外行学空分(54)一一制冷与精馏！

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   一套完整的深冷空分装置可以分为空气开式热泵一膨胀制冷液化和空气开式热泵精馏两大部分，空气开式热泵精馏部分的作用是实现空气精馏分离，那么空气开式热泵一膨胀制冷液化部分的作用是什么呢？大家一定会说为了补偿热端温差及冷损，以保证深冷空分的正常进行！这种说法对吗？对！但不完整！制冷液化的作用是制取液体产品一一液空，液氧，液氮富氧液空。而热端温差及冷损无非是损耗掉液体产品而已，如果空分装置中的膨胀机停止运行，完全可以通过加入液体产品在短时间内维持空分装置的运行。最基本的双塔流程（空压机出口压5.6bar，没有增压机及高温膨胀机）工艺方案仅有少量的液体产品，对于有液体产品的深冷空分装置（最基本的双塔流程标准工艺方案其实也存在同样的问题，只是由于液体产品数量很小，无论如何核算并不影响气氧单耗而已）如何能耗核算，如何分摊工程造价都很容易被轻忽，例如液氧能耗是气氧的二到三倍，当深冷空分装置的产品方案液气比很低的时候，当然问题不大，液体产品比例大了就成了一个大问题！
  下面我提供一个新单塔流程的基本工艺方案，这是一个制冷液化和精馏并重的工艺方案，并对该方案的能耗分配和工程造价分摊提一个初步意见，欢迎大家批评指正。
' l& t  i( r3 ?6 g   标准状态50000NM3干空气经空气压缩机压缩至4.3bar，纯化后压力4.2bar，其中27500NM3涡轮增压后在主换热器与返流气换热后进入膨胀机膨胀制冷，膨胀后的空气进入常压精馏塔中部参与精馏。其余压力空气22500NM3在主换热器与返流气换热后部分液化进入设置在常压精馏塔底部的空气冷凝器中全部冷凝为液空，其中8000NM3液空经与污氮气，氮气换热过冷后进入常压精馏塔精馏段作为回流液，其余液空14500立
$ l" O2 o! r6 G) d( q1 D% j2 W. ^0 JNM3过冷后送至粗氩冷凝塔顶部的粗氩冷凝器作为冷源，在粗氩冷凝塔顶部冷凝器中蒸发气化，一方面使粗氩冷凝塔顶部粗氩气冷凝形成回流液，一方面自身气化，气化后的空气与膨胀机后的空气汇合后进入空分塔参与精馏。返流氮气42000NM3经主换热器复热后，其中20000NM3作为产品气，其余22000NM3经氮压机两段压缩至5.4bar，经主换热器与返流气换热后进入设置在常压精馏塔底部的氮气冷凝器中冷凝为液氮，经过冷后送至空分塔顶部作为回流液。
5 ]! l9 s9 ~) S# S7 F, x     空分塔底部压力空气和压力氮气的冷凝放热使精馏塔底部的液氧气化，其中8500NM3引出经主换热器复热后作为产品氧气，另引出液氧1500NM3。其余氧气作为提馏回流上升气。空分塔提馏段引出富氩馏分（含氢10%，含氮0.2%，含氧89.8%）约13000NM3进入粗氩冷凝塔中进行冷凝分离，粗氩塔顶部粗氩冷凝器用液空作为冷源，从粗氩塔顶部引出粗氩气产品约400NM3。粗氩气在精氩塔脱氮后得到精氩产品。
    此方案时产氧气9000NM3，液氧1500NM3，氮气20000NM3，精氩约350-400NM3。
    新单塔流程的基本工艺方案，是一个精馏制冷（液化）并重的工艺方案，现将精馏和制冷（液化）部分的工程造价和能耗做一个初步的划分。
   精馏部分，纯化器，空压机的60%（包括用于空气冷凝器的45%加上热端温差损失及散冷损失需要的膨胀制冷空气），氮压机，主换热器的70%，涡轮增压机和膨胀机的25%，精馏塔的全部。
     制冷（液化）部分，空压机的40%，主换热器的30%，涡轮增压机和膨胀机的75%。
, o7 N# h6 \0 a3 ]3 y   能耗亦按照同样的比例在液体和气体产品之间进行分配！
     以上工程造价和能耗的分担方案是否合理，欢迎批评指正。我们可以把双塔流程同样产品方案下的设备配置及能耗做一下比较。
+ h, t) O) _1 ?) f- M/ i+ g- s    当双塔流程不采用增压机加高温膨胀机工艺方案时，液氧产量要达到氧气产量的10%左右空压机的出口压力需要达到7-8bar以上，空压机需要三段压缩。采用这样的工艺方案，由于大部分的压力空气节流进入下塔，制冷（液化）的效率是很低的。当然也可以采用增压机和高温膨胀机，这样可以显著提高制冷（液化）效率
0 L/ e6 c4 [9 q; }    正是由于一套完整的深冷空分装置包括制冷(液化)及精馏分离两个部分，理论上的产品包括精馏产品及制冷(液化)产品，而精馏过程和制冷(液化)过程在深冷空分装置中是完全结合在一起的，如何进行能耗核算是一个大问题。
# {$ O8 h+ f, A   由于对制冷液化的理论认识的不足，这个新单塔流程基本工艺方案和双塔流程基本工艺方案一样，都没有对开式热泵一膨胀制冷液化的工艺方案和工艺参数进行优化，导致开式热泵一膨胀制冷液化效率极低，这个问题将在后面的帖子中加以讨论。

Yb2021

   这是新单塔流程的核心基本流程并不是新单塔流程的基本工艺方案！流程的关键问题在于可行性。而能耗的比较则必须在给定产品方案下，以此核心流程为基础制定出优化的工艺方案下进行。

Yb2021

     精馏和制冷（液化）是深冷空分装置的两个必不可少的组成部分，自从双塔流程出现以后，深冷空分精馏部分就再也没有重大的技术改进，所有的改进都是设备性能参数和工程条件的改进，例如换热器温差的减少，规整填料运用使理论塔板数增加等等。而制冷（液化）的改进则非常多，膨胀制冷代替等温焓差成了主要的制冷方式，双膨胀工艺方案的运用，液体膨胀机的运用等等。

Yb2021

   制冷（液化）和精馏是深冷空分装置的两个必不可少的部分，所以液体产品的能耗和气体产品的能耗也就成为了深冷空分装置能耗核算的核心问题。