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

有了数据就可以深入讨论了，关于浙大硕士论文因为只有结论而没有过程就不讨论了，我们先讨论一下下塔的有效能效率问题。先生认为有效能效率等于出口有效能÷进口有效能(也许先生认为我是这样认为的)，那么我可以明确告诉先生，我不但不这样认为，而且认为这样的算法对于下塔来说是一个笑话。这样的算法只有完全封闭没有有效能输入输出的情况下才是正确的，下塔没有有效能输入吗？有！下塔通过主冷凝器向上塔输出热量(相当向下塔输入冷能有效能)，我严重怀疑先生你提供下塔进出口有效能数据的可靠性。下塔进口是压力空气拥有压力能和冷能，出口是液氮和富氧液空。液氮和富氧液空的冷能有效能大得多，按照这种算法，下塔的有效能效率不应该只有9o%，应该是20o一300%！下塔有效能效率的正确算法应该是下塔出口液氮富氧液空有效能÷(下塔压力空气有效能十主冷凝器输入的冷能有效能)，请先生审查一下下塔进口有效能数据的出处和可靠性。

按照这个数据，计算出的下塔有效能效率将会比70%低很多！

我用林德公司的空分专用软件计算的。

下塔不能产生液氮，主冷才能产生液氮，下塔需要液氮回流，液氮和塔底空气一样是下塔的进料，出料是塔底的富氧液空和塔顶的氮气。进料有效能是塔底空气与塔顶回流液氮之和，出料有效能是塔底富氧液空和塔顶氮气之和。
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你的意思是要将主冷加入到下塔中，这也能计算。这样进料是空气，输入功率是塔顶氮气在主冷中冷凝成液氮所增加的有效能，出料是塔底富氧液空和送上塔液氮，送上塔液氮=出下塔氮气-下塔回流液氮。
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按以上参数，空气有效能10.30kW，主冷换热得到有效能13.81kW，富氧液空有效能12.62kW，送上塔液氮有效能11.27kW。
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) s7 _  c1 b4 ?按你的计算方法，有效能效率=(12.62+11.27)/(10.3+13.81)=99.09%
( ?. p; ]! y( l/ @5 `: ]% [) c与以上结果基本相同。

以上计算中没有考虑主冷温差损失。
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你可以简单核算一下，送上塔液氮量=107.14-60.79=46.35Nm3/h，
) _) W+ N1 r* g8 c3 N7 l* f单位液氮的有效能是11.27/46.35=0.24kWh/Nm3，
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; \5 m* h) h# W0 J- p% K8 h压力升高时，饱和液氮的单位有效能减小，氮气的最小分离功很小，氮气的最小液化功大约是0.27kWh/Nm3，空分资料上有，网上也能查到。

下塔低温物料，单位物料的有效能很大，如果损失30%，那损失就比进冷箱前全部空气的有效能还大了。

我先补充一下，系统有效能效率计算其实有两种办法，一种是(出口物料有效能一系统输入有效能’)÷进口物料有效能，一种是出口物料有效能÷(进口物料有效能十系统输入有效能’，这两种方法很很象会计中收入法和支出法的区别，这两种方法虽然有效能的损失是一样的，但计算出的有效能效率不一样，什么样的情况下应该选择何种计算方法我没有搞清楚。例如双塔中下塔有效能效率和上塔有效能效率同一种方法计算，则双塔有效能效率不等于上塔有效能效率乘以下塔有效能效率。但如果下塔的有效能效率釆用空气进口有效能÷(富氧液空有效能十液氮有效能一主冷凝器输入有效能)计算而上塔有效能效率用上塔出口气体有效能÷(进口液氮有效能十富氧液空有效能一主冷凝器输出有效能)则双塔有效能效率等于上塔有效能效率乘以下塔有效能效率。这其中的原因我没有能够想明白，请先生指教。

有效能效率是分析节能潜力和方向的最基本的方法，在有计算软件的支持情况下，有效能计算不是问题，重要的是计算前设置和系统划分及计算后数据的分析。我终于找出了我和先生的分岐所在，一是我用的是上塔下塔两分法，先生用的是上塔下塔主冷凝器三分法，其次我完全不能同意先生有关液氮是主冷凝器产生的看法及据此进行的下塔有效能效率计算，我认为是完全错误的。对双塔进行二分时，主冷凝器可以归上塔也可以归入下塔，其间区别并不大，只是影响上塔输入下塔的有效能数量，其差值就是主冷凝器传热温差造成的有效能损失的归属。如果不存在传热温差则毫无区别。对于双塔来说，主冷凝器是系统内，完全不影响有效能效率的计算，对于下塔子系统来说，无论主冷凝器归于上塔还是下塔，其作用只有一个，那就是从系统外输入有效能！所以液氮就是下塔产生的，也不是主冷凝器产生的，不能作为下塔的进口物料。这虽然有点难以理解，但有效能流向来看却是正确的，请先生再次核查一下数据的可靠性。

