外行学空分(162)一一观点质疑和回复（二）

Yb2021

$ Z/ {& a* H8 t' F: N6 {    组分在沸点在环境温度以上的精馏过程中运用的单热泵及多热泵技术其热泵循环工质气体压缩机的进口状态温度和精馏过程的状态温度一般情况下基本一致，无法采用和组分沸点在环境温度以下的精馏过程的复热常温压缩一样的复冷常温压缩，其原因在于作为精馏热泵循环工质的精馏产品及精馏过程的中间产物的沸点在环境温度以上！在环境温度时呈液态无法压缩。我指出所有的深冷空分流程都是开式热泵供冷供热精馏流程，这一点现在已经无人质疑了，深冷空分流程中氮气氧气氩气及其混合物其沸点在环境温度以下，在环境温度时呈气态，因此当选择其作为热泵循环工质时，热泵循环工艺方案压缩既可以选择复热常温压缩也可以选择深冷条件下压缩，两者之间的利弊得失如何是一个非常重要的问题，而一些深冷空分专家对深冷压缩非常排斥，这就有必要多讲几句了。
   环境温度以上的精馏过程，由于精馏原料及低沸点组分产品在常温下呈液态无法压缩，所以环境温度以上的精馏过程一般不采用完全自热的开式热泵供冷供热精馏流程，而只有单热泵及多热泵技术运用以节约精馏过程的蒸汽和冷却水消耗。提高精馏效率，而相对于同样可以大幅度降低蒸汽冷却水消耗的双效精馏及多效精馏又大大简化了精馏流程降低了工程造价，其最大的难点在于热泵循环工质压缩机的设计和制造。另外精馏过程能耗很大，但精馏能耗毕竟只是整个化工装置能耗的一部分，采用单热泵及多热泵技术对精馏过程节能改造必然造成工程造价的增加及流程的复杂化，带来可靠性疑虑。所以虽然理论上大家都知道单热泵及多热泵技术是精馏过程最重要的节能手段，但化工精馏过程单热泵及多热泵技术的运用并不是特别广泛和普遍，但深冷空分中这些影响热泵精馏技术广泛运用的问题完全不存在，深冷空分装置唯一的变动成本就是能耗，为了节能深冷空分已经穷尽了所有手段，例如液体膨胀机的运用，这在化工精馏过程中是无法想像的，因为其费效比很低完全无法和单热泵及多热泵技术相比，那么为什么单热泵及多热泵技术这样费效比高的技术在深冷空分流程中没有得到广泛的运用呢？其中很重要的原因在于空分技术人员除了对深冷空分流程是开式热泵精馏流程没有深刻认识外，对深冷压缩的利弊认识存在偏差非常排斥也是一个非常重要的原因。
   深冷空分中是否存在深冷压缩的案例呢？有！一个案例是LNG冷能利用的氮气压缩就是深冷压缩，这是一个高压缩比的深冷压缩过程采用罗茨压缩机，但这个案例并不具有说服力，因为其冷损基本上是无代价的，至于工程造价倒不一定有利，但可以大幅度降低氮气压缩的功耗。
    另一个案例则是为了制取高纯氮气而采用的氮气深冷压缩！目前双塔流程氮气纯度的上限受到下塔液氮纯度的限制，而下塔液氮纯度受到下塔回流液气比和下塔理论塔板数的限制不可能提高，为了在双塔流程下制取高纯度氮气及提高氮提取率，唯一办法是在空分塔（上塔）精馏段增加一个以氮气产品为循环工质的开式热泵，这其实就是单热泵及多热泵技术在制取高纯产品的一个运用案例，这是一个低压缩比的深冷压缩过程，采用的是深冷压缩（这个压缩当然也可以采用复热常温压缩，但需要增设正返流氮气换热器），这个压缩的过程毫无疑问将造成冷损，但还是采用了深冷压缩，这是有说服力的！毫无疑问这并不是在开式热泵精馏理论指导的结果而是逼上梁山的结果，因为除此之外没有其它办法！