实现空气液化。两者均不能独立运行！单独突出膨胀制冷部分具有极大的误导性。

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       深冷气体无法采用最简单效率最高的开式热泵液化工艺方案，而只能采用开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案和开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，其中开式热泵一等温焓差液化工艺方案中的冷量来自于实际气体的等温焓差（温度相等压力不同的气体其焓值略有不同，一般而言压力越高焓值越小），冷能来自于开式热泵循环工质压力能转化而来！开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中的液体冷量来自于膨胀制冷循环工质膨胀输出功（焓降），冷能则来自膨胀制冷循环工质焓降形成的冷能和开式热泵循环工质压力能的转化。开式热泵一等温焓差工艺方案液化效率很低，而开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的液化效率除了和设备性能参数及实际工程条件有关外，还和开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的工艺参数具体而言就是用于液化的气体压力关系极大，而用于液化的气体最优压力工艺参数是液化气体的临界压力。

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   空分装置从开式热泵精馏角度而言，空气增压机并不是必要的配显，从开式热泵一膨胀制冷液化效率角度而言，空气增压机是必须的，它对开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响太大了！

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  所谓的单膨胀和双膨胀其实是无关紧要的。

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      空气开式热泵一膨胀制冷液化是空分基本原理的第一个主要内容，只采用举例的办法说明空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数是远远不够的，必须充分讨论不同的工艺方案（例如液空节流减压还是液体膨胀机膨胀减压），工艺参数（用于膨胀制冷的空气压力及用于正流液化的空气压力）的不同对空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响，形成优化的空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数。

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高温高焓降，高温膨胀机，低温膨胀机，给人的印象是所谓双膨胀工艺方案优于单膨胀工艺方案。其实根本不是这么回事，真正的关健在于用于液化的正流空气压力，而不是什么单膨胀双膨胀！

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空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的优化是空分装置工艺方案及工艺参数的优化是空分装置工艺方案及工艺参数优化极为重要的问题！

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空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的优化且深冷空分第一个基础理论问题，对于正确进行空分装置的能耗核算具有极端重要的基础作用！