外行学空分(38)一一新单塔流程和双塔流程的比较(6)能耗

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3 K( [- O3 k4 p: g1 Z4 F0 H( ^1 `     一个完整的深冷空分装置由空气开式热泵精馏及空气开式热泵一膨胀制冷液化两部分构成，无论是新单塔流程还是双塔流程均是如此，而制氧电耗这个深冷空分装置核心能耗指标则受到空气开式热泵精馏效率和空气开式热泵一膨胀制冷液化效率这两个因素共同的影响。
5 z' q' h$ C9 H: N' @( [0 I, ~( R    从精馏角度来说，无论是古典单塔制氧流程，古典单塔制氮流程，双塔流程还是新单塔流程都是开式热泵供冷供热精馏流程！它们之间的区别在热泵形式（直接热泵，一拖二热泵）和精馏工艺方案（单热泵工艺方案，双热泵工艺方案，三热泵工艺方案）的不同。
6 v; Q" N1 q$ u7 Z9 g0 K7 G4 L    从热泵形式而言古典单塔制氧流程和新单塔流程都是标准常规开式热泵精馏工艺方案，而古典单塔制氮流程是部分冷凝的开式热泵供冷供热（循环工质只有部分冷凝）冷凝工艺方案，双塔流程是以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案。从开式热泵供冷供热有效能效率而言，标准常规开式热泵（即直接热泵）的效率高于一拖二开式热泵。从精馏效率而言双热泵精馏工艺方案的精馏有效能效率高于单热泵精馏工艺方案的精馏有效能效率。
   从单热泵及多热泵精馏而言，一般而言单热泵精馏的精馏效率低于双热泵精馏及多热泵精馏，而双热泵精馏效率又低于多热泵精馏。可以思考一下在开式热泵供冷供热方案下，如何实现完全可逆的精馏过程。这个道理就是显而易见的！
    双塔流程空压机出口压力基本上就是下塔压力加上阻力，这个压力也基本上(末考虑涡轮增压的问题)是膨胀机进口压力，受限于下塔压力这个压力只能提高不能降低，双塔流程的膨胀机膨胀制冷效率基本上是固定的，对于低温膨胀机(膨胀后的空气进入上塔或新单塔流程的空分塔，更准确的说法应该是低背压膨胀机)，在空压机及膨胀机和涡轮增压机机械效率不变的情况下，实际工程条件下（考虑正返流阻力）膨胀机进口压力越高，膨胀制冷效率越高。
' _7 Q: M% C, T& ^    对于新单塔流程基本工艺方案来说，空压机的压力理论上只决定于深冷空分装置的制冷量和通过膨胀机的空气数量，考虑到系统的阻力，新单塔流程的制冷效率在一定空气压力之前膨胀制冷效率等于零，然后随着空压机的出口压力提高开式热泵一膨胀机制冷液化效逐步提高直到和双塔流程的制冷效率相等。采用空气氮气双热泵工艺方案后，新单塔流程的空压机出口压力也是压力空气的换热阻力加空气冷凝器的冷凝压力，一般情况下在4.3bar（以空气冷凝终未温度计算，当以空气冷凝平均温度计算时，空压机出口压力为3.9bar），也是只能提高不能降低。
    当新单塔流程采用空气氮气双热泵精馏工艺方案时，空压机的出口压力是4.3bar，氮压机的出口压力是5.4bar，氮压机压缩量是空压机压缩量的44%！其中45%的空气作为热泵精馏循环工质用于精馏！双塔流程空压机出口压力5.6bar，其中85%的空气进入下塔作为热泵精馏循环工质，15%的空气进入膨胀机膨胀制冷。以上无论是新单塔流程还是双塔流程空分塔均是按照氮氩一氧进行精馏组织的（实际上是氧氩氮三元物系经隔板模型优化后的依次精馏组织方案），空分塔底部的氧气纯度均可以达到99.5%以上，均可以从空分塔提馏段引出含氪10%的富氩馏分在粗氩冷凝塔中制取粗氩，只不过双塔流程以富氧液空作为粗氩冷凝器的冷源，而新单塔流程采用液空作为粗氩冷凝器的冷源。
