外行学空分(164)一一观点质疑和回复(四)

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    热力学第二定律是热力学的难点，由热力学第二定律衍生出来的有效能及有效能效率等概念及其运用是热力学的哲学问题，运用得得当对于解决节能的问题具有非常重要的指导意义，运用不当也会让人陷入迷思而不可自拨。
) K5 H! Q- t* \( J- v6 ]6 ~     在与空分专家的讨论过程中，就深冷空分我提出了两个观点如下，
' s4 R+ g& ~+ M! S) w1 v  U0 W/ k    一，双塔流程的精馏过程有效能效率目前水平在30%左右，有很大的改进空间（这里其实是开式热泵精馏总效率）。
    二，深冷压缩和深冷膨胀过程的有效能效率就是深冷压缩和深冷膨胀过程的绝热效率。
8 z" y, X- M" K3 W    对于我的观点，专家都提出了强烈的质疑，关于观点一，专家认为双塔流程是精妙无比高效率的，关于双塔流程的高效率专家引用某大学教授论文的计算结果以作佐证，根据该论文双塔流程的下塔有效能效率在98%以上，双塔流程的上塔有效能效率在95%以上，上下塔精馏总效率在90%以上，毫无疑问这是高效率的。
   对于观点二，专家认为深冷压缩的有效能效率等于深冷压缩前后的有效能差值和压缩功耗的比值，深冷压缩存在临界效率(这里效率是绝热效率)，当绝热效率低于某个数时(压缩起始温度不同，其数值也不同，起始温度越低其数值越高)，深冷压缩不但不能增加有效能反而会出现有效能减少，其实这个时候按其定义的深冷压缩有效能效率是负数，他大概也知道有效能效率出现负数是不可能的，所以又规定了所谓的临界效率以保证其有效能效率不出现负数！由此说明深冷条件下压缩是不利的。
     简单的模拟计算就可以解决的利与不利的问题，根本没有必要上升到哲学理论高度来解决！例如深冷压缩和复热常温压缩的利弊得失，只要比较深冷压缩功耗，复热常温压缩的功耗，以及为了消除深冷压缩产生的冷损而增加的制冷压缩的功耗（即保持产品方案不变）即可得出结论，如果复热常温压缩的功耗大于深冷压缩功耗加上消除深冷压缩冷损而增加的制冷循环工质压缩的功耗之和，那么深冷压缩为有利，反之则是不利！很容易得出结论如果深冷压缩的温升小于复热的冷热端温差则采用深冷压缩是绝对有利的，如果深冷压缩的温升大于复热冷热端温差就需要认真比较才能得出结论，比较因素涉及制冷效率复热正反向阻力对复热常温压缩的功耗影响。如果抽象地比较不同温度下的压缩过程，其结论只能是它们是等效过程。常温以上的压缩的过程其压缩的功耗大于常温压缩的过程，但产生热能(这里的热能指有效能)，环境温度以下的压缩的过程其压缩的功耗小于常温压缩，但产生冷损或者说消耗冷能(这里的冷量冷能也是有效能)，环境温度以上的压缩的过程功耗减去产生的热能，环境温度以下的压缩的过程功耗加上冷损(消耗的冷能)等于环境温度的压缩的过程功耗。但既然空分专家提出了如此具有颠覆性的质疑，我也就不得不重视这个问题。
