外行学空分(167)一一双塔流程和新单塔流程的能耗比较一一综合

   前面两个帖子分别讨论了双塔流程和新单塔流程的精馏模块和制冷液化模块。制冷液化是一个可以单独进行的过程，但却是深冷空分装置的一个必要的功能模块，在深冷空分装置中两者象连体婴儿一样紧密地结合在一起！就精馏模块而言，新单塔流程相对于双塔流程具有确定无疑的能耗优势！就制冷液化模块而言，问题就比较复杂了。
   制冷液化是可以单独进行的过程，深冷空分教科书中气氧实际液化功1.2-1.47kWh每标准立方米液氧，当然是气氧单独液化时的实际功耗，其液化效率只有17%左右，就现在的设备性能参数和工程条件而言明显液化功耗偏高，目前深冷气体实际液化效率在25%-30%左右。而深冷空分教科书中采用双膨胀制冷方案时，气氧实际液化功扣除值可以低至0.65KWh每标准立方米液氧，液化效率则高达37%接近40%，又大大超过在目前设备性能参数及工程条件下的深冷气体实际液化效率（压缩机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%下，30%-35%，如果压缩机等温效率80%，膨胀机绝热效率90%，则深冷气体液化效率可以达到45%-50%！）这个原因在于制冷液化和深冷空分装置具有很大的联合红利，同时标准双塔流程工艺方案开式热泵一膨胀制冷液化效率极低，例加单独制冷（液化）时的膨胀制冷循环工质热端温差形成的冷损，单独制冷（液化）装置的散冷损失，都是由深冷空分装置共同承担甚至于完全由深冷空分装置承担，这部分的功耗实际上已经计入深冷气体产品单耗中，正是由于这个原因，深冷空分液体产品一般均由空分装置联合生产，而单独制冷液化装置在非常特殊的情况下才是可行的。
    双塔流程的标准工艺方案，其液体产品数量接近于零，而新单塔流程标准三热泵工艺方案其液体产品数量在20%左右，而这液体产品是由低背压膨胀制冷方案而制取，其制冷液化效率较低，功耗较高！这就进一步增加了双塔流程和新单塔流程能耗比较的难度！
      只要把热泵循环工质复热常温压缩对空分装置的冷量平衡的影响想清楚了，那么比较的结论也就自然而然了。下面以新单塔流程空气氮气双热泵工艺方案与双塔流程标准工艺方案作一个对比，来说明热泵循环工质复热常温压缩对空分装置冷量平衡的影响。
, d6 H. s9 f5 V5 J     新单塔空气氮气双热泵工艺方案以处理50000立方米干空气为倒简单叙述如下，空压机出口压力4.2bar，纯化后压力4.1bar，其中42500立方米经涡轮增压在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的空气冷凝器中冷凝为液空，过冷后送至空分塔精馏段作为回流液。其余7500立方米经涡轮增压后在主换热器换热后进入膨胀机膨胀制冷，膨胀制冷后的空气进入空分塔参与精馏。返流氮气42000立方米在主换热器复热后，其中20000立方米作为产品氮气，其余22000立方米压缩至2.1bar，在主换热器换热后进入设置在空分塔精馏段液空入口处的冷凝器中冷凝为液氮，过冷后送至空分塔顶部作为回流液。
% n7 F, F4 A5 P8 g. Z3 ?6 V   从空分塔底部以上25块理论塔板数处引出含氩10%，含氧89.5%，含氮0.5%的氩馏分在粗氩冷凝塔中进行冷凝分离，粗氩塔冷凝器用12500-15500立方米液空过冷后作为冷源，其余27000-30000立方米液空过冷后送至空分塔精馏段作为回流液。从空分塔底部引出10000立方米（折纯）纯度99.5%（含氩0.5%）的氧气在主换热器换热后作为产品引出。从空分塔精馏段引出污氮气约20000立方米在主换热器换热后作为纯化器的再生气及其它用途。粗氩冷凝塔顶部引出工艺氩气360立方米在主换热器换热后作为产品工艺氩气。
   这个工艺方案是新单塔流程空气氮气双热泵工艺方案中不利的比选方案，氮气热泵效率特别低，唯一的好处是其产品方案和双塔流程的标准工艺方案非常接近（液氧产量略高）。其空压机和氮压机的压缩功耗之和比双塔流程标准工艺方案的空压机压缩功耗仅低3%-5%！非常适宜进行比较（排除气氧液化单耗扣除值对能耗比较的影响）。
' {! x& i7 t+ N* O      其实只要确定这个新单塔流程空气氮气双热泵工艺方案的液体产品数量略高于双塔流程的标准工艺方案，则双塔流程和新单塔流程的比较，热泵循环工质复热常温压缩对空分装置冷量平衡的影响也就不言自明了！
