外行学空分(89)一一双塔流程中上塔和下塔是串联还是并联关系

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+ n* e8 a. ^, t* z   这个问题之所以重要是因为对此问题有一个清晰的判断，那么我们对新单塔流程和双塔流程的能耗对比就有了一个初步的判断，那就是新单塔流程在相同的设备性能参数工程条件下将拥有相对于双塔流程的开式热泵精馏总效率优势，这里的开式热泵精馏总效率当然是有效能效率，虽然开式热泵精馏有效能效率优势不能直接推导出新单塔流程拥有相对于双塔流程的能耗优势（空分装置还包括空气开式热泵一膨胀制冷液化部分，它的效率高低对空分装置能耗水平也有重大的影响），但做出一个初步判断的依据已经非常充分。
  掌握有效能分析方法的人都知道，一个系统如果分为两个子系统，判断子系统之间是并联关系还是串联关系的依据是系统的有效能效率和子系统有效能效率之间的关系。如果两个子系统是并联关系那么系统的有效能效率是两个子系统有效能效率的加权平均，如果两个子系统是串联关系，那么系统的有效能效率是两个子系统有效能效率的乘积！当然无论子系统之间是并联关系还是串联关系，系统的有效能损失都是两个子系统有效能损失的之和。
  双塔流程中的上塔和下塔的关系是串联关系还是并联关系呢？本来这个是没有讨论余地的，因为上塔和下塔是串联关系的依据太充分了！一，上下塔压力不同，二，下塔的物料全部进入上塔，三上下塔之间通过主冷凝器直接相连。有的专家提出，膨胀机的膨胀气体直接进入上塔而没有经过下塔，因此它和下塔是并联关系！有没有道理？有！但两个因素需要考虑，一，进入下塔的空气量占总空气量的85%以上，通过膨胀机的空气量只占15%，二，如果要让并联关系成立，那么上塔就应包括膨胀机，不然膨胀机后的空气只是参予精馏(在很早以前，膨胀机后的空气是不进入上塔的，而目前主流的双塔流程工艺方案是压力空气全部进入下塔没有所谓低温膨胀机的)，不改变上下塔串联关系。上塔包括膨胀机吗？肯定不包括！
8 W2 l) z% W1 U, L# F# Z$ W    以上的结论只是一个感觉而不是一个严密的论证过程，现在我们已经知道深冷空分双塔流程是一个以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏流程！这样我们可以从热泵精馏的角度来说明上下塔的关系！
    开式热泵精馏的效率是热泵效率（多热泵则是加权平均效率）和精馏效率的乘积！其中热泵效率是热泵输出的温差有效能（卡诺功）和热泵循环工质复热常温压缩功耗的比值，精馏效率则是精馏过程最小分离功和开式热泵输入的温差有效能（卡诺功）的比值
    就精馏过程而言，双塔流程的上塔是双热泵精馏工艺方案，就热泵而言双塔流程是一拖二热泵，下塔是一拖二热泵转换器。把以空气为循环工质的开式热泵转换为以氮气为循环工质的开式热泵和以富氧空气为循环工质的开式热泵。一拖二热泵转换将导致热泵效率下降（就双塔流程而言，一拖二热泵转换使热泵效率下降20-25%！）这其实是双塔流程作为深冷空分根流程的根本缺陷所在！
9 [5 `1 g- d: _: P5 M7 _    之所以对上下塔是串联还是并联关系认识不同，还有一个非常重要的原因，那就是关于分系统的有效能效率计算，现在新颁布的能量系统有效能效率分析技术导则突破性地提出了目标有效能效率的定义和计算，这就彻底结束了关于分系统有效能效率定义和计算出现的混乱情况。
. E# b( N7 R& v; Y  `0 ~    如果采用目标有效能效率的定义和计算公式，如果将下塔视为初级精馏塔（这样上下塔是并联关系），那么下塔目标有效能效率在40%-50%！上塔目标有效能效率也是40%-50%！加权平均有效能效率40%-50%！如果将下塔视为供冷供热开式热泵一拖二转换塔（上下塔串联关系），那么下塔目标有效效率60%-70%！上塔目标有效能效率70%-80%！上下塔开式热泵供冷供热精馏有效能效率同样是40%-50%！空压机等温效率70%，则双塔流程空分装置开式热泵供冷供热精馏有效能效率30%-35%！而在同样设备性能参数及实际工程条件下新单塔流程空分装置开式热泵供冷供热精馏有效能效率在40%-50%！两者之间的差距就是一对一供冷供热开式热泵有效能效率和一拖二供冷供热开式热泵有效能效率的差距！