    我认真看了某大学教授关于双塔流程精馏有效能效率的论文，其计算办法是利用各节点有效能数值加减乘除得出有效能效率，其实厦大教授也用同样的方法计算过深冷压缩的有效能效率(厦大论证报告中只有各节点有效能数值及空分装置的总有效能效率，这个内容在其发表在厦大学报的另外一篇论文中)，其结果是深冷压缩有效能效率90%以上比深冷压缩绝热效率（85%）高，深冷空分专家斥之为荒谬绝伦胡说八道！何以厦大教授胡说八道而某大学教授的计算结果却论证了双塔流程的精妙无比高效率？其实他们方法是一样的，错误也是一样的，都采用系统有效能效率计算公式（5），而专家计算绝热压缩有效能效率公式则是自创的，至于什么临界效率则完全是胡说八道，热力学中有临界压力，临界温度，都是物质的理化特性！临界效率是一个什么东西？！
: Z" J( E/ L0 O0 Y" h% \   其实无论是厦大的教授的深冷压缩效率还是某大学教授双塔流程的精馏效率计算都存在重大的问题，但都是有根有据的非常严谨的，绝对不是什么荒谬绝伦胡说八道！现在由于技术的进步，有了计算软件之后，深冷空分各节点有效能数值几乎可以不费吹灰之力而得出，所以很多人习惯于采用各节点有效能数值直接计算出有效能效率，其计算方法，终未有效能数值和初始有效能数值加输入有效能之和的比值，这是非常常用的，在大多数情况下是不正确的，只有在一个情况下是正确的，那就是起始状态有效能为零（即所谓死态）时，例如压缩机的等温效率（实际上是压缩系统的有效能效率）！但不适合于双塔流程的精馏有效能效率和深冷压缩的有效能效率计算。
   其实过程有效能效率有非常清晰明确的定义，这个定义非常重要的概念是等效可逆过程，等效是过程的方向，如压缩膨胀精馏！可逆就是等熵过程，，两者缺一不可！而厦大及某大学教授的计算方法完全不涉及等效可逆过程，变成了各节点有效能数值的加减乘除数字游戏！简单是简单了，但非常容易出错得出荒谬绝伦的结果。
    其实通过计算出各节点有效能数值只是系统（分系统）的有效能衡算，可以了解有效能的损耗，在起始状态有效能为零即死态且只有一种有效能输出（例如压力能，冷能或压力能之一）时，计算全装置的有效能效率是完全正确可靠，但要计算出分系统有效能效率则需要非常慎重（因为起始状况的有效能不为零），分系统的边界划分必须合理正确，一旦边界划分划分不合理就有可能得出荒谬绝伦的结果。某大学教授的问题在于其精馏系统不包括主换热器，而主换热器的存在把精馏系统进出口有效能抬高了几倍，就好象是踩高饶，如何比较高跷上的两人身高？而厦大教授的问题则在于没有区分系统有效能效率和过程有效能效率。但这种错误都是可以理解的，因为有效能及有效能效率是热力学中的哲学问题，是非常抽象思辩性，根本不是数学计算的问题，而抽象思辩性问题是非常容易出错的，需要反复辩驳验证才能得出比较正确的结论。所以系统有效能分析才有所谓的白箱，黑箱，灰箱的说法！
    热力学系统是由不同的热力学过程所构成的，计算系统有效能效率完全不考虑系统内部的热力学过程，其计算出的有效能效率（其实不是有效能效率）实际意义不大，只能知其然而不能知其所以然！真正重要的是过程有效能效率的计算，只有过程有效能效率的计算才能对有效能的损耗过程有深入的理解，才能找到节能的方向和手段。深冷空分中涉及的热力学过程有压缩，换热，纯化，膨胀，精馏等等。系统有效能效率计算和过程有效能效率计算有一个重大的区别在于过程是有方向目的性的，因此任何过程有效能效率的计算都必须涉及等熵过程或者可逆过程！
