外行学空分(118)一一一点心得(11）

- o# x$ w' O# }' I7 h2 W8 G   深冷空分流程是一个自热的彻底开式热泵供冷供热精馏流程，这是一个一百多年来深冷空分行业未曾认识到的事实！正是由于这个原因深冷空分教科书对深冷空分流程中一些开式热泵供冷供热精馏流程才具有的特征完全没有能够做出合理的解释和说明，举其要者有，一为什么深冷空分流程是一个完全自热的精馏流程？二为什么深冷空分精馏过程中只有一个主冷凝器，而没有所有精馏过程中必须有的再沸器（供热）和冷凝器（供冷）？三为什么提馏段液体数量的增加有利于氧纯度的提高（氧氮二元物系精馏分离中氧是高沸点组分，其产品纯度决定于提馏段的回流气液比和理论塔板数，讲回流液体数量增加会提高氧气产品纯度是非常别扭的，但却是在开式热泵供冷供热精馏中却是正确的）？其实只要认识到深冷空分流程是开式热泵供冷供热精馏流程那么以上的三个问题都会迎刃而解！第一个问题，彻底的开式热泵供冷供热精馏流程当然是完全自热精馏流程！第二个问题，开式热泵供冷供热精馏流程中再沸器和冷凝器是合二而一的，既起到再沸器的作用又起到冷凝器的作用，深冷空分流程既然是开式热泵供冷供热精馏流程，当然就只有一个主冷凝器，压力开式热泵循环工质气体一一压力空气（实际上是压力氮气）在主冷凝器中冷凝液化供热，使上塔底部的液氧蒸发气化，起到了上塔再沸器的作用，主冷凝器产生的液氮过冷节流减压后加入上塔参与精馏起到了上塔冷凝器供冷的作用，由主冷凝器产生的液氮回流而在下塔底部产生的富氧液空过冷减压后加入上塔参与精馏，起到了上塔冷凝器（供冷）的作用。至于是叫做主冷凝器还是称为冷凝一蒸发器或者其它，那就是一个无关紧要的问题了。第三个问题，如果从一般精馏过程来说几近于胡说八道！但深冷空分流程是开式热泵供冷供热精馏流程提馏段液体数量增加，其实就是热泵循环量增加供冷供热量同步增加，同时意味着提馏段上升气数量同步增加，回流气液比（R/R+1）提高，当然有利于氧气产品纯度的提高。
   经我指出深冷空分流程是开式热泵供冷供热精馏流程后，这个问题已经没有什么争议了，只是有的专家指深冷空分流程中的热泵是用于热泵制冷的，当然这根本不值一驳！虽然在大多数的情况下，热泵都是用于制热或者制冷（用于制冷制热的热泵是常规闭式热泵而深冷空分流程中的热泵是开式热泵），例如日常生活中的空调冰箱和空气能热水器都是热泵用于制冷制热的例子，但深冷空分流程中热泵却不是用于制冷的，这一点深冷空分教科书对此有非常明确的论述，深冷空分流程中的制冷是等温焓差是气体膨胀制冷！和热泵毫无关系！其实很多深冷空分专家也是热泵制冷专家，如果深冷空分流程中的热泵是用于制冷的，他们岂能见面不相识？
0 V. i( H2 h. g6 U) e; G  v# Q   深冷空分流程中隐藏着热泵，这个热泵不是用于制冷的，深冷空分流程是开式热泵供冷供热精馏流程这个问题已经基本上没有争议了，但这个事实一经指出却是颠覆性的！深冷空分教科书中的有且只有双塔流程可以实现氧氮完全分离的结论就不能成立了！因为从开式热泵供冷供热精馏流程的角度来审视深冷空分教科书中提到的所有深冷空分流程都是以空气(精馏原料)为循环工质的开式热泵供冷供热精馏流程。毫无疑问还存在一个以氮气（氧氮二元物系中的低沸点组分）为循环工质的深冷空分开式热泵供冷供热精馏流程（实际上是标准常规开式热泵供冷供热精馏工艺方案），它可以在单级精馏塔中实现氧氮完全分离！以氮气为循环工质的深冷空分流程可以实现氧氮完全分离，它的可行性是完全没有争议的（其实是标准常规开式热泵精馏工艺方案），继续否定以氮气为循环工质的深冷空分单塔流程的可行性，几近于睁眼说瞎话！真正可以争论的问题是以氮气为循环工质的单塔流程是否拥有相对于目前绝对主流的双塔流程的能耗优势，这是一个很复杂的问题，因为无论是双塔流程还是新单塔专利流程结合不同的产品方案和流程优化可以产生无数的工艺方案，要把无数的工艺方案一一进行能耗比较，毫无疑问存在着极大的困难，但也不是毫无办法的。
