外行学空分(119)一一一点心得(十二)

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9 o& w. m$ V4 O2 K5 t   双塔流程中下塔的作用及对热泵有效能效率的影响是新单塔专利流程和双塔流程能耗比较的关健，如果新单塔专利流程的以氮气为循环工质的供冷供热开式热泵有效能效率明显比双塔流程的以空气为循环工质的一拖二供冷供热开式热泵有效能效率高，则新单塔专利流程相对于双塔流程虽然不能说在任何产品方案及工艺方案的情况下都拥有能耗优势，但基本的优势已经确认无疑。虽然深冷空分能耗除了开式热泵精馏能耗外还有空气开式热泵一膨胀制冷液化能耗，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的高低对深冷空分整体能耗也有重大的影响，但这是另外一个问题了，只要对空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数进行优化，问题就解决了！
* l: ~' E) J% \! b$ s9 Q    就热泵来说，循环工质不同并不影响热泵的有效能效率，例如古典单塔制氧流程和新单塔专利流程的热泵虽然分别空气和氮气作为循环工质，但在压缩机效率，换热器传热温差，阻力相同的情况下并不因为循环工质的不同热泵有效能效率有所变化（主冷凝器换热温差对热泵效率有影响，实际工程条件空气热泵的效率低于冷凝器同样设置在空分塔底部的氮气热泵略低，但这和热泵循环工质无关而是和热泵温差相关）。
# J" {: B0 w* Q  M  [& [* U2 D. p9 B' _   所谓双塔流程中的下塔是以空气为循环工质的供冷供热开式热泵的一部分，就热泵的角度来说，下塔的作用是把热泵循环工质冷凝液液空分为两个部分，一部分是液氮，一部分是富氧液空分别过冷减压进入上塔作为回流液，这当然是为了实现氧氮完全分离。但从供冷供热开式热泵的角度来说是实现了以空气为循环工质的一个热泵向一个以氮气为循环工质的热泵及一个以富氧液空为循环工质的供冷供热开式热泵转换，这其实就是空调中的一拖二，那一个空调主机控制两个房间的温度，如果两个房间的温度相差不大，则对空调的电耗(热泵有效能效率)影响不大，如果两个房间温度相差很大，则电耗(热泵有效能效率下降)将大幅度上升。
   古典单塔流程的空气热泵和双塔流程的空气热泵的区别在于相比于双塔流程的空气热泵少了一个下塔，相应的进入精馏塔的回流液是减压后的液空，而双塔流程进入上塔的回流液是减压后的液氮富氧液空。如果热泵循环量相同，则进入精馏塔(上塔)的冷量和冷能也是相等的(不考虑等温焓差带来的微小差别)，但是古典单塔流程的空气压力约在4,2bar，而双塔流程的空气压力是5,6bar，双塔流程的热泵压缩功耗比古典单塔流程的热泵压缩功耗高20%！也就是说无论是制冷系数还是热泵有效能效率由于下塔的存在下降了20%以上。
   从热泵的角度来说，下塔作为空气热泵的一拖二转换器使热泵效率降低20%-25%！但与新单塔流程的单热泵精馏工艺方案对比却有可能使精馏效率有提高，这是以前没有考虑清楚的问题。一旦新单塔流程采用空气氮气双热泵工艺方案，保证新单塔流程的精馏效率不低于双塔流程上塔的精馏效率，那么新单塔流程的热泵精馏效能就可以确定无疑地高于双塔流程的热泵精馏效率！
" e4 m5 S+ B! c! B, G/ m* c8 q9 E    其实由于空气的氧氮组成比例，以空气，氮气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案相对于以氮气为循环工质的单热泵供冷供热方案并不能显著提高精馏塔的有效能效率！
! [* `  {5 {$ J0 A3 u; T    有效能效率分析方法是非常抽象的，从有效能效率角度得出的分析结论一定要通过模拟精馏计算加以验证！再加以精馏模拟计算之前，首先要明确定以下的问题，所谓的双塔流程和新单塔专利流程都是指空气氧氮二元物系精馏工艺方案，它们之间的区别在于开式热泵供冷供热方案的不同。不能把空气真实组成（氧氩氮三元物系）作为空气氧氮二元物系的组成！氧氩氮三元物系精馏工艺方案存在依次精馏组织顺序及隔板模型优化组织方案的不同。那是另外一个问题，两者不能混为一谈！
6 B! N- H0 u; P8 j    下面以空气氧氮二元物系组成氧21.6%（氩视同为氧），氮78.4%，干空气处理量50000NM3，氧气纯度99.5%（含氮0.5%），氮气纯度99.9%（含氮0.1%），氧气产量10000NM3，氮气产量20000NH3，空分塔（上塔）理论塔板数60块，下塔理论塔板数40块为例进行精馏模拟计算。为了排除空分装置中的空气开式热泵一膨胀制冷液化部分对精馏模拟计算的影响。空气进入空分塔（上塔）及压力空气进入下塔，空分塔底部压力空气，压力氮气冷凝器既不过热也不带液！
& ~0 }! n) N2 C    新单塔流程空压机出口压力4.3bar，每NM3干空气压缩功耗0.06KWh，氮压机出口压力5.4bar，每NM3压力氮气压缩功耗0.063KWh！当采用以氮气为循环工质的单开式热泵供冷供热方案时，热泵循环工质压缩量为30000-33000NM3，压缩功耗为1900-2100KWh！当采用以空气，氮气双开式热泵供冷供热方案时，空气开式热泵循环工质压缩量为5000-10000NM3，压缩功耗为300-600KWh！氮气开式热泵循环工质压缩量为22000NM3，压缩功耗为1400KWh，热泵循环工质压缩总功耗1700-2000KWh！
' b0 M1 r  Q4 X% `    所谓的双塔流程进入下塔的压力空气数量要达到空气总量的70%！热泵循环工质压缩功耗2450KWh！
    其中新单塔流程单开式热泵供冷供热方案时，热泵循环工质压缩功耗是所谓双塔流程的75%-85%！新单塔流程采用空气，氮气双开式热泵供冷供热方案时，热泵循环工质压缩功耗是所谓双塔流程的70%-80%！和新单塔流程的开式热泵供冷供热效率和所谓双塔流程的一拖二开式热泵供冷供热效率的差距是一致的！
   既然认可了所谓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，那么下塔就是一拖二开式热泵供冷供热方案的一部分！