正是因为这是在需求引导下摸索结果而不是理论指导下的自觉行动，当然也就不可能举一反三，将同样的方法运用于提高氧气产品纯度(只要和提高氮气纯度一样在双塔流程的上塔提馏段增加一个以氧氩混合气体为循环工质的低压缩比深冷压缩开式热泵就可以在其它因素不变的情况下大幅度提高氧气产品纯度)！至今双塔流程的氧气产品纯度还止步于99,8%，而对于氧气产品纯度不能进一步提高的解释则是荒唐的，以至于有氧气产品纯度进一步提高就有爆炸的危险等等莫名其妙的说法，其实根本的原因就在于空分塔（上塔）提馏段的回流气液比和理论塔板数。其中空分塔提馏段回流气液比受限于进入下塔的空气数量（以空气为循环工质的开式热泵循环量）无法大于精馏原料空气输送量而无法进一步提高。而提馏段的理论塔板数则受限于工程条件及上塔理论塔板数的分配也无法增加而己。
   关于复热常温压缩和深冷压缩的利弊我的观点如下，
    一，在极限工程条件下（正返流阻力损失为零）复热常温压缩和深冷压缩是一个等效过程，深冷压缩功耗低但造成冷损，复热常温压缩功耗高但不造成冷损，在极限工程条件下，深冷压缩造成冷损的冷能损失等于复热常温压缩增加的功耗(这里没有考虑机械效率和复热常温压缩的正反向阻力对压缩比的影响，也没有考虑复热换热器的冷热端温差)。
5 q2 k+ [) o* C0 X9 ^' }    二，开式热泵精馏供冷供热是深冷条件下唯一可行的精馏组织方法，深冷压缩和复热常温压缩是开式热泵循环工质压缩的不二之选，单独地突出深冷压缩和复热常温压缩的不利之处是毫无意义的，任何比较只能是它们二者之间的进行相对比较！
1 M1 }6 K; P  h! v    三，低压缩比的开式热泵循环工质压缩过程适宜于采用深冷压缩，高压缩比的热泵循环工质的压缩过程适宜于采用复热常温压缩，但都需要综合考虑设备性能参数，正返流阻力，换热温差及装置产品方案进行综合考虑。
    在现在空分双塔流程已经有以氮气为循环工质的深冷压缩热泵精馏案例的情况下，事实无法否认专家是如何解释呢？他的理由是深冷压缩功耗只有常温压缩的三分之一！这个理由在所有深冷压缩中都是成立的，所以专家将原来认为深冷压缩不可行绝对不利的结论改为深冷压缩基本上不可行！这个其实已经是语言游戏和抬杠了！基本不可行就是在有利的情况下还是可行的！这个双方之间其实已经没有分岐了！
   其实，真正的分岐在于分系统有效能效率的计算，这是一个曾经非常混乱的问题，有所谓白箱，黑箱，灰箱的说法！现在国家标准一一能量系统有效能分析技术导则，明确提出了分系统有效能效率的目标有效能效率的定义和计算公式，这个问题已经没有再讨论的必要。
     有效能效率分为过程有效能效率和系统有效能效率，过程是最小的系统，系统则由一个或者多个过程组合而成。深冷绝热压缩的绝热效率当然是深冷绝热压缩过程的有效能效率！当然你也可以把深冷绝热压缩过程作为一个系统计算有效能效率，如果运用能量系统有效能效率分析技术导则中的公式（5），那么计算出的有效能投入产出率低于深冷压缩过程的绝热效率，甚至在绝热效率低于某个值时，公式（5）计算出的有效能投入产出率小于零！而按照公式（6）计算的目标有效能效率则和深冷压缩绝热效率完全一致！公式（5）和公式（6）那个正确其实己经一目了然！其实专家也没有严格按照公式（5）进行绝热压缩有效能效率计算，严格按照公式（5）进行计算。深冷绝热压缩的系统有效能效率大于深冷压缩绝热效率。而是自创了深冷压缩前后有效能差值和深冷绝热压缩功的比值作为深冷压缩过程有效能效率。这是非常不严谨的！

