外行学空分(113)一一一点心得(6)

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, Q; \: `) K7 j3 d8 M' E0 P7 F  用于空气精馏过程的供冷供热开式热泵，可以选择纯化后的空气（精馏原料气），也可以用氮气及氧氮混合气体作为供冷供热开式热泵的循环工质。用空气作为循环工质单热泵供冷供热空气精馏工艺方案的有古典单塔流程和所谓的双塔流程，其中古典单塔制氧流程和所谓双塔流程的区别在于古典单塔制氧流程采用以空气为循环工质的标准常规开式热泵供冷供热方案，由于供冷温度无法达到使低沸点组分氮气的冷凝温度，所以精馏塔顶部的气体中的氧含量约为7%（与之平衡的液相组成中的氧含量约20.7%），古典单塔制氧流程的氧提取率只能达到70%左右！而所谓的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，热泵循环工质压力空气在所谓的下塔中冷凝实现给空气精馏过程供热（实际而言是压力氮气冷凝供热，其供热量是压力空气冷凝潜热，而供热温度则是压力空气压力下的氮气冷凝温度），压力空气在下塔冷凝分离为液氮和富氧液空，过冷减压后送至空分塔顶部和中部作为回流液，从而实现给空分精馏过程供冷！下塔实际上是以空气为循环工质的供冷供热开式热泵一拖二转换塔，把以空气为循环工质的供冷供热开式热泵，转换为以氮气为循环工质的供冷供热开式热泵和以富氧空气为循环工质的供冷供热开式热泵！以氮气作为循环工质单热泵供冷供热方案，就是是新单塔专利流程。本质上就是标准常规开式热泵供冷供热精馏工艺方案，只不过以以氮气为循环工质的开式热泵代替蒸汽再沸器和冷却水冷凝器供冷供热而已！就精馏本体过程而言，两者之间是完全一致的！
     关于开式热泵供冷供热效率有两个指标，一个是开式热泵供冷供热系数，一个是开式热泵供冷供热有效能效率。其中制供冷供热系数是供冷供热开式热泵输送热量和开式热泵循环工质复热常温压缩功耗的比值，开式热泵供冷供热有效能效率则是开式热泵输出的温差有效能和热泵循环工复热常温压缩功耗的比值！开式热泵供冷供热有效能效率则一定在0-1之间，总是小于1！运用于空气精馏过程的供冷供热开式热泵其效率略低于热泵循环工质复热常温压缩的等温效率，开式热泵供冷供热有效能效率相对于开式热泵供冷供热系数而言，更加深刻！
2 `0 H6 O# Y( g$ ^      那么运用于精馏过程的开式热泵效率的影响因素有那些呢？一是开式热泵循环工质复热常温压缩机的等温效率（按复热常温压缩考虑），二是热泵循环工质的循环阻力，三是热泵循环工质换热器换热温差！在极限工程条件下即热泵换热器换热温差及热泵循环阻力为零的情况下，开式热泵有效能效率等于热泵循环工质复热常温压缩的等温效率。如果我们把开式热泵供冷供热温差（精馏塔压力下开式热泵循环工质液体蒸发气化温度，精馏塔压力下高沸点组分液体蒸发气化温度）视为开式热泵供冷供热温差，考虑工程条件（冷凝器换热温差），则在热泵压缩机等温效率相同的情况下，热泵温差越小，冷凝器换热温差影响越大，开式热泵供冷供热效率越低，而热泵换热温差越大开式热泵供冷供热效率越高！其次是热泵循环工质复热换热器换温差，换热温差越大，则开式热泵供冷供热效率越低！2K的换热温差将使开式热泵供冷供热效率降低3%！
    开式热泵供冷供热效率还有另外一个非常重大的影响因素，那就是热泵的形式，一拖二热泵效率大大低于一般开式热泵！一拖二热中两个热泵供冷供热温差差距越大，则一拖二热泵效率降低越严重。这一点只要想一感分体式空调的情况就很容易理解！
   开式热泵供冷的温度决定于热泵循环工质的组成和精馏塔压力，就是开式热泵循环工质液体在精馏塔压力下的蒸发气化温度。开式热泵供热温度决定于热泵循环工质的组成和压力热泵循环工质气体的压力即热泵循环工质压力气体冷凝温度减去冷凝器换热温差，等于精馏塔底部高沸点组分液体蒸发气化温度。从这个角度来说，就非常容易理解为什么古典单塔制氧流程，不能实现氧氮完全分离，无法制取氮气产品，因为以空气为循环工质的开式热泵供冷温度无法达到使精馏塔顶部氮气液化的温度！
0 _* a  j+ L: n) n2 E! v) {: U! O    就开式热泵供冷供热有效能效率而言，以空气为循环工质的供冷供热开式热泵供冷供热有效能效率在实际工程条件下由于受正返流阻力损失和压力循环工质气体冷凝器换热温差的影响略低于以氮气为循环工质的供冷供热开式热泵供冷供热有效能效率！而以空气为循环工质的一拖二供冷供热开式热泵的供冷供热有效能效率只有以空气和氮气为循环工质的供冷供热开式热泵供冷供热有效能效率的80%以下！