5 }$ t/ h' U+ ]5 |4 v/ Y8 |    对于有效能输入的过程(如深冷压缩)，其有效能效率是等效可逆过程需要输入的有效能和实际过程输入有效能的比值，对于有有效能输出的过程(如膨胀)其有效能效率是实际过程输出的有效能和等效可逆过程输出有效能的比值。毫无疑问按照以上的定义，任何过程的有效能效率只能在零与100%之间，不可能出现低于零或大于1的情况，其实效率语义上也应该如此！如果出现了负值或者大于1的情况而计算过程完全正确，这就不知道该怎么说了。
   其实空分专家对厦大教授关于深冷压缩有效能效率的计算结果(大于绝热效率)斥之为胡说八道，对某大学教授关于双塔流程精馏效率的计算结果其实也是不认同的，只要稍微思考一下就知道这个结果是不靠谱的，和深冷空分装置的30%以下的有效能效率完全不能恰合，所以深冷空分专家又提出应该用分离功和物理火用消耗值的比值作为精馏效率，毫无疑问这是正确的，和用等效可逆法计算出的结果是一致的，当然比某大学教授计算出的结果低得多了。如果能把含义不明的物理火用(深冷空分不涉及化学过程，是一个完全的物理过程。其有效能都是物理火用，冷能也是物理火用)用温差有效能代替可能就更好了，这样和用等效可逆方法计算出的结果就完全一致了！
    关于深冷压缩专家认为应该用压缩前后的有效能差值和压缩的功耗比值作为有效能效率，根据这个定义在某个压缩的起始温度下存在一个临界绝热效率，在这个临界效率以下压缩的过程不但增加有效能反而使有效能减少！当然按照这个有效能效率的定义计算出结果有效能效率就是负的，以此说明深冷压缩是不利的，厦大教授计算出的深冷压缩有效能效率大于绝热效率，专家计算出的有效能效率低于绝热效率，从一个极端到另一个极端，按照厦大教授的计算结果，深冷压缩是绝对有利的，按照专家的计算出结果似乎深冷压缩是绝对不利的，无论是那个结果都不存在深冷压缩和复热常温压缩的比较问题了！
% C6 R  u; h  t   其实厦大教授和某大学教授计算有效能效率的方法都是一样的，完全不考虑等效可逆过程，而用过程前后有效能数值加减乘除来计算有效能效率。
   专家的深冷压缩有效能效率的定义其实和厦大及某大学教授的有效能效率的定义是一脉相承的，即完全不考虑等效可逆过程，而用节点有效能数值加减乘除。
   其实利有效能衡算的各节点有效能数值及有效能输入输出数值确实可以进行一个过程或一个分系统的有效能效率的计算，但计算的过程比较复杂。不能简单地加减乘除！
  首先要明确过程或者分系统的性质，是压缩过程，是膨胀过程还是精馏过程，成者是压缩分系统，膨胀制冷分系统，精馏分系统！
   在明确了过程或者分系统的性质后，必须从各节点有效能数值中把符合过程或分系统目标的有效能增加值单独分出来并以之为分子。例如过程或分系统的性质是压缩，则把过程或者分系统的终未和起始的压力能差值计算出来，如果是精馏过程或者分系统，则必须计算出过程或者分系统起始终末最小分离功的差值。这两个计算结果当然就是可逆最小功。
   其次再利用各节点有效能数值和有效能输入输出数值求出有效能损失值。具体来说就是有效能输入值减去终未有效能和的起始有效能的差值，从而得出有效能损失值。可逆最小功和有效能损失值之和就是实际功耗或者实际有效能。可逆最小功和实际功耗或者实际有效能耗的比值就是过程或者分系统的有效能效率！
   关于能量系统有效能效率分析，国家标准能量系统有效能分析技术导则中，在保留有效能投入产出率（公式5）之外，又突破性地提出目标有效能效率的定义和计算公式（公式6），以上的有效能效率的争议其实都已经得到了解决！

