外行学空分(189)一一深冷空分流程中的制冷和液化(一)

Yb2021

    精馏过程的组织必须具备两个基本条件，一是必须使精馏过程处于气液共存状态，只有这样状态下精馏过程才能启动，二是必须有给精馏过程供热供冷可行的工艺方案。
4 W9 _/ q+ F8 _* F( `7 i5 d% Q    在环境温度以上的精馏过程，两个基本条件都很容易实现，只要通过蒸汽加热和冷却水冷却，就可以实现气液共存状态及给精馏过程供给热和供冷。所以可以采用标准常规精馏，双效精馏及多效精馏工艺方案组织环境温度以上的精馏过程！然后又发展出了在标准常规精馏基础上的单热泵及多热泵精馏组织工艺方案。
% \' ~( v% S, `    沸点在环境温度以上的二元物系的标准常规精馏，双效精馏及多效精馏及标准常规精馏基础上的单热泵及多热泵的工艺方案无法组织沸点远低于环境温度的空气精馏过程，因为自然界中不存在可以让空气处于气液共存状态及给精馏过程供给冷能的冷源。因此深冷空分流程都必须是空气开式热泵一膨胀制冷液化方案基础上的彻底的开式热泵精馏流程（事实上深冷空分是世界上第一种实现工业化运用的开式热泵精馏流程，它出现的时候，所谓的双效精馏，多效精馏及热泵精馏的概念及理论尚未出现），当开式热泵精馏工艺组织方案确定后，制冷和液化的工艺方案就成为了深冷空分最重要的问题。制冷和液化是深冷空分流程必不可少的一个组成部分。制冷和液化对深冷空分装置的作用有三个，首先它是深冷空分开式热泵精馏过程启动的必要前提条件，无论是用于精馏的开式热泵还是空气精馏分离的过程只有在处于气液共存的状态下才能启动，而要实现空气或其开式热泵循环工质处于气液共存状态只有通过制冷和液化才能实现。其次制冷和液化是实现深冷空分装置实现冷量(也可以称为热量平衡本质上是深冷气体液体平衡或气液平衡）)平衡稳态化运行的必要条件，由于空气的精馏过程在深冷条件下进行，不可避免存在散冷损失及精馏原料和精馏产品（包括热泵循环工质和膨胀制冷循环工质复热）换热器（主换热器）热端温差损失，冷量不平衡或冷量亏损（本质上是深冷液体的亏损）势必导致深冷空分装置内的液体数量不断减少，气液共存状态被破坏，开式热泵精馏的过程崩溃！第三个作用是制取液体空分产品（不限于液空而包括液氮，液氧及液氩）。
     从热力学理论可知，所有的冷能均由功而产生压力能，由压力能转化而来，这和热能很不一样，热能除了和冷能一样可以由功转换而来外，它还有一个更常见更容易更普遍的来源，那就是通过燃烧获得的化学能！正是由于这个原因，环境温度以下的精馏过程，其组织难度大大高于环境温度以上的精馏过程，其发展也比环境温度以上的精馏迟得多！
    常见的制冷和液化有三个基本工艺方案，一是热泵制冷液化，二是热泵加等温焓差制冷液化，三是热泵加膨胀机制冷液化。其中热泵制冷液化是最常见效率最高的制冷和液化工艺方案！所谓的热泵制冷和液化其本质上是通过热泵循环，不断地把热量从低温物系输送给环境，从而实现所谓的制冷液化，其中得到的液体是冷能冷量的载体。用于制冷和液化的热泵是一种开式热泵，其循环工质是需要液化的原料气，通过原料气压缩使需要液化的原料气冷凝温度高于环境温度，用冷却水冷却使其液化，再采用节流减压或液体膨胀机减压从而得到常压下的液体（会有部分气化，常压液体的温度低于环境温度，是冷量冷能的载体），开式热泵制冷液化其冷能来自压力能转化，冷量来自冷却水（环境）。