下塔是提高空分精馏整体效率的，利用空气饱和温度与氮气饱和温度之差，对空气进行初步精馏，从而减轻上塔的精馏负担。正如口腔是消化系统的一部分，你将食物不经口腔直接送到胃里，以为高效，大谬也！
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包括尤总的新单塔在内，我至少见过三种所谓的“超低压空分流程”。2012年《低温与特气》有某专业空分设计院的一篇“超低压空分流程的可行性分析”，文章中就是以氮气作热泵循环介质，这点与尤总相同，但还是有2个塔。文章声称“节能10%”、“投资略低”，有这样的好事，快10年了，那家空分厂还没有造出设备来，靠谱吗？
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他的文章中没有说明氧纯度多少，但我根据循环氮气量估算，氧纯度只能有90%左右，与99.7%氧纯度比较能耗，能说明什么？而且他的能耗和设备投资比较等也有问题。
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! s" }, H2 k7 P( f0 F" Y另一专业空分厂有人申请了“超低压空分流程”的专利，是用空气与上塔底氧气换热，上塔中部加冷凝蒸发器，所以空压机出口压力下降。但我看他的氧纯度，估计只有80%左右，比99.7%氧气节能，有什么奇怪的？
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% ~) a* n2 c, U' W我见过的几个更改空分流程节能的方案，实际都是通过降低氧纯度达到节能目的，不过文章中一般都回避了氧纯度问题，不知是要忽悠那些对空分了解不多的人，还是连他自己也不知道？

1 ?, J0 u$ t5 u/ `6 M- W( f川空和开空都开发了95%低纯度氧气的专用空分设备，部分空气只压缩到较低压力，有3个精馏塔，上塔、下塔和辅助下塔，这种流程与99.7%氧纯度的常规双塔流程相比，节能10%，但是设备投资更大，操作控制更复杂。可参考有关文献。
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尤总可能担心那家空分专业厂设计院剽窃了尤总的成果，但请放心好了，那个“超低压空分流程”方案也完全不可行，不可能有那样的流程。

先生讲话太随意了，先生所讲之不可行具体是什么涵义？是在单级精馏塔中不能实现氧氮完全分离吗？还是认为新单塔流程比双塔流程高？能耗的比较当然是在同样的产品方案同样的产品纯度下进行比较。先生到底指的是什么？要知道产品方案除了产品纯度之外，还有一个重要的问题是液体产品数量。我希望先生不要拘执于专利申请书的内容，专利申请书的內容不可避免有些是不准确的，有些则完全没有考虑，例如就完全没有考虑液体产品的问题。所以所谓越低压也只是相对于全低压而言，强调与其不同而已。其实在新单塔流程中，空气压力太仳将造成制冷效率的大幅度下降，使精馏部分效率的提高被掩盖。其实在厦大论证报告中这个超低压已经完全被打破！

至于先生所讲下塔提高了整体精馏效率，我不知道是从何说规！

不可行是指与常规双塔流程相比，在投资相同情况下降能耗，或在能耗相同情况下降投资，当然产品纯度应该相同，如果没有特别指明，那就是指99.7%左右（99.6%~99.8%），因为目前双塔流程中，外压缩典型氧纯度是99.6%，内压缩是99.8%。