Sunqh

关于低温增压，我今年有一篇文章发表，这篇写于几年前，在去年第一次回复尤总帖子前就投稿了。现摘录部分文字，图可能无法粘贴，只有文字。
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3 低温增压过程的有效能损失分析
* {4 V0 o% r: Y" {无论是气体的等温压缩功还是绝热压缩功，都是与压缩气体的绝对温度T成正比，也就是气体在低温下增压所需功耗较少，或者说同样多的功耗，在低温下能使更多气体增压至所需压力。在这套高纯氮(氧)设备中，循环增压气体的进气温度是104K。如果增压过程在常温下进行，那么循环气体就需要先升温至常温，即300K左右，在输入功率和增压过程效率都相同时，常温增压气体的流量就只能减少到低温增压气体流量的三分之一左右。循环气体流量的减少，意味着氮塔上升气量和回流液量减少，相应氮气产量也只能减少。所以说，在循环增压功耗相同时，低温增压方法能比常温增压得到更多的氮气产品。
虽然低温增压功耗小，但这是以消耗低温气体的冷量和冷量火用作为代价的，也就是低温增压过程本质上是将低温气体的部分冷量火用转换成了压力火用。在普通空分设备中，气体都是先通过压缩机得到压力火用，然后再用膨胀机膨胀气体等方法，将气体的压力火用转换为冷量和冷量火用。由于在压力火用转换为冷量火用的过程中必定会有损失，所以在普通空分设备中，同样多的冷量火用的价值一般要高于压力火用，而低温增压过程是将冷量火用再次转换为压力火用，这从热力学效能的角度分析就不是很合理。但如果有廉价的低温冷量可以被利用，比如在液化天然气(LNG)的接收汽化站，LNG汽化的大量低温冷量可以被空分设备利用，这时采用低温增压方法就很合适。
实际上，气体的低温增压方法在普通空分设备中使用得很少，原因除了等量冷量火用的价值要高于压力火用以外，还与低温增压过程中的有效能损失较大有关。因为增压过程的效率不可能是100%，其中部分功耗会转化为热量，而使得增压气体的冷量和冷量火用减少，结果就会引起气体有效能额外的损失，而且是温度越低，冷量火用损失越大。
图3是低温增压过程中的有效能损失随增压空气温度变化的计算结果，计算条件是：将低温空气也近似当作双原子分子的理想气体(Cp=3.5R)，增压比2，输入功率100kW，增压过程的绝热效率70%，环境温度300K。低温空气与理想气体有一定差别，但低温增压过程中有效能损失随增压空气温度变化的规律相同。

图3 低温增压过程有效能损失与增压空气温度的关系
7 T2 e% E7 n) q5 {) r: U由图3可以看出，在同样多的输入功率和相同的增压效率下，随着增压空气温度的降低，增压过程中的有效能损失不断增大。空分设备中一般只有在特殊情况下才使用低温增压，在这套高纯氮(氧)设备中，因为高纯氮气的产量比低温液体产量更加重要，所以才对循环气体采用了低温增压的方法。如果更加看重低温液体产量，那就还是先将循环气体回复至常温，然后在常温下增压更合适。
低温气体增压过程的绝热效率对增压过程有效能损失的影响很大，图4是增压过程有效能损失随效率变化关系的计算结果，计算条件是：增压空气温度120K，除效率外的其他条件与上同。

图4 低温增压过程有效能损失随效率变化的关系
' {/ o7 L" X$ c8 }3 [由图4可以看出，当低温气体增压过程的效率太低，低温气体经增压后，气体的有效能有可能反而减少(图4中有效能损失超过100kW)，这种情况在一般的常温增压中是不会出现的。当增压效率100%而且气体的压力火用与冷量火用等价时，气体在任何一个温度下增压都相同，即都没有损失。这可能意味着，如果将来低温气体增压机的效率得以显著提高，低温气体增压方法或许会在气体领域得到更广泛的应用。
+ g0 k- J& T8 o) I" D4 结束语
气体低温增压过程的有效能损失较大，为了达到特定目的，有时也可以考虑使用低温增压方法。在某些特殊场合如LNG汽化站，使用低温增压很合适。低温增压过程的效率对有效能损失的影响很大，随着低温增压机效率的提高，低温增压方法可能在气体领域得到更广泛应用。
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Sunqh