! U( [! {( c- ?; d$ F3 ?8 d5 l: D   与双塔流程标准工艺方案相比，新单塔流程该工艺方案等温焓差可以认为相等（双塔流程空气压力高，但新单塔流程多出22000立方米压力2.1bar的压力氮气），空分装置的散冷损失也是相等。不同的是双塔流程标准工艺方案空气压力5.6bar，新单塔流程该工艺方案空气压力4.2bar。另外新单塔流程该工艺方案由于增加了22000立方米氮气复热常温压缩，其热端温差形成冷损，如果两个工艺方案的液体产量相等，那么新单塔流程的膨胀空气膨胀机入口温度将升高6K，如果假设双塔流程标准工艺方案膨胀机温降50K，由于新单塔流程空气压力低，在膨胀机绝热效率及涡轮增压等温效率一致的情况下，新单塔流程该工艺方案膨胀制冷后的空气温度将比双塔流程标准工艺方案高16K！从以上的数据很容易认为新单塔流程该工艺方案的液氧产量一定比双塔流程标准工艺方案低，如果双塔流程标准工艺方案液氧产量接近于零，那么新单塔流程该工艺方案冷量平衡都很困难，但事实上新单塔流程该工艺方案液氧产品数量略高于双塔流程的标准常规工艺方案，也就是说新单塔流程该工艺方案冷量平衡状况好于双塔流程标准常规工艺方案！这是为什么？
+ D% _5 ^; e, s) O0 e; ?     其实空分装置就精馏系统而言，其冷量平衡还有另外一个更直观的表述方式，即进入精馏系统的压力空气（新单塔流程压力氮气）带液的潪热等于液体产品的潜热加精馏系统的散冷损失加膨胀空气的过热显热加主换热器的冷端温差损失。以双塔流程标准工艺方案为例，5.6bar（考虑阻力后的5.4bar左右）压力空气带液进入下塔，扣除精馏系统散冷损失，冷端温差损失及膨胀制冷空气过热显热损失，几乎消耗殆尽！
    新单塔流程的该工艺方案虽然进入空分塔的压力只有4.0bar，其沸点温度比双塔流程标准工艺方案的压力空气沸点低3K左右（2.6k），但在精馏系统散冷损失，主换热器冷端温差损失相等的情况下，由于增加了22000立方米的返流氮气，其压力空气压力氮气的总带液量高于双塔流程标准工艺方案，如果两者液体产品数量相等，那么就允许新单塔流程该工艺方案的过热度高于双塔流程的标准常规工艺方案！允许高多少度呢？我们简单计算一下。
    新单塔流程和双塔流程标准常规工艺方案一样，返流氮气，污氮气及氧气，工艺氩气经与富氧液空，液氮，液空换热过冷后，几乎没有多少冷量可以用于压力空气压力氮气的液化，但双塔流程压力空气的沸点比新单塔流程压力空气压力氮气沸点高3K（2.6K），因此可以比新单塔流程多回收冷量15万立方米空气k比热的冷量，但新单塔流程22000立方米增加的返流氮氩可回收冷量30万立方米空气K比热的冷量（氮氩比热按空气的0.9计）。允许7500立方米膨胀制冷空气的温度比双塔流程高20K！而在假没两个工艺方案液体数量相等的情况下，新单塔流程该工艺方案的膨胀制冷后空气温度仅比双塔流程标准工艺方案高16K！所以实际上新单塔流程的该工艺方案液体产品数量略高于双塔流程的标准工艺方案！新单塔流程该工艺方案进入膨胀机入口的膨胀制冷空气温度比双塔流程标准工艺方案高10K以上，高温高给降，新单塔流程该工艺方案的膨胀机虽然空气压力低但制冷量比双塔流程标准工艺方案高！其实只要做一下模拟计算，一切都是清清楚楚的。热泵循环工质的复热常温压缩既带来了热端温差损失，但又增加了可用于压力空气压力氮气液化的可回收冷量，是有利于空分装置的冷量平衡的！
6 b4 x1 B' L; d2 |) U( h4 Q. ]    对于精馏而言，氮气冷凝器设置在液空入口处的工艺方案是不利的，其原因在于冷凝器设置在液空入口处的以氮气为循环工质的开式热泵的热泵效率很低，但也拥有相对于双塔流程5%以上的能耗优势。
' i( J- }- b) }   空分流程有高压流程，中压流程及全低压流程之分，这就形成了一个思维惯性，全低压流程优于中压流程，高压流程！从开式热泵精馏的角度考虑毫无疑问是正确的！但是空分装置是开式热泵精馏和开式热泵一膨胀制冷液化的联合装置，空分装置的效率（能耗水平）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！开式热泵一膨胀制冷液化效率和开式热泵精馏效率一样也是空压机出口压力越低越好吗？从来没有人讨论过，空压机出口压力（即用于液化的开式热泵压力）的高低对开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响。关于这个问题将在后面进行详细的讨论，其结果是非常惊人的！全低压空分装置并不是效率最高的工艺方案，效率最高的空分装置是中，中低压结合的工艺方案，即用于开式热泵一膨胀制冷液化的开式热泵正流空气压力38bar（空气临界压力），用于精馏和膨胀制冷空气压力5-6bar的工艺方案才是效率最高的工艺方案。具体内容参阅后面的帖子一一空分装置的制冷和液化。