3 S# `) D9 H5 D% g3 e" H7 F  W  s   要进行新单塔专利流程和双塔流程的能耗比较，最重要的是比较以空气为循环工质的供冷供热开式热泵和以氮气为循环工质的供冷供热开式热泵有效能效率是否存在重大的不同。在双塔流程中的以空气为循环工质的热泵包括以下几个部分，一是空气压缩机（以空气为循环工质的开式热泵循环工质复热常温压缩机），二是主换热器（热泵循环工质复热换热器），三是主冷凝器，四是下塔，五是富氧液空减压阀及液氮减压阀，六是液空，液氮过冷换热器。新单塔专利流程中以氮气为循环工质的开式热泵包括以下几个部分，一是氮气压缩机，二是氮气复热换热器(可以和主换热器合并)，三是压力氮气冷凝器器(主冷凝嚣)，四是液氮减压阀，五是液氮过冷换热器。将双塔流程的供冷供热开式热泵和新单塔专利流程的供冷供热开式热泵进行比较可以发现，其重大的区别在于下塔。经过模拟计算可以发现新单塔专利流程的热泵有效能效率比双塔流程的热泵有效能效率高20一25%！
     所谓双塔流程实际上是以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热空气精馏工艺方案，而新单塔专利流程是以氮气为循环工质的标准常规开式热泵供冷供热空气精馏工艺方案。现在我们进行一下以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热效率和以氮气为循环工质的标准开式热泵供冷供热效率！
   假定空分塔（上塔）的顶部压力1.1bar，液氮蒸发气化温度79K，空分塔底部压力1.2bar，液氧蒸发气化温度93K，富氧液空（氧含量40%）的蒸发气化温度84.2K！空气组成氧20.7%，氮79.3%！进入下塔空气压力5.4bar（下塔阻力0.1bar），相应空压机出口压力5.6bar，主冷凝器压力氮气压力5.3bar，新单塔流程空分塔底部压力氮气冷凝器5.3bar，相应氮压机出口压力5.4bar！
3 O3 i2 k( n, S- n. R( O" }    1.1NM3氮气两段压缩至5.4bar，压缩功耗等于1NM3空气两段压缩至5.6bar！假定5.3bar压力氮气（换热阻力损失0.1bar）冷凝潜热为Q每NM3，则1.1NM3压力氮气在压力氮气冷凝器中冷凝供热量为1.1Q，供热温度为93K（空分塔底部液氧蒸发气化温度），液氮过冷节流减压进入空分塔底部，液氮蒸发气化温度79K，如果过冷换热器换热温差为零，则液氮节流减压气化率为零，蒸发气化液氮数量为1.1NM3，则供冷供热开式热泵输出的温差有效能为1.1Q（93-79）/79x93！如果过冷换热器温差2K，则液氮气化率3%，则供冷供热开式热泵输出的温差有效能为以上数量的97%！如果液氮不过冷则液氮气化率约10%，则供冷供热开式热泵温差有效能输出数量为以上数量的90%！
   1NM3压力空气进入下塔，主冷凝器的压力氮气数量为1.083NM3，送上塔液氮数量0.483NM3，供冷温度79K，下塔回流液氮数量0.6NM3，下塔富氧液空数量（含氧40%）0.517NM3，供冷温度84.2K！则以空气为循环工质的一拖二开式热泵输出的温差有效能数量为0.483Q（93-79）/79x93加上0.6Q（93-84.2）/93x84.2！
    1.0NM3以空气为循环工质的一拖二开式热泵输出的温差有效能数量是1.1NM3以氮气为循环工质的标准开式热泵输出的温差有效能数量的75%！两者热泵循环工质复热常温压缩功耗相等，即以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热有效能效率是以氮气为循环工质的标准开式热泵供冷供热有效能效率的75%！这是在设备性能参数及工程条件下得到的结论！在目前设备性能参数及工程条件下，以氮气为循环工质的标准开式热泵供冷供热有效能效率在50%左右，而以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热有效能效率在40%以下！
0 f6 s1 J( o8 U. |7 {   当然开式热泵供冷供热效率的高低并不能直接得出开式热泵供冷供热精馏效率高低的结论，但开式热泵供冷供热效率的高低并不是毫无意义的，因为开式热泵供冷供热精馏的总效率的是开式热泵供冷供热效率和精馏塔效率的乘积。