: ^- a% w) ~2 e3 _9 b' Q: h2 ]! p     新单塔流程的空压机功耗加氮气压缩机功耗是出口压力5.6bar的空压机功耗的120%！而双塔流程的小型空分装置的空压机其出口压力不可能是5.6bar！而是大大高于5.6bar！其原因在于采用双塔流程的小型空分装置需要提高空压机出口压力来提高制冷量以实现空分装置的冷量平衡。一般情况下要达到8-9bar，这样相对于出口压力5.6bar压缩功耗增加20%-30%！这样采用双塔流程的小型空分装置其空压机压缩功耗反而比采用新单塔流程小型空分装置的空压机和氮压机功耗之和高10%左右！如果考虑在以上工艺方案下，新单塔流程的液体产品数量大于双塔流程，则能耗优势更大！
% r6 E6 Y# R' S2 {! o' X9 k   对于大型空分装置而言，以上工艺方案下的新单塔流程液氧产量将达到氧气产量的10%-15%！如果新单塔流程的氮气冷凝器设置在液空入口处，则氮气压缩机的出口压力可以降至2,1bar，这样新单塔流程的空压机和氮压机的压缩功耗之和相当于双塔流程空压机压缩功耗的95%左右，当然这样情况下新单塔流程进入空气冷凝器的空气数量要达到空气总量的85%，进膨胀机的空气数量只能占空气总量的15%！液氧产量略高于双塔流程。
   在新单塔流程和双塔流程进行能耗比较时，不能简单地以新单塔流程的核心流程直接与双塔流程进行比较，而应该以新单塔流程的空气氮气双热泵工艺方案和双塔流程进行能耗比较！当然这种比较是初步的，不同的产品方案，不同的工艺方案其结果是不同的。
5 S( r0 a+ T' q) N& z: W    其实双塔流程（以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案）和新单塔流程空气，氮气双开式热泵精馏工艺方案的能耗比较是非常简单的，但由于没有对空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数进行优化导致空分能耗核算的混乱，导致许多无益的争论。其实只要抛开空气装置能耗核算。直接比较用于开式热泵供冷供热方案的热泵循环工质压缩功耗即可！
   在进行这样比较时，首先要明确是氧氮二元物系精馏分离还是氧氩氮三元物系精馏工艺方案！如果是氧氮二元物系精馏分离，以干空气处理量50000NM3为例，双塔流程进入下塔空气数量占空气总量的70%！压缩功耗2450KWh！新单塔流程空气，氮气双开式热泵精馏工艺方案，氮压机出口压力5.4bar，压缩量22000NM3，压缩功耗1400KWh！进入压力空气冷凝器的空气数量8000-10000NM3，空压机出口压力4.2baY！压缩功耗500-600KWh！开式热泵循环工质总压缩功耗1900-2000KWh！如果是氧氮氩三元物系精馏工艺方案，双塔流程进入下塔空气数量为42500NM3，压缩功耗30000KWh！新单塔流程空气，氮气双开式热泵供冷供热精馏工艺方案，进入压力空气冷凝器的空气数量22500NM3，空压机出口压力4.2bar，压缩功耗1350KWh！进入压力氮气冷凝器压力氮气数量22000NM3，压缩功耗1400kWh，开式热泵循环工质总压缩功耗2750kWh！新单塔还可以采用空气，氮气，工艺氩气三开式热泵供冷供热方案，其中氮气压缩量22000NM3，压力空气进入压力空气冷凝器数量8000-10000NM3，工艺氩气压缩量14000NM3，压缩比2.3！氮气压缩功耗1400KWh，空气压缩功耗500-600KWh！工艺氩气压缩功耗500KWh！开式热泵循环工质总压缩功耗2400-2500kWh！
, m/ r, u1 ~$ i" v      无论是双塔流程还是新单塔流程标准工艺方案及其比选工艺方案，其空气开式热泵一膨胀制冷液化效率由于用于液化的开式热泵循环工质的压力大大低于空气临界压力（38bar），导致开式热泵一膨胀制冷液化效率很低，只有20%-25%甚至更低，这样空分装置因为无法确定合理的液体产品核算扣除值在能耗核算中就产生了极大的混乱，关于这个问题后面将进行详细讨论。现在只是先简单地进行一下比较。

Yb2021

重新编辑了一下，把一些问题说得更清楚一些！