上面那个用氮气作热泵循环工质的“超低压流程”，如果氧气纯度99.7%，那就不是“节能10%”，而是能耗增大10%了，而且设备投资也增大。1台空压机+1台氮压机>1台空压机，主换热器增大一倍，2个低压塔>上下塔，还多了2台液体输送泵……
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精馏塔压力适当升高时，精馏推动力减小，需要更多塔板数，但是不可逆损失减小，这是下塔效率高于上塔的主要原因之一。

如果投资增大能耗降低，或投资减小能耗升高，那就要比较投资与能耗了，《制氧技术》上有一个比例，大致是1kW相当于3.4万人民币，但那是10几年前了，现在可能是1kW相当于4万或更多了。

先生还是纠缠于专利申请书的那个超低压方案，那是一个产品方案中液体产品几乎为零的方案。这和双塔流程的基本产品方案一样。在这种产品方案下，新单塔专利流程中的空气压力只有2‘5αtm左右，在这种情况下，由于受到纯化器主换热器及膨胀机背压的影响，制冷效率是非常低的，制冷效率只有双塔流程的不到三分之一，相当于双塔流程的空压机百分之五十的电耗的制冷量只相当于双塔流程的百分之十五电耗的制冷量，通过模拟计算发现这种产品方案时，新单塔流程的单位制氧能比双塔流程高百分之十左右(具体情况见厦大论证报告)，当产品方案中液体产量提高时，装置所需要的制冷量提高，空气压力相应提高，阻力对制冷效率的影响减少，制冷效率提高！当液体产品数量达到气氧产量百分之二十五左右时，此时空气压力达到和双塔流程一样的水平，此时气氧单位能耗低于双塔流程约百分之三十！至于在低液体产品方案下如何改善相对于双塔流程的能耗劣势，主要有几个方面，一是采用内压缩流程，二是将部分空气在另设的主冷凝器中冷凝作为回流液，相应减少氮气压缩量。以上措施都会减少空气进入膨胀机的数量，在制冷量相同的情况下都会提高空气的压力，相应提高制冷效率，当然提氩也会提高装置所需要的制冷量，这种情况下在很低的液体产品数量的产品方案下，新单塔专利流程就会拥有相对于双塔流程的能耗优势。

现双塔流程主要有全低压膨胀空气进上塔外压缩流程和膨胀空气进下塔内压缩流程，全低压外压缩适合于液体产量低于10%，内压缩适合于液体产量高于12%。全低压在高液体量情况下确实低效，因为上塔接收膨胀后空气量有限，膨胀量过大时，较多空气只能旁通至污氮气中放掉。
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; g! x3 K+ H' @* f' h尤总的新单塔流程，液体量少时可以跟全低压外压缩相比，液体量大时应该与内压缩比较。都跟目前的优势流程比较。你下围棋下过了柯洁申真胥，打架打赢了泰森差猜一龙，才算厉害。你打架赢了柯洁，下棋赢了泰森，这样赢了冠军，算什么本事呢？

我的理解，尤总的专利主要就两点，一是用氮气代替空气作热泵介质，二是取消下塔，至于流量压力什么的都是次要。上面那家设计院的“超低压流程”，只是比尤总的流程增加了一个接收大部分空气的初级塔，本质上是一样的。我觉得他们有可能参考了尤总的方案，但也有可能是他们自己想到的，因为这种方法很容易想到。

但不巧的是，我认为用氮气代替空气和取消下塔都不是好办法。

当年爱因斯坦发现相对论的时候，他本人正在专利局工作，专利意识肯定强于一般人，但是他并没有忙着申请相对论专利，而是将自己的想法写成文章发表。尤总申请专利已经10几年了，完全可以通过发表文章的方式表达自己的观点，但网上发表无人审核，可信度差；由行业内公认的专家审核后在专业刊物上发表，可信度高一点。
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你说西安交大某教授是空分领域的权威泰斗，我虽然不知是谁，但你完全可以请他推荐。