低温气体增压后有效能是有可能反而减少的，但气体低温增压的例子很少，我举一个液氧泵加压的例子。
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% w' J' P& t- P# [某液氧泵流量42350Nm3/h，泵前液氧的压力是2.99bara，温度92.95K，用软件可计算出，泵前液氧的有效能=12544kW

液氧泵输入功率69kW，泵效率64%
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# Q' O- g: T8 N6 i7 @! w: M泵后液氧压力31.4 bara，温度94.8K，用软件计算出，泵后液氧的有效能=12509kW
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液氧泵输入功率69kW，液氧的有效能反而减少了35kW
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绝热效率=绝热可逆压缩功/实际需要的压缩功，可以将实际压缩过程分为完全可逆(效率100%)和完全不可逆(效率0)两部分之和，可逆压缩功A，实际压缩功A+B，则绝热效率=A/(A+B)。显然，A相对越大，则效率越高；B=0且A>0时，效率=100%，相当于完全可逆压缩；A=0且B>0时，效率=0，相当于用电炉加热气体。

! H* G7 A3 f2 x/ o  E, U环境温度下的等温压缩，B的影响是0，压缩效率正好等于气体的有效能效率，气体增加的有效能就是A。这里的有效能效率=压缩后气体的有效能增量/输入功。
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高于环境温度的绝热压缩，气体除了得到有效能A以外，输入功B使气体温度更高，气体有效能因温度升高而增多，所以，A<压缩后气体有效能增量<A+B
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低温下的绝热压缩，气体得到了可逆压缩功A，但B使气体温度升高，气体有效能减少，所以，压缩后气体有效能增量<A。但有效能增量是否小于0，要看B的影响有多大，是否足以抵销A。显然，压缩气体的温度越低，或者B相对越大(即效率越低)，则有效能增量越小，是可以小于0的。

氧气和氮气产品通常需要升高压力后才能使用，空分中最先得到的氧气和氮气产品都是低温的，虽然低温增压看起来功耗低，但低温氧气和氮气从来都是先换热升温后再压缩，没有先压缩再换热升温的。
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+ r$ y/ j* d4 Q# V- K液氧内压缩虽然使上塔回流液分布更合理了，液氧泵功率比氧压机小很多，但内压缩流程本身并不节能，因为空气增压机功率比氧压机更大。

以上液氧泵的例子，我用的是设计数据，可能并非绝热，但即使绝热，有效能仍然有可能减少的。当然，如果用厦门大学化工系有效能效率=输出有效能/输入有效能，那就不会负数，而且效率非常高，效率=12509/(12544+69)=99.2%，但这能说明什么？这台液氧泵设计的效率是64%。
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% I0 L# n: g+ G* [/ s) J我以前引用的那篇文章，不是某大学教授写的，是华东理工大学的一位研究生写的，他是上过几年班才考研的，写的是法液空17000空分。我到他们单位去过几次，也见过他，但听说他后来跳槽去Praxair了。
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6 C, P$ I8 k% G; k尤总的膨胀制冷有效能效率>1，无中生有了，我没看清你在说什么。不过，在等熵效率相同时，膨胀机进气温度越低，有效能效率越高，这倒是正确的。所以，空分中一般的做法都是常温增压，低温膨胀，而不是尤总所主张的低温增压和常温膨胀。高温高焓降只是说单位制冷量大，与有效能效率高低是两回事。

冷量的单位虽然与有效能相同，但冷量本身并不是有效能，冷量火用才是有效能，空气膨胀的有效能效率=空气膨胀后冷量火用增量/(气体压力火用减少量-输出外功)
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" Z& h2 a  ?, ~! H9 X8 V$ W$ r计算膨胀机前温度分别为300K和150K两种情况下的有效能效率，膨胀空气量都是10000Nm3/h，机前压力都是9atm，机后压力都是1.4atm，膨胀过程的等熵效率都是85%

. U9 T4 p% n" A+ |5 N0 ~机前温度300K时，膨胀后温度194.01K，输出外功377kW，压力火用减少575kW，冷量火用增加90kW，所以有效能效率=90/(575-377)=45.3%
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150K时，膨胀后温度95.23K，输出外功179kW，压力火用减少575kW，冷量火用增加292kW，所以有效能效率=292/(575-179)=73.8%
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1 Y7 a" c5 t9 Z/ S* `0 W显然，机前温度越低，空气膨胀过程的有效能效率越高。

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9 R+ e; M6 }7 Z8 ~0 ]低温气体增压后，压力火用增加，冷量火用减少，压力火用和冷量火用都属于有效能，合计有效能是增加还是减少，要看哪个影响大。很简单的道理，尤总怎么就理解不了呢？极端情况下，低温气体无压力升高，只有温度升高，那就只有冷量火用减少，无压力火用增加，当然有效能是减少了。
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有效能不会凭空多出来，但损失或减少，有什么不可能？能量守恒，但是有效能并不守恒，它是可以减少的。

