外行学空分(166)一一双塔流程和新单塔流程的能耗比较耗的比较一一制冷液化部分

Yb2021

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3 v) h. u- ]) N' s    前帖对基于双塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案和基于新单塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案的精馏部分进行了比较，其结论其实已经不言自明了。但一个空分装置不但是空气在深冷条件下精馏分离的过程，同时也是保持空分装置处于气液共存的深冷状态(空分装置不可避免与环境发生传热输入热量，空气原料和空分产品换热器热端温差造成的冷量损失，当然还可能有深冷压缩造成的冷损)并制取深冷液体产品的过程。因此空分装置除了精馏过程外，还有一个非常重要的制冷液化过程，这个制冷液化过程从原理上而言是以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化过程。
     沸点在环境温度以下的气体制冷液化是一个可以独立进行的纯粹的物理过程，对于临界温度在环境温度以上的气体，可以通过加压冷却而实现液化！这样的过程本质上是开式热泵液化！对于临界温度但和环境温度相距不远的气体，可以采用热泵接力的方法实现液化，倒如二氧化碳气体的液化（二氧化碳临界压力略高于环境温度）。对于临界温度和环境温度相距甚远的深冷气体无法采用热泵制冷液化及热泵接力液化的方法实现液化，只能采用开式热泵一膨胀制冷（包括等温焓差）联合方案实现液化，其中等温焓差和膨胀制冷产生冷量冷能（等温焓差只产生冷量，膨胀制冷既产生冷量也产生冷能），而开式热泵只产生冷能增量而不产生冷量，但加压后的液化原料气能吸收等温焓差和膨胀制冷产生的冷能冷量并实现液化，节流减压或者液体膨胀机减压后得到常压液体（压力原料气吸收冷量冷能液化，节流减压或液体膨胀机减压后得到常压液体，构成开式热泵液化）。在深冷空分教科书中就是空气压缩与液化部分的内容，但深冷空分教科书只是平铺直叙并没有进行深入的讨论，也没有对空气压缩与液化的工艺方案（就是以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案）及工艺参数进行优化。
+ k* }, D9 v* b: _* K     空分装置的制冷原理是等温焓差和膨胀制冷（这是从冷量角度而言）。在深冷空分技术发展初期，空分装置所需要的制冷量完全来自等温焓差（等温焓差只产生冷量而不产生冷能，冷能由开式热泵即正流压力空气液化产生），相应地空气需要加压到很高的压力(另一个原因是采用冻结法纯化)，才能实现空分装置的所谓冷量平衡并得到少量的液体产品，后来出现了吸附纯化和膨胀制冷，空气压力就不断降低了，目前双塔流程的空气压力一般为5,6bar(过膨胀机的空气量约为空气总量的15%，对应的液体产品数量接近于零)，其中等温焓差产生的冷量约占总冷量的15%，膨胀制冷产生的冷量约占总冷量的85%。