外行学空分(89)一一双塔流程中上塔和下塔是串联还是并联关系

   这个问题之所以重要是因为对此问题有一个清晰的判断，那么我们对新单塔流程和双塔流程的能耗对比就有了一个初步的判断，那就是新单塔流程在相同的设备性能参数工程条件下将拥有相对于双塔流程的开式热泵精馏总效率优势，这里的开式热泵精馏总效率当然是有效能效率，虽然开式热泵精馏有效能效率优势不能直接推导出新单塔流程拥有相对于双塔流程的能耗优势（空分装置还包括空气开式热泵一膨胀制冷液化部分，它的效率高低对空分装置能耗水平也有重大的影响），但做出一个初步判断的依据已经非常充分。
. o- X! R3 d, x+ X6 v" s. |  掌握有效能分析方法的人都知道，一个系统如果分为两个子系统，判断子系统之间是并联关系还是串联关系的依据是系统的有效能效率和子系统有效能效率之间的关系。如果两个子系统是并联关系那么系统的有效能效率是两个子系统有效能效率的加权平均，如果两个子系统是串联关系，那么系统的有效能效率是两个子系统有效能效率的乘积！当然无论子系统之间是并联关系还是串联关系，系统的有效能损失都是两个子系统有效能损失的之和。
  双塔流程中的上塔和下塔的关系是串联关系还是并联关系呢？本来这个是没有讨论余地的，因为上塔和下塔是串联关系的依据太充分了！一，上下塔压力不同，二，下塔的物料全部进入上塔，三上下塔之间通过主冷凝器直接相连。有的专家提出，膨胀机的膨胀气体直接进入上塔而没有经过下塔，因此它和下塔是并联关系！有没有道理？有！但两个因素需要考虑，一，进入下塔的空气量占总空气量的85%以上，通过膨胀机的空气量只占15%，二，如果要让并联关系成立，那么上塔就应包括膨胀机，不然膨胀机后的空气只是参予精馏(在很早以前，膨胀机后的空气是不进入上塔的，而目前主流的双塔流程工艺方案是压力空气全部进入下塔没有所谓低温膨胀机的)，不改变上下塔串联关系。上塔包括膨胀机吗？肯定不包括！
    以上的结论只是一个感觉而不是一个严密的论证过程，现在我们已经知道深冷空分双塔流程是一个以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏流程！这样我们可以从热泵精馏的角度来说明上下塔的关系！
$ F1 U8 L8 t" d4 B    开式热泵精馏的效率是热泵效率（多热泵则是加权平均效率）和精馏效率的乘积！其中热泵效率是热泵输出的温差有效能（卡诺功）和热泵循环工质复热常温压缩功耗的比值，精馏效率则是精馏过程最小分离功和开式热泵输入的温差有效能（卡诺功）的比值
    就精馏过程而言，双塔流程的上塔是双热泵精馏工艺方案，就热泵而言双塔流程是一拖二热泵，下塔是一拖二热泵转换器。把以空气为循环工质的开式热泵转换为以氮气为循环工质的开式热泵和以富氧空气为循环工质的开式热泵。一拖二热泵转换将导致热泵效率下降（就双塔流程而言，一拖二热泵转换使热泵效率下降20-25%！）这其实是双塔流程作为深冷空分根流程的根本缺陷所在！
, Z, d) _0 Q" }8 p' i    之所以对上下塔是串联还是并联关系认识不同，还有一个非常重要的原因，那就是关于分系统的有效能效率计算，现在新颁布的能量系统有效能效率分析技术导则突破性地提出了目标有效能效率的定义和计算，这就彻底结束了关于分系统有效能效率定义和计算出现的混乱情况。
2 V1 G, \. `4 T* V/ l& @0 d    如果采用目标有效能效率的定义和计算公式，如果将下塔视为初级精馏塔（这样上下塔是并联关系），那么下塔目标有效能效率在40%-50%！上塔目标有效能效率也是40%-50%！加权平均有效能效率40%-50%！如果将下塔视为供冷供热开式热泵一拖二转换塔（上下塔串联关系），那么下塔目标有效效率60%-70%！上塔目标有效能效率70%-80%！上下塔开式热泵供冷供热精馏有效能效率同样是40%-50%！空压机等温效率70%，则双塔流程空分装置开式热泵供冷供热精馏有效能效率30%-35%！而在同样设备性能参数及实际工程条件下新单塔流程空分装置开式热泵供冷供热精馏有效能效率在40%-50%！两者之间的差距就是一对一供冷供热开式热泵有效能效率和一拖二供冷供热开式热泵有效能效率的差距！