Sunqh

双塔流程热泵功耗虽然增加了20%，但同时给下塔精馏提供了回流液或“热泵有效能”，下塔精馏完成了空分精馏全部分离功的30%，以20%的功耗完成了30%的精馏任务，称之为高效有何不妥？

yaomeng

讲的太好了，受益匪浅。

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看来先生和我在热泵有效能效率计算上的分歧已经一致了。先生的看法有一定的道理，但也有问题，双塔流程中有4,2倍氧气产量的空气进入下塔，这是双塔流程中用于热泵精馏的空气数量，其压缩功耗是热泵精馏能耗，另有氧气产量0,8倍的空气过膨胀机用于制冷。新单塔专利流程用于热泵精馏的氮气数量是氧气产量的3,6倍，空气全部过膨胀机用于制冷。双塔流程的空压机出口压力是5,6αtm，氮压机出口压力是5,4atm。稍加计算就会知道，4,2倍氧气产量的空气空压机的功耗是3,6倍氮气的氮压机功耗的百分之一百二十以上，如果先生认为下塔已经完成氧氮分离的百分之三十，即先生所讲的以百分之二十空压机功耗的增加，完成了百分之三十的氧氮分离是高效的，那么双塔流程的上塔精馏效率一定会比新单塔专利流程的精馏塔精馏效率低百分之三十。事情真的是这样子吗？其实新单塔专利流程和双塔流程的热泵输入上塔的有效能基本上是一致的，先生可以计算一下，也许先生会有新的想法。

Sunqh

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4 _1 R# {) {9 j说来说去，尤总又回到“95%纯度的氧气能耗比99.6%低”了。

双塔流程中进下塔空气量是氧气量的4.2倍差不多，但这是生产99.6%纯度的氧气；你的单塔流程循环氮气量是氧气量的3.6倍，这时只能生产95%纯度的氧气，生产99.6%氧气需要的循环氮气量大约是氧气量的4.5倍。你这个热泵循环氮气量3.6倍可能就来自厦大的论证报告，二元计算的99.6%氧纯度，实际就是三元计算中的95%氧纯度，因为厦大把空气中的氩当作氧了。
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新单塔专利流程和双塔流程的热泵输入上塔的有效能不是基本一致，而是相差很大，因为双塔流程中进上塔的已经是半成品了，你的新单塔都是原材料，当然是你的新单塔需要更多的热泵有效能才行。比如烧开水，都到100℃，别人是50℃进水，你是20℃进水，同样多的水，怎么可能所需热量相同？
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氧产量相同时，双塔流程的上塔下部所需回流液量与你的新单塔基本相同，所以两种流程中的主冷热负荷基本相同；但你的新单塔上部所需回流液量是双塔流程的2倍，所需热泵有效能更多显而易见。你的新单塔上部上升气量是双塔流程的2倍，保持同样的回流比，回流液量也只能是2倍。

Sunqh

为什么空气只要氧气量的4.2倍，而氮气需要4.5倍？

+ u; U9 h2 ^+ [& f) w- i这是由于在下塔压力下，空气潜热大约是氮气的1.07倍，4.2*1.07=4.494

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先生是否先进行新单塔专利流程的模拟计算，看看新单塔专利流程在进行氧氦二元物系运笄，氮气产量是氧气产量二倍，氧气含量99,5%，含氮0,5%，氮气纯度99,9%时，氮气压缩量是否需要氧气产量的4,5倍，我们再来进一步讨论。

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也请先生同样对双塔流程进行一下模拟计算，按照同样的产品纯度同样的塔板数产品数量，计算一下进入下塔的空气数量。

Sunqh

二元计算，氧气中含氮0.5%，热泵氮气是氧气量的3.6倍差不多。但实际空气都是氮氩氧三元，氧气中含氮0.5%，氧气纯度就是95%，其中有4.5%是氩。

8 p& B' t: s% M5 M- N如果双塔流程中氧气中含氮也是0.5%，那么进下塔空气量只需氧气量的3.4倍，这样空气量的30%以上都能经过膨胀机制冷，而且全部膨胀后空气都能进上塔参与精馏，液体产量与氧气量之比超过15%。

实际双塔流程中为了提高氧纯度，只能减少进上塔膨胀空气量，在膨胀后空气没有旁路时，液体产量与氧气量之比一般只有5%左右。
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也就是说，在能耗相同时，氧气纯度由99.6%降至95%后，可以增加相当于氧气量10%的液体产量。

Sunqh

尤总的新单塔专利流程既可以生产95%纯度的氧气（热泵氮气量是氧气量的3.6倍），也能生产99.6%氧气（热泵氮气量是氧气量的4.5倍），3.6倍应该与川空开空的低纯氧三塔流程比较能耗，4.5倍与普通双塔流程比较能耗。
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2 L+ o+ G4 ?* j+ T' E8 {把自己的95%与别人的99.6%比较能耗，我已经见过N多人这样做了，估计不下10次了