外行学空分(6)一一制冷和液化

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2 X7 K- W# w" {# _$ I  空气等温压缩后，采用开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案制取液空，空气等温压缩后，也可以利用开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案制取液空。无论是膨胀机制冷还是等温焓差制冷，要得到液空，都需要部分的压力空气用于液化，其余的压力空气膨胀机制冷或节流减压形成温降(是温降不是焓降，膨胀制冷焓降等于输出功，节流膨胀是一个绝热等焓过程，产生温降但没有焓降），再返流与压力空气换热使压力空气液化并过冷，液化过冷后的液空节流减压部分气化(液体节流减压也是一个绝热等焓过程，节流减压后温度下降，但没有烚降，所以必然部分气化，采用液体膨胀机有少量焓降（液体膨胀机输出功）可以减少气化量，可以降低压力深冷液体减压气化率，从而提高开式热泵一膨胀制冷液化效率，但与节流减压相比幅度并不大，只有3%-5%，这里3%-5%是指制冷有效能效率即能量系统有效能效率分析技术导则中的目标有效能效率的差距，而不是过程有效能效率，过程有效能效率节流减压是零，而液体膨胀机过程有效能效率即绝热效率是70%左右)，最后得到常压的液空。实际上包括了等温焓差，膨胀制冷和开式热泵液化两个过程。而形成的液空实际上是冷量冷能的载体，从原理上分析，是开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，其中用于液化的正流压力空气是以空气为循环工质的开式热泵的循环工质，用于膨胀制冷的正流压力空气是膨胀制冷循环工质，以空气为循环工质的膨胀制冷产生冷量冷能，以空气为循环工质的开式热泵吸收膨胀制冷产生的冷能冷量并实现液化，液化过冷后的液空节流减压（或者液体膨胀机膨胀），用于正流液化的压力空气压力能几乎100%（95%-97%）转化为开式热泵循环工质（空气）冷能的增量。压缩氮气后，采用开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案制取液氮，压缩氧气后，采用开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案制取波氧。从以上叙述我们可以认识到对于常压下沸点远低于环境温度的气体来说，膨胀制冷和开式热泵液化是密切相关的不同过程，膨胀制冷和开式热泵液化过程联合的产品就是沸点在环境温度以下的常压液体，而沸点在环境温度以下的液体就是冷量冷能载体。这个开式热泵一膨胀制冷液化过程不是常见的开式热泵制冷液化过程（即压缩液化工艺方案），开式热泵制冷液化只适用于临界温度高于环境温度的气体的液化，临界温度高于环境温度的气体，可以采用开式热泵制冷液化工艺方案，其产品液体（常压液体，沸点在环境温度以下）其中的冷量来自冷却水（压力气体冷凝向冷却水输出热量自身液化，相当于输入冷量），其冷能来自压力气体中压力能的转化，深冷空分中制冷的原理是膨胀制冷和等温焓差。深冷空分教科书中关于制冷部分的内容虽然有些散乱，但是无疑都是正确的，这些内容都在热力学第一定律的范围内（开式热泵液化部分属于热力学第二定律的热功转换的逆循环）是最基本也是最简单的。但深冷空分教科书的这部分内容也存在一个非常重要的缺陷，那就是偏重于制冷而对液化则很少涉及，其实等温焓差或膨胀机制冷只是开式热泵一膨胀制冷液化过程和开式热泵一等温焓差制冷液化过程的一个组成部分而不是全部，如果没有结合开式热泵而全面理解开式热泵一膨胀制冷液化过程及其效率，会产生许多的混乱认识。现在的深冷空分双塔流程一般情况下只有一台空气压缩机，没有氮气压缩机氧气压缩机氩气压缩机，但却可以得到液氮液氧液氩等产品，那是因为深冷空分装置除了制冷和液化(以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化过程产生液空）这个模块外，还有一个空气精馏分离模块，可以得到气氮气氧气氩气，再结合精馏过程通过液空冷量冷能转换从而得到液氧液氮液氩。深冷气体的开式热泵一膨胀制冷液化效率大约在什么范围呢？下面提供一些参考数据，氢气液化效率在20%-30之间，天然气液化效率大约在25%，空气压缩到6bar，采用开式热泵一膨胀制冷工艺方案，可以得到空气压缩量3%-5%的液空，(制氧技术)中有氧气实际液化功1.25-1.47kWh每立方米液氧，折算液化效率17%-20%！同时也有当深冷空分采用双膨胀制冷工艺方案时，气氧液化单耗（实际上是标准双塔流程基础上采用双膨胀工艺方案时的边际液化单耗）可以低至0.65Kwh每立方米液氧(折算液化效率为38%)的说法。当然也有专家认为气氧实际液化效率50%，实际液化功0.5Kwh每立方米液氧的说法。这些说法并无对错之分，而是在不同设备性能参数不同工程条件下及不同工艺方案及工艺参数下得到的结果。
8 s7 d  i# i# O! {" S! E) Z$ @      现在讨论一下制冷和液化效率的影响因素。以下讨论都以膨胀制冷循环工质和液化原料相同，压力也相同的情况，至于膨胀制冷循环工质不同，压力也不同的惰况暂不讨论。
8 o% S( \1 j6 \# I) B8 D& o   对于开式热泵一膨胀制冷液化效率影响最大的因素是动设备的设备性能参数。开式热泵一膨胀制冷液化过程用到的动设备有压缩机包括膨胀制冷循环工质压缩机及液化原料压缩机（即开式热泵循环工质压缩机）两者可以合并也可以分设，其压缩效率习惯上以等温效率表示。膨胀机效率以绝热效率表示。除此之外还有涡轮增压机。利用膨胀机制冷的输出功增压膨胀机制冷循环工质，习惯上用等温效率表示但有时也用绝热效率。液体膨胀机用于高压原料气液体的膨胀以减小其节流减压膨胀过程的气化率，其输出功用于发电或带动风扇消散，一般以绝热效率表示。以上动设备的效率都是有效能效率。其实在热力学中所有用到效率的场合都是有效能效率！不是有效能效率的则以系数或其它词汇表示。动设备效率高则制冷和液化效率高。压缩机等温效率一般在65%75%，极限效率可能达到80%(现在已经有等温效率76%的报道)！膨胀机绝热效率一般在一般在75%-85%之间。涡轮增压机效率和压缩机一样但一般情况下要低一些。液体膨胀机的效率和膨胀机的效率一样，但一般情况下也要低一些。
, F7 n7 W4 X* ~3 d- _+ u' U% J& X     影响制冷和液化效率的第二类因素是工程条件包括保温状况散冷损失，正返流阻力损失及换热温差。其中当开式热泵一膨胀制冷液化过程压力较低的时候，正返流阻力损失对开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响非常大。而需要液化的气体常压下的沸点越低，换热温差对制冷和液化效率的影响就变得非常突出！
   影响开式热泵一膨胀制冷液化效率的另一个重要因素是开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，等温焓差制冷其制冷和液化的效率是非常低的，即使同样采用膨胀制冷也因膨胀制冷工艺方案工艺参数的的不同，开式热泵一膨胀制冷液化的效率差别很大。
    如果散冷损失为零，正返流阻力损失为零，换热温差为零，这样的工程条件当然是极限工程条件！现在我们计算一下在极限工程条件下，膨胀机进口温度100K以上时不同设备性能参数下的膨胀机制冷效率(不包括液化部分)，压缩机等温效率75%，涡轮增压机等温效率75%，膨胀机绝热效率85%，计算出膨胀机制冷效率不到55%。压缩机等温效率70%，涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%，计算出的膨胀机制冷效率不到50%！而在同样设备性能参数及极限工程条件下，开式热泵一膨胀制冷液化效率则分别是40%和35%！如果空压机，涡轮增压机等温效率80%，膨胀机绝热效率90%在极限工程条件下，开式热泵一膨胀制冷液化效率可以达到50%！认真理解膨胀制冷效率和开式热泵一膨胀制冷液化效率之间的区别和联系及它们之间的差距，是掌握深冷空分制冷和液化原理的最基础的内容。
0 J' g& z) r* ?% r% s   深冷空分教科书中的冷量平衡，膨胀机高温高焓降等重点突出的内容，其实都是热力学第一定律的基本内容。空分装置是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案和空气开式热泵精馏工艺方案的联合装置。将空气液化部分一带而过，而突出冷量平衡，高温高焓降，等温焓差等非常不恰当！