如果膨胀过程的等熵效率是100%，那么机前温度300K时，输出外功444kW，压力火用减少575kW，冷量火用增加131kW，有效能效率=131/(575-444)=100%

1 Q- j/ U& }8 o9 M, ~9 p0 X150K时，输出外功210kW，压力火用减少575kW，冷量火用增加365kW，有效能效率=365/(575-210)=100%
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; G( |- I; \  a, R# F% U可见，只有等熵效率100%时，常温膨胀和低温膨胀的有效能效率才相等。实际空气膨胀过程的等熵效率都低于100%，这时在低温下膨胀的有效能效率较高。
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0 }, S$ q# z) T对于气体压缩，当绝热效率100%时，常温压缩与低温压缩的有效能效率也相等。但是实际压缩过程的效率都低于100%，这时在常温下压缩的有效能效率较高。
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空分中几乎都是常温压缩低温膨胀，是有道理的。
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有效能效率也叫做等熵效率，等熵效率并不是等熵过程效率，而是以等熵过程为100%效率而计算出的实际过程的有效能效率，实际过程都是熵增加有效能减少的过程，所以计算出的等熵效率或者有效能效率数值一定是在零到1之间，既不能小于零也不可能大于1！这是由等熵效率即有效能效率定义的，也是效率的语义所在。如果等熵效率或有效能效率计算出的数值小于零或者大于1那就必须检查计算过程是否正确，如果计算过程正确，那么就必须查验计算出的是不是等效效率或者有效能效率，因为等熵效率或者有效能效率是不可能小于零也不可能大于1。

  等熵过程又叫做可逆过程！而实际发生的过程都是熵增加有效能减少的过程！这是热力学第二定律所规定的，是不可证明的公理。等熵过程或者可逆过程是理想过程，实际上是不可能存在的。绝热效率又叫做绝热过程的等熵效率或者有效能效率。绝热过程有三个状况，一是绝热节流程，这个过程既没有热量交换也没功的输出输入，其等熵效率或者有效能效率等于过程终未节点有效能数值除以过程起始节点的有效能数值，第一个过程是绝热压缩过程中，其等熵效率或者有效能效率等于等熵绝热压缩过程所需要的功耗(这是绝热压缩过程所需要的最小功耗除以实际在缩过程所需要的功耗，第三个过程是绝热膨胀过程，绝热膨胀过程的等熵效率或者有效能效率也简称绝热膨胀过程的绝热效率，其计算方法是实际过程的膨胀输出功除以等熵(可逆)绝热膨胀输出功。请先生认真地捋一捋等熵效率或者有效能效率或者绝热效率三者之间的关系再来讨论深冷压缩过程的绝热效率和有效能效率之间的关关系，不要出骑驴找驴即同一个过程出现两个不同的有效能效率的笑话。至于先生的计算过程我认真学习过了，都是正确且无可挑剔的，让人十分佩服。

或许上面气体膨胀过程的“有效能效率”应该用“冷量火用效率”才更准确。气体膨胀既产生冷量，又产生冷量火用，冷量是基于热力学第一定律的，而冷量火用基于热力学第二定律。提高机前温度，冷量效率较高，但冷量火用效率低；降低机前温度，冷量火用效率高，但冷量效率低。早期空分都是从小空分发展起来的，那时的冷损相对较大，冷量不足，所以比较重视制冷量，故有“高温高焓降”的说法，这种说法延续至今。

: l4 }5 D/ ?' ?, }但后来，人们意识到热力学第二定律，不可逆性，有效能，这些更是节能的关键，就重视冷量火用了。故机后带液膨胀机、全液体膨胀机又发展起来了，这些都是冷量效率低但冷量火用效率高的机器。

" ~, y1 i1 b4 h! ?3 k8 O& O( {# u9 t实际上，空分生产中既需要冷量，也需要冷量火用，升高或降低膨胀气体温度都有利有弊。目前的膨胀前温度在150K左右，这是冷量和冷量火用妥协的结果。