  根据帖子内容实际上已经可以进行任何给定产品方案的软件计算，如果加上提氩流程(双热泵精馏流程工艺)就可以进行空气真实组成的软件计算，进行适当的优化调整，其计算结果实际上就是新单塔流程的初步工艺设计。

  新单塔流程的双热泵工艺方案，明热泵效率来说，低于单热泵的热泵效率！但是优化后的双热泵工艺方案精馏的效率总是高于单热泵工艺方案的精馏的效率，更重要的是以空气热泵为基础的双热泵工艺方案，空气压力总是高于以氮气为循环工质的单热泵工艺方案，相应地相同产品方案下，制冷液化效率总是高于单热泵工艺方案。综合热泵精馏和制冷液化两个方面，新单塔流程的标准工艺方案应该是以空气热泵为基础的双热泵甚至叁热泵工艺方案。

" Y* n! I$ r" H: a  K0 z" N与常温以上的精馏相比，在低温装置中使用直接热泵时，有相当大的额外损失，这可能使得在常温以上精馏装置中使用直接热泵精馏方法可以节能，而在低温装置如空分装置中使用直接热泵方法并不节能，尤总有无考虑到？
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以氮气循环为例，低温氮气复热到常温的压降一般为15~20kPa，反之常温到低温也差不多，平均以17.5kPa计，尤氏单塔顶部压力132.5kPa绝压，复热至常温115kPa，热泵压缩机氮气压力115kPa升至545kPa，则返流阻力损失占热泵氮压机功率的比例是：ln(132.5/115)/ln(545/115)=0.091，即返流阻力损失大约占热泵功率的9%
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正流损失是：ln(545/(545-17.5))/ln(545/115)=0.021，即正流阻力损失占热泵功率的2%
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1 H9 B/ {& Y+ O" b/ F. N+ V$ g温差损失，热端温差一般2~3K，而中部和冷段温差稍大一点，平均4K，温差损失大约占热泵功率的7%，需要用积分方法计算。
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这个18%的损失在常温以上热泵精馏中没有，是低温装置如空分装置中使用直接热泵时特有的，尤总有无考虑过？再有空气压力下降后，净化困难、阻力损失增大，尤总有无考虑过？
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低温增压可以避免复热和降温过程的换热损失，但低温增压的冷量损失很大，按厦大报告，低温增压的能耗更高10%以上。
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: y  r! @7 U( b+ S7 y* H" d, Y; b* ]尤总把下塔当作热泵的一部分，有了下塔后，提供给上塔的热泵有效能减少了，所以下塔使热泵效率降低了？尤总是不是这个逻辑？
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4 ]& x7 H% w: d7 H% g- j$ P9 g8 e" s, c确实，尤氏单塔只有液氮回流，双塔流程既有液氮，也有液空回流，液空是比液氮品位低的回流液，液空+液氮回流液的平均品位低于液氮。但下塔精馏过程消耗了热泵有效能，这个并不是损失。相反，下塔利用20%的热泵有效能，完成了30%的分离功，下塔是上下塔、粗精氩塔几个塔中效率最高的一个塔，尤总取消了下塔，正如在一家合成氨厂，把水平最高的尤总的总工程师职务免去，换一个连氨分子式都不会写的上去，你说效率会高么？

尤总十几年大多数时间都在找关系“攻关”，没花多少时间学习空分，对空分了解还是太少。如果尤总对空分了解多一点，就会自己知道尤氏单塔不可行了。
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法液空、杭氧、川空、开空都认为尤氏单塔不可行，他们可都是空分内行，是一个空分外行错了？还是4家空分内行全都错了？