我第一次听说“低温增压”是在20年前的空分会议上，在桂林开的，林德专家介绍了尝试低温增压的情况。但20年来，低温增压方法并没能发展起来，这是由其特性决定的，低温增压方法与节能目标背道而驰。

2 i. H1 B0 k" Y" L& y3 I! n: ]我认为在特定情形下，低温增压方法像外科手术刀似的小范围使用是有可能的，但大砍刀般使用是不行的，尤总的方法也不行。
  J/ ^, t: H$ S* r
3 {% a6 ]3 }& @. E( x6 A# E并不是空分行业没想到低温增压，而是研究得很深刻，但得出的结论是不如现有的常温增压方法。

( L6 c  ^  D8 v' F# Q& g7 Y尤总既不知道现在空分发展到什么程度，也不知道他自己提出的“新东西”是什么，要两者比较优劣，那就更无从说起了。

Sunqh

低温增压有效能损失

Yb2021

   深冷压缩和复热常温压缩是深冷条件下热泵精馏的热泵压缩的二选一问题，深冷压缩和复热常温压缩利弊如何？从有效能角度来说，在绝热效率相同的情况下，深冷压缩和复热常温压缩是一个等效过程，理由是复热常温压缩的功耗大于深冷压缩的功耗，但深冷压缩造成冷损(其数量等于深冷压缩的功耗)，常温压缩的功耗等于深冷压缩的功耗加上冷损有效能。当然实际情况下，正如先生所言要得到同样的冷能(抵销深冷压缩造成的冷损)由于膨胀机的制冷效率影响需要的压缩功大于所得到的冷能，但是复热常温压缩由于正向及返流阻力的存在，其压缩比大于深冷压缩的压缩比，另外复热常温压缩的热端换热温差同样也会产生冷损，因此深冷压缩和复热常温压缩的利弊比较需要综合考虑以上的因素，如果深冷压缩的实际功耗加上为了消除冷损而增加的制冷压缩机功耗小于复热常温压缩的功耗，选择深冷压缩就是有利的，反之采用复热常温压缩就是有利的，以上的看法先生是否同意？

Sunqh

定性来说是这样的，但是定量后的结论就未必了。并不是只有复热压缩和深冷压缩二选一，更有效的方法是压缩后再换热降温和精馏分离。
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目前空分中有复热后压缩再降温循环的情况，这就是内压缩流程中的氮气循环方案，但这种方法并不节能，相反，通常氮气循环要比空气循环的能耗高一些。采用氮气循环主要从设备投资、流程简化等方面考虑，如果需要有好几个压力等级的氮气产品，那么氮压机就必不可少，汽化和复热氧气以及制取生产所需冷量的任务都由循环氮气来完成，就省去了空气增压机，同时氮压机流量增大后，机器效率也能高一些。

空分或许归属于化工更合适一点，但空分也有其特殊性，一般化工中用得好的方法，用到空分中未必也很有效。我以前打过一个比方，汽车在陆地上合适，到水底下就不方便了。
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Sunqh

尤总从热泵单塔空分，到粗氩塔理论板数100块内，再到深冷压缩，可以说是一脉相承，都是粗看有一点道理，实际经不起推敲，思而不学之故。

Yb2021

如果先生对单塔流程和如何将粗氩塔理论塔板数控制在100块以内有何高见，似乎应该在相应帖子下提出，我十分愿意学习先生的高见并与先生讨论，这个帖子是讨论深冷压缩和复热常温压缩的利弊比较，东拉西扯不是正常的讨论态度和方法，至于什么思而不学或者学而不恩之类的问题还是留给哲学家去扯淡吧！