如果要提高制冷量(例如采用内压缩流程，增加提氩流程或者制取较大数量的液体产品），那么简单的办法是提高空压机的出口压力(膨胀制冷空气量是由开式热泵精馏工艺方案所决定的无法改变)，空气压力的提高从两个方面增加了制冷量，一是提高了膨胀机膨胀制冷的膨胀比，二是提高了膨胀制冷膨胀前的温度，这其实就是所谓的高温高膨胀比高焓降（膨胀机进口温度之所以提高，原因在于正流空气压力提高冷凝温度升高，相应进入下塔的液空数量增加）。但由于受到膨胀制冷空气量和膨胀比的限制，能够制取的液体产品数量是有限的，大约只能达到空分装置氧气产量的10%！要进一步提高液体产品数量就需要采用所谓的双膨胀工艺方案。
   双塔流程共有两个膨胀制冷液化两个方案，一是膨胀空气进入上塔参与精馏的方案。二是膨胀空气进入下塔的方案。深冷空分教科书中认为气氧实际液化功为1.2kwh-1.47kwh每立方米液氧，同时又认为当采用双膨胀工艺方案方案时，气氧实际液化功扣除值可以低至0.65kwh每立方米液氧。两者之间的差距达到一倍以上！但深冷空分教科书对此没有给出任何解释。分析两个差距极大的不同的数据，似乎可以得到这样的结论，即膨胀空气进入上塔的方案膨胀制冷（液化）效率低于膨胀空气进入下塔的膨胀制冷（液化）效率！所以才会有采用双膨胀制冷方案时，氧气实际液化功可以低至0.65kwh每立方米液氧的讲法，但是这样矛盾的表述实际上存在一个重大的秘密，这个问题将在后面详细讨论。
  [4 |+ N' K/ w' @, a" V   新单塔流程基本流程和双塔流程不同，空气精馏主要是由氮气热泵压缩机，空气热泵压缩机（和空气原料压缩机合并）粗氩热泵压缩机承担的，而空压机主要承担空气原料输送及膨胀制冷的功能，如果空压机的出口压力和双塔流程空压机相同(5,6αtm)，那么膨胀制冷量除了补偿热端温差及空分装置冷损外，液体产品(液氧)量可以达到空分装置的氧气产量25%左右。当然也可以通过和双塔流程一样采用双膨胀工艺方案的办法进一步提高液体产品的数量。但要降低液体产品数量却需要花一些心思。
   一个空分装置的产品方案是给定的，不是可以随便调整的，空分装置的产品方案不但有氧气氮气氩气的产品数量和纯度，也包括液体产品的数量和纯度。液体产品的纯度一般情况下和气体产品纯度都是接近，而液体产品的数量却是一个大问题，对空分装置的工艺方案会产生重大的影响。
   新单塔流程空压机出口压力在5,6αtm时，精馏和制冷都会实现很高的效率（制冷效率只是相对于低温膨胀工艺方案而言，相对于双膨胀工艺方案制冷液化效率就很低了！根本的原因在用于液化正流空气压力太低了！），这种情况下，采用新单塔流程的空分装置液体产品数量达到氧气产品数量的25%左右（根据是否采用涡轮增压技术及膨胀机效率及冷损不同而有所变化。)，如果产品方案中的液体产品数量低于此数，那么最简单的办法是降低空压机出口压力，但这种办法会大幅度降低膨胀制冷效率(这里的膨胀制冷效率类似于制冷系数制冷效率，不是指膨胀机绝热效率而是指膨胀机焓降和膨胀制冷空气常温下的压缩功耗之比值)，这样相对于双塔流程的精馏能耗优势将被制冷低效率抵消，例如在液体产品数量接近零时，采用这样工艺方案的新单塔流程其能耗比采用双塔流程的能耗高10%-20%（新单塔流程采用单热泵还是双热泵工艺方案情况有所不同)。其实道理非常简单，这样情况下，新单塔流程空压机出口压力只有2,5αtm左右，膨胀机的制冷系数不到双塔流程的三分之一。因此通过直接降低空压机出口压力来实现低液体产品方案是不可行的。综合考虑精馏和制冷液化两个部分，新单塔流程的精馏工艺方案需要做一下的调整优化，一是采用空气氮气双热泵工艺方案，二是空压机出口压力确定为4.2bar（这是以空气冷凝终未温度计算的结果，如果以空气冷凝平均温度计算则空压机出口压力可以降低至3.9bar）。