关于双塔及下塔上塔有效能效率我需要补充一下，我一直在思考为什么先生要强调物理有效能和分离有效能的区别，其实整个深冷空分完全是一个物理过程，分离功也是物理有效能的一种，其次先生为什么提出压力能转化为分离功的效率问题，现在我似乎有些明白了，其实有各种办法计算计算深冷空分精馏效率，例如深冷空分教科书中就用空气分离最小功直接除以空压机电耗得出深冷空分全装置的有效能效率是20%，但深冷空分教科书没有进一步深入分析下去，只要核笄冷损及热端温差造成的有效能损失占点有效能的15一20%，主换流器阻力造成的有效能损失占总有效能的10%以下，就可以得出精馏系统有效能效率低于50%接近于40%的结论。第二种方法是用气体最小分离功除双塔下塔上塔的有效能损失额，这种最直接也简单，可能最接近于先生的想法，比先生那压力能分离功转化率要合理，第三种办法是系统有效能效率算法及过程有效能效率的算法，很明显系统有效能效率的算法和其它算法结果不会一致，而系统有效能算法又是最权威应用最广泛的有效能效率算法。是否如此请先生指散。

指教不敢当，说一说我个人看法。我觉得，如果前一个效率的分子正好是后一个效率的分母，那就可以相乘，否则不能相乘。
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* N" e. Y! ?9 W主冷可以归于下塔或上塔，但主冷温差损失很大，通常比下塔损失还大。以上例子中，如果主冷温差1.6K，主冷温差引起的有效能损失是下塔损失的1.54倍，所以要尽量减小主冷温差。主冷和下塔合在一起计算时，主冷损失是大头。

) t- b7 T; Y# Y* a, j下塔精馏计算时，进料就是塔底空气和塔顶的液氮，出料是塔底的富氧液空和塔顶的氮气。物料和热量衡算时，也是进料=出料，空气+液氮=液空+氮气。
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以上计算中，下塔损失0.9%，看似很小，实际是分母太大引起的。李化治《制氧技术》中损失分摊，压缩23%，换热22%，预冷净化6%，精馏16%，其他损失(可能包括膨胀、跑冷等)7%，分离功26%，可能都是以空压机电耗为分母。但他这样分并没有详细解释，如压缩23%是否包括了空压机的冷却器？主冷和氩冷凝器温差损失是算在换热还是精馏中？如果下塔损失也以空压机电耗为分母，估计下塔损失在2~3%之间，精馏损失中上塔是大头。

$ b) v' t7 u+ [9 A  o1 d' _0 N空分循环过程，有时很难分清谁先谁后，主换→下塔→上塔→主换，你说主换是在上下塔之前还是之后？换热器和精馏塔都是两头进料两头出料，系统有效能又怎么算？

7 @" s& X4 w0 ~( h; B' }! t物理火用是指因压力和温度偏离环境产生的有效能，也称焓火用；因组分不同产生的有效能称为化学火用，包括分离功。

. l, A4 }- B9 J& Z' e尤总的想法有些也有道理，空分工艺过程实际就是一个大热泵循环。虽然我并不认同尤总的氮气循环热泵和粗氩精馏热泵方案，我认为这样的大规模使用与空气循环重复了。但我认为热泵技术在某些特殊情形下还是有可能使用的。
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先生能认同我关于所有深冷空分流程都是热泵精馏流程的观点我非常高兴，我们关于热泵相关的争论基本上都结束了。现在的分歧仅限于是以氮气为循环工质的热泵精馏流程有利还是以空气为循环工质的热泵精馏流程有利的问题了。我先回答先生提到的几个具体问题，一是关于液氮是否是下塔进料的问题，先生认为液氮是下塔精馏进料之一，这完全正确，我的观点是将双塔分为上塔下塔两个子系统时，无论将主冷凝器归于上塔还是下塔，液氮都是在下塔內产生的，在进行有效能核算时都不能视同进料，这个请先生深恩之！下塔的进料只有一个就是空气，主冷凝器输入的只有有效能！主冷凝器归于上塔和下塔区别只在于主冷凝器造成的有效能损失归属而已。
   另外先生认为深冷空分很难区分前后，我认为可以按照有效能耗损的方向区分前后。我试着按此原则区分如下，一是空气压缩机，二是主换热器至膨胀机分流前，正流气和返流气换热作有效能输入处理。三是一部分空经膨胀机膨胀进入双塔精馏系统，一部分空气继续和返流气换热进入双塔精馏系统，这两部分是并联关系。四是双塔精馏系统。五主换热器返流气部分，返流气和正流气换热作有效能输出处理。毫无疑问这五个子系统是串联关系，也是有效能不断耗损的过程，各过程都可以计算有效能效率及有效能耗损量，有效能效率重要，有效能耗损量和空气最小分离功的比值更重要。由于主换热器的存在，相当于给双塔精馏系统的进口和出口有效能加了一个高跷跷板，这个时候比较双塔精馏系统的有效能效率已经失真，双塔精馏流程的有效能耗损值及有效能耗损值5空气最小分离功的比值更重要更接近于精馏塔的实际有效能效率，是否正确请先生指散。