但热泵制冷液化工艺方案并不适合深冷空分装置，其原因在于深冷空分需要的制冷液化温度大大低于环境温度，同时受到深冷气体临界温度的限制，采用单开式热泵制冷液化是不可行的，当然可以采用多个热泵接力的方式实现深冷气体热泵制冷液化，但这样工艺方案将极为复杂同时随着热泵接力次数的增加，热泵接力制冷液化的效率将迅速降低，单热泵制冷（液化）效率一般为60%左右，二次热泵接力制冷和液化效率已经低于40%，三次热泵接力制冷液化效率已经低于30%，四次热泵接力的制冷效率则已经低于20%！深冷空分装置中运用的是以空气为循环工质的开式热泵一等温焓差制冷液体工艺方案和开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案！制冷和液化工艺方案的选择和进步对深冷空分流程有着巨大甚至决定性的影响。
& b$ J0 e) Q6 w  e7 s" W# Z   空气开式热泵一 膨胀制冷液化（膨胀制冷并不是一个完整独立的过程）是一个可以单独进行的热力学过程。标准常规开式热泵一膨胀制冷液化装置包括如下几个部分，一是液化原料压缩机，二是膨胀制冷循环工质复热常温压缩机，三是正流原料气，正流膨胀制冷循环工质和返流原料气（节流减压或液体膨胀机膨胀后气化的原料气）及膨胀制冷循环工质返流气换热器，四是膨胀制冷循环工质膨胀机，五液化原料气节流减压阀或液体膨胀机。从换热器来说，膨胀制冷后的循环工质返流气及返流原料气首先与正流液化后的原料气液体换热使之过冷，随后膨胀制冷后的循环工质返流气及返流原料气与正流原料气换热并使之液化。膨胀制冷后的循环工质返流气及返流原料气进一步与正流原料气及正流膨胀制冷循环工质换热从而复热至常温。从以上的换热过程可知，膨胀制冷循环工质进膨胀机抽口之后，只有正流液化原料气与膨胀制冷后的循环工质返流气及返流原料气换热，而膨胀制冷后的循环工质返流气数量加返流原料气量大于正流的液化原料气数量，换热温差逐步扩大（从主换热器冷端换热温差开始逐步加大），而在膨胀制冷循环工质抽口之前是正流原料气和正流膨胀制冷循环工质和返流膨胀制冷循环工质返流气及少量返流原料气换热，返流膨胀制冷循环工质返流气及返流原料气数量总是小于正流液化原料气和正流膨胀制冷循环工质数量之和，换热温差逐步缩小至主换热器热端换热温差。膨胀机进口温度总是高于正流原料气的冷凝温度，差距大小则决定于膨胀制冷循环工质和正流液化原料气的比值及主换热器换热温差，比值越大温度差距越大！
5 x" |! s9 ^' t5 v+ H% M0 D     在深冷空分装置中除了特殊情况外，液化原料气和膨胀制冷循环工质都是选择深冷空分精馏原料气一一空气，正是由于这个原因当深冷空分装置中用于液化的原料气（空气）和用于膨胀制冷循环工质（空气）总量不超过精馏原料（空气）输送量时，深冷空分装置中的膨胀制冷（液化）就和标准开式热泵精馏膨胀制冷液化工艺方案出现一个显著的差异，那就膨胀制冷循环工质复热可以和精馏原料（空气）与精馏产品（氧气，污氮气，氮气）换热过程合并，从表面看起来似乎膨胀制冷循环工质不是复热常温压缩！只有用于液化原料气和膨胀制冷循环工质数量大于精馏原料空气输送量部分才是复热常温压缩！这只是表象不是本质！当选择空气作为空分装置开式热泵循环工质时也是同样的情况。
6 l3 G- `& `7 `2 N5 B# O     深冷空分装置就有效能转化而言，包括两个过程，一是压力能转化为冷能的过程，这是开式热泵一膨胀制冷液化过程，一是压力能转化为温差有效能的过程（也可以认为是广义的冷能），温差有效能转化为分离功的过程，这就是开式热泵精馏过程。