" u0 @: g/ M, d- D7 M1 C0 ]   当采用双热泵工艺方案时，空压机出口压力4.2bar，这样当制取纯度95%（含氩4.5%，含氮0.5%）的氧气时，新单塔流程液体产品数量可以减少至氧气产量的20%以下。当制取99.5%（含氩0.5%）纯度氧气时，液体产品数量可以降低至氧气产量的10%-15%。如果要进一步降低液体产品数量，则需要进行更大幅度的工艺方案调整。
1 i  V: e* ^7 O8 q   古典单塔流程是最先得到工业化运用的深冷空分流程，但古典单塔流程存在很大的缺点，一是无法同时制取氧气和氮气，二是氧气提取率只能达到70%左右。而要解决古典单塔流程的缺陷，有两个改进方案，一是目前的双塔流程，先把压力空气在一个冷凝塔(下塔)中进行冷凝精馏分离形成液氮和富氧液空，然后再在常压精馏塔中进行精馏分离同时制取氧气和氮气。另外一个改进方案是在古典单塔流程的精馏段增加一个以氮气为循环工质的热泵精馏系统。同样可以实现同时制取氧气氮气产品及提高氧气提取率。其实从精馏角度来说，采用双热泵工艺方案的新单塔流程和双塔流程的上塔并无本质的不同，只不过双塔流程采用的是一拖二的热泵精馏，而新单塔流程采用的是直接双热泵工艺方案而已！而一拖二热泵必然造成热泵效率的大幅度下降，这一点双塔流程的致命缺陷，在膨胀制冷末出现之前，双塔流程有其合理性，而在膨胀制冷吸附纯化技术出现之后，双塔流程的这个致命缺陷已经暴露无遗，只不过尚末为大家所认识而己！
4 d/ W* ]4 G. z3 v   新单塔流程当制取99.5%（含氩0.5%）纯度的氧气产品时，空压机出口压力4.2bar，其中85%作为空气热泵的循环工质，其余15%用于膨胀制冷，另在空分塔液空入口处设置冷凝器，氮气复热常温压缩至2.1bar在主换热器换热后进入冷凝器中冷凝为液氮过冷后送至空分塔顶部作为回流液。这样工艺方案液体产品数量和双塔流程标准工艺方案一样接近于零，但新单塔流程空压机和氮压机压缩功耗之和比双塔流程标准工艺方案空压机压缩功耗低5%左右，而液体产品数量高于双塔流程！
% ~& U& E7 i/ L7 y2 h7 I     其实无论是双塔流程标准工艺方案（空压机出口压力5.6bar），还是新单塔流程的标准工艺方案（空压机出口压力4.2bar），都是开式热泵精馏和开式热泵一膨胀制冷液化联合装置，以上的讨论都只是从开式热泵精馏的角度讨论工艺方案和工艺参数的优化，而没有从空气开式热泵一膨胀制冷液化的角度考虑工艺方案和工艺参数的优化，而空分装置的能耗既决定于开式热泵精馏的效率也决定于开式热泵一膨胀制冷液化效率！关于空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案和工艺参数的优化及其对空分装置的能耗及其核算的重大影响，将在后面进行详细的讨论。