还有主冷、粗氩冷凝器、过冷器和液空节流等，这些都没有产生分离功，但是有损失，有分母，分子是0，和上下塔粗氩塔等一起加权平均后，就拉低了效率。下塔与上塔的关系，正如空压机的一级和二级，看似串联，实际压能增加与电能减少是并联，分离功增加与冷能减少也是并联。
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我让你试试的那个上塔下部最大回流比的问题是很有意义的，你可以用这个方法估计需要进下塔的空气量，或你的单塔流程中需要的循环氮气量。你上次说出了一个循环氮气量，我就说你是氮-氧二元计算结果，只能生产95%纯度的氧气。

主冷氧潜热是氮潜热的1.39倍，氧潜热是进下塔空气潜热的1.3倍。用这个方法可以估计主冷冷凝氮气量等，但你要先计算出提馏段最大回流比，然后实际回流比可以取最大回流比的0.95倍。
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先生认为我计算的有效能效率和分离功除以物理火用的减少是一致的也就可以了，至于其它的细节有机会可以再讨论。先生对深冷空分全装置的有效能效率计算结果我基本上都是同意的，例如全装置的有效能效率接近20%，下塔的有效能效率是70%左右，甚至于上塔的有效能效率比下塔低我也是同意的。至于上塔和下塔是串联关系还是并联关系，我要多说几句。我认为上塔和下塔是近似串联关系肯定不是并联关系，不知道先生有没有计算过空分精馏塔的有效能效率和上塔的有效能效率？我可以提供一个我的估计数，空分塔的整体有效能效率在35%左右，上塔的有效能效率在50%左右，我不能保证数据完全正确，但差距不会太大，欢迎先生指教，如果我提供的数据基本正确，那么空分塔的有效能效率就接近上塔和下塔的有效能效率的乘积而不可能是上塔下塔有效能效率的加权平均，因为无论权数怎么取，加权平均数都不可能低于50%

尤总说来说去，还是回到我说的“有效能效率=分离功增量/物理火用减少量”了，因为物理火用减少量=分离功增量+有效能损耗。这种算法的下塔有效能效率是70%左右，上塔效率明显低于下塔，但这种上下塔效率就不能相乘了，只能加权平均，就像压缩机第1级和第2级效率只能加权平均。至于尤总从《制氧技术》上看来的那个70%，说的是筛板塔效率，10块筛板相当于7块理论板，不是说有效能效率70%。

学习了。很深奥

这个问题现在很清楚了，他们使用的有效能效率计算公式是有严格的前置条件的，整个空气精馏塔包括上塔下塔都不符合这个公式的前置条件，不能用这个公式计算出有效能效率！还是应该老老实实按照可逆过程的最小功及实际过程的实际功的比值来计算出有效能效率是。计算公式是可逆最小功除以可逆最小功和过程有效能耗损之和。

我明确指出双塔精馏系统有效能效率大约在40一50%，上塔下塔有效能效率在70%左右先生肯定不能同意，但似乎有所心动。看先生的回复先生大体同意深冷空分全装置的有效能效率在20%左右，这一点其实讨论的余地不大，先生认为李化治(制氧技术)中26%的数据偏大，那我们之间就很接近了。很多人都进行了双塔精馏系统及上塔下塔的有效能效率计算，其结果都在90%以上，与我的观点出入极大！首先我认为他们的计算应该没有问题，但要指出他们计算都是采用运用最广泛的系统有效能效率算法，不能说不正确，但是这个运算结果和深冷空分全装置的有效能效率20%的状况矛盾极大！这个问题如何解决？我先提出几个思路与先生探讨，一，其实有效能效率有系统有效能效率和过程有效能效率的区别，还有先生提出的有效能投入产出效率，都是有效能效率的表现方式，那种有效能效率更切合深冷条件下精馏有效能效率实际状况？二，能不能用空气分离最小功与双塔精馏系统有效能损耗值的比值作为深冷条件下精馏系统的有效能效率？毫无疑问用这些方法计算出的有效能效率郝会比用传统的有效能效率计算出的有效能效率低得多，但要说明其合理性却是一个大问题，有效能和有效能效率是热力学中难点，某种程度上是哲学层次的问题但意义很大一且错误会有很大的误导作用，实在太烧脑了。

以生产气体产品为主的空分装置有效能效率20%，大约是指：
1Nm3空气在300K时压缩至6bara，空压机电耗300/273.15*101.3*LN(6)/0.7=284.78kJ
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1Nm3空气在环境温度300K时完善分离的最小分离功是：
(0.7812*LN(1/0.7812)+0.0093*LN(1/0.0093)+0.2095*LN(1/0.2095))*300*8.314/22.4=62.78kJ
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9 R, Q& I) ?9 D0 k- C* H所以有效能效率62.78/284.78=22%