A→B→A才能构成循环，液氮起于主冷A，到上塔顶B回流，冷量由上而下，最终到主冷A，构成一个完整的循环；
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  Y9 T, x) o  F2 m* k# y. d8 ]富氧液空起于下塔底A，到上塔中部B回流，冷量经主冷到下塔，最终到下塔底A，构成一个完整循环；

8 M2 t+ q: S! Z6 S空分精馏系统的热泵有效能表现为回流液，上塔上部回流液，上塔下部回流液，下塔回流液，忽略潜热差异，上塔下部回流液=上塔上部回流液+下塔回流液；
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% p1 z: A/ b* O3 g' O" J0 u  [. Y如果去掉主冷温差损失，你的4.2atm空气损失更多，温度和温差一定时，热量越式，损失越多。
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目前正常双塔流程中主冷都是氮气与液氧换热，有人提出下塔空气与液氧换热，氮气与上塔中部液空换热，这样进下塔空气压力大幅降低，空压机电耗相应下降。但这样做法的结果，热泵温位差减小，热泵有效能相应减少，精馏分离就很不完善，即使没有膨胀空气进上塔(比如用加注液氮补冷的方法)，氧气纯度也只能勉强达到95%左右；如果再考虑膨胀空气进上塔，那么氧纯度可能只有80%~85%左右，根本不能跟正常双塔流程的99.7%相比。我在网上看过一个这种流程，氧纯度82%，见《基于内部热耦合空分塔模型设计的低纯氧流程》韩岭，《中氮肥》2016年第1期
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$ O6 b: ^" b5 X" y8 o/ T川空和开空降低部分空气压力的三塔低纯氧流程，实际就是减小部分空气的热泵温位差，空压机电耗下降的同时，氧纯度也降低。

普通空气或富氧空气冷凝和液空蒸发过程中饱和温度实际是变化的，以上都是用冷凝和蒸发的最低温度计算，如果用平均温度，那么以上4.2atm空气和5.6atm富氧液空的热泵有效能都会稍小一点，由于4.2atm空气是100%受影响，而5.6atm富氧液空只占55%，这样计算对双塔流程的影响稍小一点。如果改用平均温度计算，两种情况下热泵有效能很可能更加接近。

压力比越大，热泵温位差越大，温位差是绝对温度的倒数之差，即1/T2-1/T1

热泵有效能由热量与温位差两个参数确定，正如电功率由电流与电压确定；

6 B5 r/ j1 j$ _' q  k5.6atm空气压缩功是4.2atm的1.2倍，因ln(5.6)/ln(4.2)=1.2；
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5 R& [: W. _8 V/ R7 x, r5.6atm空气潜热是4.2atm的0.964倍(用软件计算结果)；

9 ]% _  p# {: u! w' N所以，4.2atm空气产生100kW热泵热量所需输入功，与5.6atm空气产生100/1.2*0.964=80.3kW热泵热量所需输入功相等；

8 U' g3 m, L9 r0 c+ n环境温度取300K，同样节流到上塔1.3atm，4.2atm饱和液空温度94.00K，1.3atm饱和液空温度81.25K，热泵热量100kW，那么执泵有效能是：
100*300*(94.0-81.25)/(94.0*81.25)=50.1kW

