外行学空分(57)一一新单塔流程和双塔流程的能耗比较

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   从流程设计上来说，毫无疑问双塔流程是复杂且精妙的，而单塔流程则是简单直接粗暴的，双塔流程的精妙大家知之甚深，我就不多说了。我就介绍一下新单塔流程的简单直接粗暴。
" g9 b3 K; l5 B- I   新单塔流程当然比双塔流程简单得多了，直接则要多说几句，双塔流程中的空压机既负责精馏原料空气输送制冷又负责精馏，而新单塔流程核心流程中空压机只负责原料空气的输送和膨胀制冷循环工质的压缩，而氮压机则只负责精馏开式热泵循环工质的压缩。粗暴则是说新单塔流程核心流程中提高制冷量只有一个办法那就是提高空压机出口压力，提高氮气氧气纯度也只有一个办法，那就是增加氮压机的压缩量，而氮压机的出口压力则是决定于阻力和换热温差等工程条件是不变的，空压机压缩量则决定于空分装置的规模也是不变的，太简单直接粗暴了！毫无奇思妙想！
   简单直接粗暴有简单直接粗暴的好处，当然也有坏处，好处是高效率，具体体现在新单塔流程的双开式热泵供冷供热工艺方案精馏效率和双塔流程相当而热泵效率比双塔流程的一拖二热泵高15%-20%！如此则新单塔流程双开式热泵供冷供热精馏工艺方案的热泵精馏效率相对于双塔流程标准工艺方案高15%-20%！坏处则是空气开式热泵一膨胀制冷液化部分和开式热泵精馏协调性差，具体表现在制冷液化效率上，随着产品液气比高低变动很大不能总是处于最优状态，很多情况下偏离还很大。复杂精妙有复杂精妙的好处，当然也有坏处，好处是协调性好，具体是指制冷总是处于最优状态，坏处则是开式热泵精馏效率低，其实这也很好理解，一个单级精馏塔双热泵精馏过程有效能效率70%-80%，而下塔的有效能效率也是75-80%，而包括上下塔的精馏过程效率（实际上下塔并不是一个初级精馏塔而是空气热泵一拖二转换塔，也就是说从开式热泵精馏的角度来说，双塔流程并不是精馏过程效率低，而是开式热泵的效率低！但从热泵精馏总效率而言并无区别。）则为50%左右，这是可以得到双塔流程实际运行数据支持的。复杂精妙无法简单直接粗暴，不然它就不是双塔流程了，简单直接粗暴的新单塔流程则可以优化调整，增加精馏制冷的协调性！其实双塔流程的全低压工艺方案其空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化也是不协调的，只有采用双膨胀工艺方案的空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化才是比较协调的！只不过双塔流程全低压工艺方案的开式热泵精馏和开式热泵一膨胀制冷液化的协调性相对于新单塔流程双热泵工艺方案的开式热泵精馏和开式热泵一膨胀制冷液化协调性好一些而已！关于这个问题后面将进行详细的讨论。
8 q( X/ p+ X8 c  u- f   在氧氮氩真实气体成分下，氧气纯度99.5%（含氩0.5%），氮气纯度99.9%，均不采用双膨胀制冷工艺方案的情况下。小型深冷空分流程来说，由于冷损相对较大，新单塔流程的基本流程完胜双塔流程，节能幅度高达20%以上，和大型空分装置并无太大的差距。双塔流程的小型空分装置之所以能耗大大高于双塔流程的大型空分装置，空压机的等温效率较低单位产量散冷损失大是关健，但更关健的原因在于双塔流程的小型空分装置用于膨胀制冷的空气数量少，无法采用涡轮增压技术，只能通过提高空压机出口压力来提高制冷量，而其中85%的空气节流减压进入下塔，制冷效率很低！而新单塔流程的小型空分装置，在采用空气氮气双热泵工艺方案时，空压机出口压力4.2bar，氮气压缩机出口压力5.4bar，空压机和氮压机功耗相加相当空压机出口压力5.6bar压缩功耗的120%，但双塔流程小型空分装置为了实现冷量平衡，其空压机出口压力必须提高到9-10bar左右！其压缩功耗相当于出口压力5.6bar空压机的120%-130%！而新单塔流程的小型空分装置，虽然空压机出口压力只有4.2bar，但空气总量的55%可以用于膨胀制冷，其数量是同等规模双塔流程小型空分装置的三倍以上，不但能实现冷量平衡而且可以产出少量液体产品！
! W3 m; p" L) P5 x3 F3 v/ y$ Z4 ^   对于大型空分装置而言，由于设备性能参数的提高和单位散冷损失的减少，双塔流程在空压机出口压力5.6bar的情况下，可以实现空分装置的冷量平衡并有少量液体产品产出。新单塔流程在相同情况下，液体产品数量将达到氧气产量的10%-15%，它们之间能耗的比较必然涉及液氧单耗核算扣除值的问题。新单塔流程可以通过对基本工艺方案的调整优化实现液体产品接近于零的情况，具体工艺方案如下，空压机出口压力仍然是4.2bar，其中85%的空气进入设置在空分塔底部的冷凝器中冷凝为液空，过冷后送至空分塔精馏段作为回流液，返流氮气压缩至2.1bdr，在主换热器换热后进入设置在空分塔液空入口处的冷凝器中冷凝为液氮，过冷后送至空分塔顶部作为回流液。氮气压缩量为空气压缩量的44%。新单塔流程的空压机，氮压机压缩功耗相加比双塔流程的空压机功耗低5%左右。同时在相同设备性能参数的情况下，其液体产品数量略高于双塔流程。这里大家一定有一个疑问，那就是在这样的工艺方案下，新单塔流程和双塔流程膨胀空气数量一样而膨胀空气的压力低于双塔流程，为什么液体产品数量略高于双塔流程？其实原因非常简单，那就是新单塔流程进入空分塔底部冷凝器中压力空气带液量大大高于双塔流程进入下塔压力空气的带液量！
     关于液体产品核算扣除值的不同争议，关健的原因在于无论是双塔流程标准工艺方案还是新单塔流程标准工艺方案，由于空压机出口压力很低，导致空气开式热泵一膨胀制冷液化效率很低，具体而言就是对于空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案而言，用于正流液化压力空气的压力必须达到38bar（空气临界压力），用于正流液化空气压力显著低于38bar，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率将显著偏低，用于正流液化空气压力越低，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率越低！关于这个问题将在后面详细讨论。

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   就双塔流程而言，在不采用双膨胀制冷工艺方案的情况下，压力空气进入下塔必须带有少量液体，这部分液空的蒸发潜热用于补偿空分装置的散冷损失和膨胀空气的过热，如有富余则可以有液体产品产出。新单塔流程也是同样的道理，但是相对于双塔流程，新单塔流程多出的返流氮气则使压力空气的带液量增加，从而在膨胀空气压力低于双塔流程的情况下（必然表现为膨胀空气温度更高），液体产品数量略高于双塔流程