在常温或稍高温精馏中，通常以蒸汽作为塔底再沸器热源，进料量等一定时，塔底蒸汽热量供应越多（同时塔顶冷凝水冷量也越多），则精馏分离效果越好，产品纯度越高，但能耗也越高，精馏分离能耗主要取决于蒸汽供应量。
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在空分低温精馏中，精馏分离能耗主要取决于塔内回流液量，回流液量越多，精馏分离效果越好，产品纯度越高。

  N* q' |( b3 y8 b2 S. Z1 x* q/ t空分中的回流液主要在主冷中产生，所以有人说主冷热负荷越大，则精馏分离效果越好，实质是回流液增多了；在内压缩流程中，主换热器也能产生部分液空，但液空基本不能作为下塔回流液，只能作为上塔中下部的回流液，或先为粗氩塔提供回流液，再为上塔下部提供回流液。

9 u# Y. t" c! r7 `) E7 ^$ ^% N4 N# X, O主冷产生的液氮回流液主要分为两部分，大约55%作为下塔回流液，另45%送至上塔作为上塔上部的回流液。下塔回流液至下塔底部后转为富氧液空，再送至粗氩冷凝器为粗氩塔精馏提供回流液，或直接送至上塔作为上塔中下部的回流液；上塔顶的液氮回流液至上塔中部时，转化为富氧液空，再为上塔中下部提供回流液。这样看来，主冷产生的液氮回流液就有一个先分后合的过程，先分至下塔(55%)和上塔上部(45%)，又在上塔中下部汇合(55%+45%=100%)了。不正是下塔与上塔上部并联，再与上塔中下部串联吗？

下塔和上塔精馏分离都是物理火用转化为化学火用分离功，作用和单位相同，有效能损失只能相加，不能相乘。照你说法，上塔上部与上塔下部倒是串联的，有效能效率能否相乘呢？
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/ ^8 W* v; R6 a5 ^9 A& [你的单塔实际是将原来的下塔与上塔上部合而为一了，原来是并联的，才能合而为一。

精馏塔压力低，精馏推动力大，精馏分离较容易，但能耗也越大，所以适当提高精馏塔压力实际是可以减少精馏塔有效能损失的。空分中还有一种比双塔效率更高的三塔流程，压力分别为1.5MPa、1.0MPa和0.5MPa，当然这种流程只能在特殊情形下使用，那就是0.5MPa低压塔的所有气体产品（氧气和氮气）和非产品（污氮气）的压力都能得到利用。
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某压缩机共有5段，每段包括压缩和冷却，第1段等温效率70%，第2~5段效率也都是70%，那么整台压缩机的效率是多少？
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是70%还是16.8%？0.7^5=0.168

先生的核心观点还是认为上塔和下塔是并联关系，这是完全错误的，上塔和下塔可以修正为更准确的近似关系，但绝不是并联关系。首先所谓的并联和串联关系来自电工学，虽然没有明确的定义，但也不可以随意解释，并不是任一系统从向切开分为两个子系统，这两个子系统就是并联关系，也不是一个系横向切开分为两个子系统，这两个子系统就是串联关。严格的并联关系必须满足三个条件，一，两个子系统的起始状态必须一致，数量可以不一样。二，两个子系统之间及两个子系统与外界之间不能有物质能量交换关系。三两个子系统的终点状态也必须一致！严格的并联关系是可以合并的。如果只满足前两个条件但不满足第三个条件，虽然不是严格意义上的并联关系，但仍然可以认为是并联关系。严格的串联关系必须满足三个条件，一，一个子系统的起始状态必须和系统的起始状态完全一致。另一个子系统的终点状态必须和系统的终点状态完全一致。=，一个子系统的起始状态必须和另一个子系统的起始状态完全一致。三，两个子系统不能和外界发生物质和能量交换关系。三，两个子系统之间只能有有单向的物质和能量流动，而不能发生双向流动！如果没有膨胀空气或者膨胀空气不参予上塔精馏，双塔流程中的上塔和下塔的关系完全满足三个条件是严格意义上的串联关系，膨胀空气参加上塔精馏的情况下，上塔和下塔的关系满足前两个条件但不满足第三个条件，当然不再是严格意义上的串联关系，但由于膨胀空气的数量较少，仍可认为是近似串联关系，只要在计算上塔有效能效率时，将膨胀空气带入的有效能去除，则双塔的有效能效率仍然等于上塔有效能效率和下塔有效能效率的乘积。至于关于压缩机的问题，我已经回答了。不再专门回答。

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* |5 Y! L8 {& g5 P有效能效率的定义没有明确，你的可能是：离开系统的有效能/进入系统的有效能，眉毛胡子一把抓。我觉得另一种有效能效率更有意义：系统增加的分离功化学火用/系统减少的物理火用。因为精馏过程本来就是一个物理火用转化为分离功化学火用的过程，像压缩机是电能转化为气体压力火用的过程，有效能效率=增加的压力火用/消耗的电能。