Yb2021

有关我与深冷空分顶尖专家关于氧气实际上液化功的内容可以参阅99帖的评论区。

Sunqh

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如果按照尤总氧液化功1.3kWh/Nm3计算，内压缩流程的单耗比尤总厦大论证报告中最好的工况4还节能20%，而且内压缩流程是生产99.8%氧，尤总单塔实际是生产95%氧。

尤总的方法从根本上就是错误的，氮气循环多此一举，大大增加换热量，能耗必定增大。

) b) T: R/ S6 z/ e" @8 a. v( b( [3 @: [2 o《制氧技术》不是空分教科书，充其量只是个别老师的学习教学笔记，一本参考书而已，各种文献资料的汇集。

Yb2021

我们讨论的是什么问题？是空分装置能耗核算时(空分装置以单位氧气电耗为核心指标，其它产品只能作为分摊项扣除项处理)，这就产生了液氮液氧液氢产品应该如何扣除和分摊才是合理的问题。如何又扯到内压缩流程去了？

Yb2021

至于(制氧技术)是一本权威教科书还是仅仅是某位老师的笔记或文献汇编，恐怕先生你说了不算数吧！

Yb2021

采用内压缩流程，在核算单位氧气电耗时，确实也存在一个分摊和扣除的问题，但扣除的是氧气压缩的电耗，

Yb2021

      评价一个空分装置的能耗水平并不是一个简单的事情，一个空分装置的产品是多种多样的。空分装置不但产品有氧气氮气和氩气，还有液氧液氮液氩及压力氧气压力氮气压力氩气(內压缩流程如果是采用外压缩就和空分装置无关了。)，对于这样多产品的空分装置能耗水平比较存在很大的困难，争议也就不可避免了，更何况还存在商业因素的干扰，也就很难达到共识了。
   但也不是毫无办法，从合理性上讲有三个办法，一个是在相同产品方案下，比较投入的能量，这种办法当然是无可争议，但有时也存在实际上的困难。二是全装置的有效能效率的比较，这个办法好处是具有唯一性和权威性！但非常抽象。用起来很麻烦！三是目前以单位氧气电耗为指标的能耗核算法，这种办法不可避免带来除了氧气产品之外的其它产品应该如何扣除和分摊的问题！
+ F$ G) l4 L, c3 i, {3 m' L  以上的三个方法，第一个办法是最可靠也是最复杂的。第二个办法其可靠性比起第一个办法是降低的，例如现在无论制冷(液化)还是空分其实际有效能效率均在20%-30%之间，而压缩有效能效率大约在70%左右，如果通过内压缩流程把空分产品的压缩纳入空分装置的有效能效率核算范围内，就会显著提高全空分装置的有效能效率，虽然相对于外压缩内压缩并不节能！第三个办法最常用，但其结论也最不可靠，不可避免存在其它产品的扣除和分摊的问题，而扣除和分摊的办法及数值都不可避免影响核算结果引起争议，但何况还存在其它因素的干扰！
3 |1 V5 q* |+ P9 d: O   以上的三个办法应该相互参照使用，特别在出现巨大争议更应该如此！

Sunqh

我只能承认没办法说服尤总。我回复尤总许多帖子，本来是觉得尤总是中国著名高校毕业的，与“诺贝尔哥”这些没上过几天学的民科还是有点不同。中科大应该做反民科的先锋，方舟子，中科大毕业的，也是福建人，著名反伪科学反民科斗士。更有一位中科大老师把民科比作妓女，被民科告了。

+ v" u2 Z9 R; N$ G+ D$ ~9 Q所有精馏分离过程本质上都是一个热量有效能或冷量有效能转换为分离功有效能的过程，对于空分精馏，是冷量有效能转换为分离功有效能的过程。

普通常温精馏或高于常温的精馏，都是塔底再沸器供热，塔顶冷凝器带走热量，热量虽没有减少，但热量的品位下降了，所以热量有效能减少了。同时精馏物料的分离功有效能增加，但分离功有效能增加量肯定小于热量有效能减少量，两者的比值就是精馏过程的有效能效率，这个效率较低，通常只有20%左右。
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空分中的液化过程效率实际就是电能转化为冷量有效能的效率，而空分精馏是冷量有效能转换为分离功有效能的过程，但得到的分离功有效能肯定小于失去的冷量有效能，也就是这个过程本身也有一个效率，目前这个效率在40%~50%左右，已经高出常温精馏很多了。这是因为得到冷量有效能比得到热量有效能更困难，空分精馏的工作回流比都更接近于极限回流比，如下塔的工作液气比就在最小液气比的1.05倍左右。

空分中液化效率即电能转化为冷量有效能的效率是50%左右，精馏本身即冷量有效能转化为分离功有效能的效率是40%~50%，电能转化为分离功有效能的效率是两者相乘，所以空分中得到分离功有效能的效率是20%~25%，很正常。

如果照尤总规定的液化效率与精馏分离功效率相同，那么精馏过程本身效率即冷量有效能转换为分离功有效能的效率只能是100%。但既然已经是100%，尤总还有什么可改进的？
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Yb2021

  先生又东拉西扯转移话题了！先生提出某内压缩流程如果能耗核算时按照气氧实际液化功1,3kwh/每标准立方米扣除，则比厦大论证报告中的最优方案能耗低20%！我指出内压缩流程能耗核算时应该扣除的是压氧电耗而不是气氧实际液化功！这个问题很难回答吗？还是先生不屑回答？扯什么诺贝尔，反民科斗士！

Sunqh

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我扣除的就是氧压机电耗-2188kW，而且是按照氧压机效率与空压机相同扣的，实际氧压机效率通常低于空压机，我还扣少了，考虑氧压机效率更低，再多扣一点的话，内压缩流程的液化单耗就更低了。
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  `2 O, T6 r- _: @4 x4 r# @/ V液化装置与所有空分装置结合都能降低液化单耗，不是尤总的新单塔独有，液化装置与内压缩流程的结合效果最好。主要原因正是减少了换热损失。比如生产液氧，塔内首先产生的就是液氧，直接取出产品当然最好。如果先液氧气化成氧气，再复热，再压缩，再重新液化成液氧，经过这样多次折腾后，每次折腾都有损失，效率当然就降低了。
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