外行学空分(192)一一深冷空分装置的制冷和液化(四)

    制冷和液化是深冷空分装置非常重要的组成部分，其最重要作用在于补偿空分装置的正返流气换热器热端温差及散冷损失造成的冷量损失，以维持空分装置处于气液共存的稳态化运行，另一个重要的作用是制取液体产品。深冷气体的液化是一个可以单独进行的过程，但深冷空分装置和深冷气体液化装置具有很大的联合红利，深冷空分气体的单独液化装置只有在特殊的情况下经济上才是可行的，一般都是在空分装置中联合生产液体产品。
    临界温度在环境温度以下或附近的气体液化有两个基本工艺方案(临界温度在环境温度以上的气体理论上可以通过压缩并用冷却水冷却实现液化，本质上是开式热泵制冷液化），一是热泵接力方案，只适用气体临界温度在环境温度附近的气体的液化。例如二氧化碳的液化就是采用热泵接力的工艺方案实现液化，气体二氧化碳加压到较高压力，然后用液氨常压气化供给冷量使二氧化碳液化，而气氨则通过冰机压缩至较高压力用冷却水冷却液化循环使用，热泵接力工艺方案随着热泵接力级数的增加液化效率迅速下降！临界温度距离环境温度较远的气体必须也只能采用开式热泵一膨胀制冷的联合工艺方案实现液化。其基本工艺方案如下。
  @. K7 g. V8 x" [" ?- }    需要液化的原料气体在常温下压缩至一定的压力冷却至常温后进入主换热器与返流的膨胀制冷后的循环工质进行换热直至液化，节流(或者采用液体膨胀机)减压后部分气化，余下的液体作为产品引出，气化的原料气体作为返流气与正流原料气换热后与新鲜原料气汇合后进入原料气压缩机。膨胀制冷循环工质在常温下压缩至一定的压力冷却至常温，压缩后的膨胀循环工质经与返流气换热器至一定温度后进入膨胀机膨胀对外做功形成焓降使膨胀循环工质的温度下降，膨胀制冷后的循环工质与需要液化的正流气体换热并使其液化后再与正流循环工质及正流需要液化的气体进行换热复热，复热后的返流循环工质气体再重复压缩进入下一个循环。液化原料气体既可以和膨胀制冷循环工质一样也可以不一样。液化原料压缩压力和膨胀制冷循环工质的压缩压力也是同样的情况。
4 W4 F% ^( _7 `: F   在讲到深冷空分装置的制冷和液化的时候，我们总是把膨胀制冷和液化并列，其原因在于膨胀制冷和液化的关系是非常密切的，但两者之间还是存在非常重要的区别，其中膨胀制冷是深冷气体液化的一个必不可少的组成部分，液化过程不仅仅是膨胀制冷，而且必须有以液化原料气为循环工质的开式热泵才能吸收膨胀制冷产生的冷能冷量（其中膨胀制冷同时产生冷量和冷能，而等温焓差制冷只能产生冷量而不产生冷能），提高等温焓差膨胀制冷产生的冷量品位后才能实现液化！在给定设备性能参数压缩机及涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%，膨胀机进口温度大于100K的条件下，膨胀制冷的极限效率可以达到50%，而同样条件下，开式热泵一膨胀制冷极限液化效率只能达到35%，两者之间存在重大的差距。
! J$ m8 m2 W2 Q  k; \& V7 d7 D    深冷气体的液化效率为液化气体的冷能和原料气体常温压缩功及膨胀制冷循环工质复热常温压缩功之和的比值。理论上还应该加上原料气体和膨胀制冷循环工质压缩过程的冷却水电耗。
* q  s7 f1 Z! l# x7 F8 x3 ^   除了空分产品外，其它的深冷气体如天然气，氢气等均是采用以上的工艺方案实现液化！其实际液化效率一般在20%-30%之间。空分产品液化效率(单耗)则非常混乱，以(制氧技术)为例，书中既有气氧液化功单耗1.25-1.47kwh每标准立方米液氧(相当于液化效率17-20%)的数据，也有空分装置采用双膨胀工艺方案时气氧液化单耗可以达到0.65kwh每标准立方米液氧(相当于气氧液化效率35-40%)的表述。两者的差距高达一倍！当然也有人认为气氧液化效率为50%，气氧液化单耗为0.5kwh每标准立方米液氧，甚至也会看到气氧液化单耗低于0.5kwh每标准立方米液氧(气氧液化效率高于50%)的文献。
   之所以出现如此混乱的情况，原因是多方面的，既有认识上的问题，例如把膨胀机制冷效率和开式热泵一膨胀制冷液化效率不加区分，也有开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案优化的问题，例如在实际工程条件下，标准双塔流程工艺方案由于用于液化的空气压力低于6bar，远低于优化的压力38bar，开式热泵一膨胀制冷液化效率很低只有20%左右！当然还有空分装置的能耗核算问题，例如用标准双塔流程工艺方案的边际液化单耗作为核算扣除值等等，这些问题将在后面进行详细讨论。

林德在福建漳州的一套液体空分，空气膨胀循环的中压流程，参数如下：

9 H% Z. B: x" f空压机流量(有效流量)74283Nm3/h，出口压力21.45bar，压力bar都指绝压，下同。
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产品氧气7000Nm3/h，压力31bar
密封氮气200Nm3/h，压力5.16bar
液氧3000Nm3/h
  Z- c* W' V3 T, Y液氩350Nm3/h
液氮6000Nm3/h
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设空压机效率74%，则空压机功耗：
74283*101.3*300/273.15*ln(21.45)/3600/0.74=9511kW

氧气压缩效率和氮气压缩效率同样取74%，功耗：
(7000*ln(31)+200*ln(5.16))*101.3*300/273.15/3600/0.74=1018kW

液氩按1:1折算液氧，氧气分离单耗取0.35kWh/Nm3，则氧气分离功耗是：
(7000+3000+350)*0.35=3623kW
2 ?4 z# J, {3 L/ z! s- X. k; h6 i
氮气不分摊功耗，空压机功耗-氧氮气压缩功耗-氧气分离功耗=液化功耗
9511-1018-3623=4870kW

& q$ j! d0 }. Q液化效率
((3000+350)*0.25+6000*0.27)/4870=50.5%
: Z( J" Y6 D7 L  K( S. V