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   深冷空分教科书中关于精馏部分的內容，不但內容非常简单，简直可以说是误人子弟。仅反反映了一百多年刚刚从蒸馏向精馏转变的时候人们对精馏认识，而且是双塔流程出现后，对精馏理论进行的适应性叙述，有非常明显的循环论证的味道，形成了一个封闭的自中合系统，当然也就完全隔离了精馏理论发展对深冷空分流程的影响，这是违反科学精神的，也是很不幸的。

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   制冷和精馏是深冷空分装置的核心功能，制冷在深冷空分装置中有三个作用，一是精馏启动的前提条件，二是补偿深冷压缩形成的冷损，装置散冷形成的冷损及正返流气体换热的热端温差形成的冷损。三是制取液体产品。
* Y9 m1 B) i6 Y4 }% _    深冷空分装置中制冷的原理是膨胀机膨胀制冷和等温焓差，而不是常见的热泵制冷。深冷空分装置中的制冷介质一般情况下是空气，少数情况下也有以氮气作为制冷介质的情况。
! o" I3 z9 i7 b" F! S    深冷空分技术发展初期等温焓差是唯一的制冷方式，后来出现了膨胀机制冷技术，等温焓差制冷方式就逐渐退居次要，但仍然发挥一定的作用，仍然是冷量平衡的一个重要因素。毫无疑问膨胀制冷的效率要比等温焓差制冷方式高得多！
   深冷液体是冷量的最重要的载体，所以制冷某种程度上可以称为制取液体！也正是由于这个原因，可以通过液体输入代替制冷部分。例如提氩流程中粗氩塔是通过输入氩馏分中带有少量液体从而实现冷量平衡，而精氩塔则通过输入少量液氮实现冷量平衡。

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气氧实际液化功这样一个基础性的问题，权威教科书，权威专家之间的差距竟然达到接近3倍，真是让我们外行很无语！

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  制冷（液化）是深冷空分装置的核心模块之一，但深冷空分中的制冷（液化）并不是常见的热泵制冷，而是膨胀制冷和等温焓差制冷。