5.6atm空气在下塔分成两部分，45%氮气和55%富氧液空，如果下塔用规整填料，那么下塔阻力0.04atm，即氮气压力5.6-0.04=5.56atm，液氮饱和温度95.53K，上塔1.3atm下液氮饱和温度79.64K，所以液氮的热泵有效能是：
' }# n6 ?( d, _3 |* X$ F# y& I80.3*45%*300*(95.53-79.64)/(95.53*79.64)=22.64kW
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5.6atm富氧液空温度99.91K，1.3atm富氧液空温度82.87K，所以富氧液空的热泵有效能是：
8 U) V5 @1 t2 _8 D6 w% P) v80.3*55%*300*(99.91-82.87)/(99.91*82.87)=27.27kW

双塔流程5.6atm空气热泵有效能是22.64+27.27=49.91kW

49.91/50.1=0.996，两者几乎没有区别。当然，以上计算中都没有计入将4.2atm或5.6atm饱和液空过冷至1.3atm饱和液空所需低温有效能。

, l  Y7 Q( |4 J2 _* M以上计算说明，所谓下塔使热泵有效能损失20%没有依据，只是热泵热量减少20%而已，尤总没有考虑温位差，将1kJ热量由100K移至200K与1kJ热量由120K移至200K的热泵有效能并不相等，前者更大。

“新单塔专利流程的热泵有效能效率比双塔流程的热泵有效能效率高20一30%”完全没有依据。相反，氮气潜热比空气小，同样多的主冷热负荷，氮气量需要比空气量多7%。至于压缩机出口压力，空气稍高一点，空气压降比氮气多了空冷塔、分子筛和下塔，总阻力30kPa左右，ln(5.8/5.5)/ln(5.5)=0.03，比潜热差异的影响还小一半多。
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) D; ^! i& D6 C& O) R- L下塔有效能损失占空压机功耗的2%~3%，但是下塔产生了空分全部分离功的30%，可谓事半功倍，取消下塔，相当于压缩机二级压缩改一级压缩，以为省电，实际是省不了的，还很可能多耗电。

请先生先搞清楚热泵的有效能效率的概念再下结论。

考察下塔的存在对热泵效率的影响只要比较古典单塔流程和双塔流程那可一目了然，古典单塔流程和双塔流程的热泵都是以空气作为热泵的循环工质，当下塔不存在的时候，热泵压缩机(空压机)的出口压力约4,2αtm，当加λ下塔之后，热泵压缩机出口压力提高至纷5,6atm，同等数量的空气压缩功耗增加20一30%，但是输出有效能是基本不变的，热泵的有效能效率岂不是下降了2o一30%？其实下塔的存在相当于空调中一拖二，空调的压缩机压力及功耗是由与环境温度相差最大的空调温度决定的在总供热量不变的情况，空调热泵的有效能效率当然大幅度下降。

我很高兴先生也和我一样从热泵的角度看深冷空分流程的问题，但是先生计双塔流程的热泵有效能效率时存在两个问题，请先生再认真检查一下，一是从热泵的角度来说，主冷凝器毫无疑问属于热泵的一部分，主冷凝器传热温差属于热泵的有效能效率的损失，先生计算时把这部分损失没有计入热泵有效能效率。二是先生计算中以液氮富氧液空减压阀前后温差作为热泵的温差计算上塔得到的有效能和热泵输出的有效能，这是错误的，热泵的温差应该是上塔液氧气化温度和上塔液氮温度之差及上塔液氧气化温度和上塔富氧液空温度之差。和先生的计算方法相比，计算液氮有效能时差一个主冷凝器传热温差，而富氧液空的差距就太大了，请先生再思考一下。

先生没有正面回答问题而且把问题复杂化，既然先生承认下塔是热泵的一部分，这是一个非常基本简单的求热泵有效能效率的问题。至于先生讲到的热泵热量循环，用于精馏流程的热泵热量循环完全在精馏塔内，热泵从精馏塔顶或中部输出热量，然后从精馏塔底部.主冷凝器)输出热量，输出和输入的热量是相等的。这和用于制冷制热的热泵是不同的。