0 B$ P9 a6 o* R9 k7 ~用你的方法，双塔流程中，进下塔有效能10，损失1，离开下塔9，有效能效率90%；进入上塔9，损失3，离开上塔6，有效能效率6/9=67%。双塔流程总效率90%*67%=60%。

你的单塔流程，进塔10，损失4，离塔6，效率6/10=60%，没有区别。你的单塔上部液气负荷是双塔流程中上塔负荷的2倍，损失当然更大。双塔流程中的下塔分离程度低，损失小很多，实际不到上塔损失的三分之一。
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6 [+ C" S9 w5 }/ Q0 e$ s下塔是空气预分离，可以看作是半成品了，再送到上塔后，当然能减轻上塔的精馏负担和损失。就像人吃饭，先在口中嚼碎和唾液混合好，再吞到胃里消化。你的方法是直接吞到胃里。

能不能提供一下数据的出处，不然我只能无话可说了。
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有效能效率很明确，就是系统的有效能效率，有效能就是一个一般等价物，区分分离有效能和物理有效能既无必要也无意义！双塔流程中上下塔的有效能效率大约都是70%，总效率大约50%！原因很简单，下塔液氮富氧液空虽然是半成品，但其塔板数少，精馏回流比比最小回流比大很多！上塔虽然尘产最终产品，但塔板数较多，回流比和最小回流比的差距较少，两个因素共同影响，上下塔的有效能效率比较接近，请先±用双塔流程的实际运行参数检验一下是否如此。

7 x8 m# H- G" J& H8 c上面我是为了说明问题，打个比方。
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筛板塔效率70%，是指10块筛板，大约相当于7块理论塔板。也就是下塔理论塔板数38块，大约需要38÷0.7=54块筛板。不是说有效能效率70%。

举个例子
某下塔进料：
塔底饱和空气100Nm3/h，545.2kPa(A)，78.12%N2，0.93%Ar，20.95%O2；
" h1 {- ?7 O, u9 S1 x" e5 N塔顶饱和液氮60.79Nm3/h，530kPa(A)，99.9434%N2，0.0561%Ar，0.0005%O2。
计算出进料有效能总功率是25.07kW，其中物理火用24.62kW，分离功0.46kW。
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6 {, n, Y2 a+ H* Y% ?( l( q4 Y下塔出料：
) D- W4 S) T  e* V9 q1 b* R; t塔底饱和富氧液空53.65Nm3/h，545.2kPa(A)，59.2636%N2，1.6851%Ar，39.0513%O2；
塔顶饱和氮气107.14Nm3/h，530kPa(A)，99.9434%N2，0.0561%Ar，0.0005%O2。
# S. e$ b9 M4 v  u6 c计算出出料有效能总功率是24.85kW，其中物理火用23.89kW，分离功0.96kW。

1 ?/ R/ s$ ]% i$ t如果按照你的有效能效率=离开系统的有效能÷进入系统的有效能，那么
' M- c. L9 z7 ~有效能效率=24.85÷25.07=99.1%
, F0 J# n9 w: `- X; e& q  }低温液气体的能量密度很高，所以这种算法的“有效能效率”很高，实际并无多少意义。
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如果按照有效能效率=系统分离功增量÷系统物理火用减少量，那么
- a4 K# U. Z! J. u( E5 k有效能效率=(0.96-0.46)/(24.62-23.89)=68.5%，这个更能说明问题。

7 _( [; x: l. J# t( f' g) ~2 ^但第1个效率是可以相乘的，第2个就没法乘了。上塔氩-氧分离和氩的富集，有效能效率肯定比下塔低，就算一样，单塔也不会比双塔效率高。双塔中进上塔分离功已经大于你的单塔，双塔的上塔分离功增量少，所需消耗的物理火用当然也相应减少。如同样是升压到580kPa，由101kPa开始升压和250kPa开始升压相比，怎么可能功耗一样呢？
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2 E" R9 F+ b/ A& b" |) `2 j( ^不知尤总说的有效能效率是指哪一种？不知效率70%从何而来？

' `- Z, e! m+ U  B- d没有哪家的下塔回流比比最小回流比大很多，都只是稍大于最小回流比，实际回流比是最小回流比的1.03~1.05倍左右，此时下塔有效能损失最小，过大或过小都不好。

我找到一篇华东理工大学的硕士论文，他计算的“空分塔有效能利用率”是91.5%，包括了下塔、上塔和主冷等，他用的也是“输出有效能之和÷输入有效能之和”。尤总说的效率可能就是他的“有效能利用率”，我说的有效能效率应该是“有效能转化效率”。华理工硕士论文《空气分离装置的有效能分析及节能研究》在网上能找到，“空分塔有效能利用率91.5%”在第50页。

空分下塔的有效能损失相对很小，比上塔小很多。