这是粗略估计。李化治《制氧技术》中分离功26%，可能偏大了一点。当然，如果空压机效率更高，而且空气压力更低，也可能接近26%，因为分母变小了。李的数据也是从别的文章中引用过来的，或许原文就没有说清楚。

$ j! I% a% J5 F  p! w空分中每一步骤都有损失，空压机压缩、空气预冷、吸附解吸、主换热器、膨胀机、下塔、上塔、主冷、粗氩冷凝器、粗氩塔……

先生能认同我关于所有深冷空分流程都是热泵精馏流程的观点我非常高兴，我们关于热泵相关的争论基本上都结束了。现在的分歧仅限于是以氮气为循环工质的热泵精馏流程有利还是以空气为循环工质的热泵精馏流程有利的问题了。我先回答先生提到的几个具体问题，一是关于液氮是否是下塔进料的问题，先生认为液氮是下塔精馏进料之一，这完全正确，我的观点是将双塔分为上塔下塔两个子系统时，无论将主冷凝器归于上塔还是下塔，液氮都是在下塔內产生的，在进行有效能核算时都不能视同进料，这个请先生深恩之！下塔的进料只有一个就是空气，主冷凝器输入的只有有效能！主冷凝器归于上塔和下塔区别只在于主冷凝器造成的有效能损失归属而已。
   另外先生认为深冷空分很难区分前后，我认为可以按照有效能耗损的方向区分前后。我试着按此原则区分如下，一是空气压缩机，二是主换热器至膨胀机分流前，正流气和返流气换热作有效能输入处理。三是一部分空经膨胀机膨胀进入双塔精馏系统，一部分空气继续和返流气换热进入双塔精馏系统，这两部分是并联关系。四是双塔精馏系统。五主换热器返流气部分，返流气和正流气换热作有效能输出处理。毫无疑问这五个子系统是串联关系，也是有效能不断耗损的过程，各过程都可以计算有效能效率及有效能耗损量，有效能效率重要，有效能耗损量和空气最小分离功的比值更重要。由于主换热器的存在，相当于给双塔精馏系统的进口和出口有效能加了一个高跷跷板，这个时候比较双塔精馏系统的有效能效率已经失真，双塔精馏流程的有效能耗损值及有效能耗损值5空气最小分离功的比值更重要更接近于精馏塔的实际有效能效率，是否正确请先生指散。

指教不敢当，说一说我个人看法。我觉得，如果前一个效率的分子正好是后一个效率的分母，那就可以相乘，否则不能相乘。
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( C! j( _* l" l' g主冷可以归于下塔或上塔，但主冷温差损失很大，通常比下塔损失还大。以上例子中，如果主冷温差1.6K，主冷温差引起的有效能损失是下塔损失的1.54倍，所以要尽量减小主冷温差。主冷和下塔合在一起计算时，主冷损失是大头。
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+ C, i; C8 |6 r; K下塔精馏计算时，进料就是塔底空气和塔顶的液氮，出料是塔底的富氧液空和塔顶的氮气。物料和热量衡算时，也是进料=出料，空气+液氮=液空+氮气。
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以上计算中，下塔损失0.9%，看似很小，实际是分母太大引起的。李化治《制氧技术》中损失分摊，压缩23%，换热22%，预冷净化6%，精馏16%，其他损失(可能包括膨胀、跑冷等)7%，分离功26%，可能都是以空压机电耗为分母。但他这样分并没有详细解释，如压缩23%是否包括了空压机的冷却器？主冷和氩冷凝器温差损失是算在换热还是精馏中？如果下塔损失也以空压机电耗为分母，估计下塔损失在2~3%之间，精馏损失中上塔是大头。

空分循环过程，有时很难分清谁先谁后，主换→下塔→上塔→主换，你说主换是在上下塔之前还是之后？换热器和精馏塔都是两头进料两头出料，系统有效能又怎么算？

2 f! e8 N& a3 l" F物理火用是指因压力和温度偏离环境产生的有效能，也称焓火用；因组分不同产生的有效能称为化学火用，包括分离功。
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尤总的想法有些也有道理，空分工艺过程实际就是一个大热泵循环。虽然我并不认同尤总的氮气循环热泵和粗氩精馏热泵方案，我认为这样的大规模使用与空气循环重复了。但我认为热泵技术在某些特殊情形下还是有可能使用的。
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