外行学空分(190)一一深冷空分流程中的制冷和液化(二)

Yb2021

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     所有的深冷空分流程都是开式热泵供冷供热精馏流程，毫无疑问深冷空分装置中一定存在开式热泵，这个开式热泵的作用是代替标准常规精馏中的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器从精馏塔顶部移走热量供给冷量（从而使低沸点组分气相液化形成回流）并输送供给精馏塔底部供热（从而使高沸点组分液相气化形成回流）其作用是代替再沸器加热蒸汽和冷凝器的冷却水冷却给精馏塔底部供热同时给精馏塔顶部供冷，其热量冷量在精馏塔底部顶部之间闭路循环，是用于精馏的开式热泵是一种特殊的制冷本质上是温差有效能卡诺功，是不影响空分装置冷量平衡的冷能。所谓的深冷空分流程中的制冷其准确的涵义如下，即将空分装置中的热量排出空分装置外！而用于精馏的开式热泵不能将热量排出空分装置外(精馏的热泵热量在精馏塔顶底之间循环)，因此它改变不了空分装置的冷量(热量)平衡，当然也就不是冷量平衡意义上的制冷，但开式热泵在深冷空分装置的制冷和液化过程中有其不可替代的作用，那就是开式热泵把膨胀制冷得到的冷量冷能吸收并提高了品位，从而实现了深冷气体空气的液化，在深冷空分中这个用于热泵制冷和液化的开式热泵循环工质也是空气，但这和开式热泵精馏中的开式热泵作用是不同的。
2 ~- b* W* r# ~8 p) ~  B4 ?    在膨胀机制冷运用于空分流程之前，空分装置的冷量全部来自于压力空气和常压返流气之间的等温焓差（和膨胀制冷不同，仅仅等温焓差只能产生冷量无法产生冷能！冷能来自开式热泵循环工质的压力能转化！），冷量损失为正流压力空气和常压返流氧气氮气污氮气的换热热端温差，空分装置的散冷损失及液体产品带走的冷量。只有等温焓差产生的冷量等于热端温差损失散冷损失及液体产品带走的冷量，空分装置才能实现冷量平衡，才不会出现深冷液体的亏损，空分装置才能达到稳态化运行。
     等温焓差产生的冷量要覆盖热端温差造成的冷损，空分装置的散冷损失及液体产品带走的冷量，就要求正流压力空气和常压返流气之间有较大的等温焓差，相应地就要求空气压缩到很高的压力。空气压力越高，与相同温度的常压空气（其实是返流的常压氧氮气，污氮引出，工艺氩气）相比焓值越低，常温下的空气压缩后冷却至常温(实际上不存在等温压缩，无非是绝热压缩或多变压缩后冷却至环境温度)，空气中的能量(压力有效能)提高，但其焓值却是下降的。压力空气和等温常压空气之间焓值的差值即是所谓的等温焓差。所谓理想气体是没有等温焓差的，等温焓差是实际气体偏离理想状态的一个特征。
    随着膨胀机制冷运用于深冷空分流程及膨胀机制冷效率的提高及涡轮增压技术的运用，膨胀机制冷成了空分装置冷量的主要来源，所谓的等温焓差退居次要，深冷空分装置的空压机出口压力逐步降低，所谓的高压深冷空分流程退出了历史，出现了所谓的全低压深冷空分流程（全低压空分流程是否是优化的工艺方案，这是一个大问题，这个问题将在后面进行详细的讨论），目前深冷空分装置中等温焓差一般只占总制冷量的15%，而膨胀机制冷占到总制冷量的85%（这是从冷量的角度分析的结论，从冷能角度分析会有不同的结果）。
. f2 p& ?: o- Z' C5 r     空气的纯化方式也是影响深冷空分工艺参数及方案选择的一个非常重要的因素，在吸附法纯化技术广泛运用于深冷空分装置前，空气的纯化采用冻结法，而要满足冻结法自清除的要求，正流原料空气也需要压缩至很高的压力才能保证自清除的效果。
    从开式热泵精馏流程的角度来说，双塔流程要求空气压力大于等于5-6bar(由纯化器阻力，主换热器阻力，下塔塔板阻力，主冷凝器换热温差，上塔底部压力及静压决定)古典单塔精馏流程要求空气压力在4bar左右，新单塔流程要求空气压力等于大于1.2bar，保证空气原料纯化输送即可。以上的空气压力之所以有一个范围，是由于主冷凝器换热温差及正返流阻力的不同。当然这是一个约束性条件，而不是一个选择优化后的工艺参数！毫无疑问无论是双塔流程古典单塔精馏流程还是新单塔流程其要求的空气压力都大大低于在膨胀机制冷及吸附法纯化器出现之前等温焓差制冷冻结法纯化所要求的空压机出口压力。在膨胀机制冷及吸附法纯化器出现之前，无论是古典单塔精馏流程还是新单塔流程相对于双塔流程都毫无竞争力，例如古典单塔流程，从开式热泵精馏的角度来来说，虽然其氧提取率只能达到65%-75%，但从开式热泵精馏而言其需要的空气压力低于双塔流程，不能用氧提取率直接得出两者之间的能耗比较结论。但在膨胀机制冷出现之前，空气压力受到制冷及纯化的硬约束，不可能低于双塔流程，因此也就没有进一步分析比较的意义了。但膨胀机制冷及吸附纯化技术运用于深冷空分流程后，对空压机出口压力的硬约束已经解除，完全可以对双塔流程和古典单塔流程进行进一步分析比较，但已经没有人去做这个分析比较了，这就是路径依赖和思维惯性。同时又产生了另外一个倾向，那就是选择空压机出口压力的时候，只从精馏的角度考虑，采取一切办法降低空压机出口压力从而降低能耗，而忽略了从开式热泵一膨胀制冷液化的角度考虑空压机出口压力的选择和协调，从而导致标准双塔流程工艺方案中的开式热泵一膨胀制冷液化效率低的问题。

Sunqh

“在这种情况下，无论是古典单塔精馏流程还是新单塔流程相对于双塔流程都毫无竞争力。”
——来自尤总帖子
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% D& a( P  N" r2 R: H尤总终于知道尤氏单塔相对于双塔流程毫无竞争力了，可喜可贺啊！

Sunqh

尤总凭一己之力，挑战整个空分行业，又一个堂吉诃德也！只有专利局捂着嘴……

Sunqh

3 X) e# S% m. n- j. S流程开发本质上也是一种趋利避害，需要对流程中的各种利害全面深入了解，各种利害都具体量化后，才能比较取舍，基本上只有内行专家配备必要的工具后，才有可能开发。无任何工具的外行搞开发，那就是盲人骑瞎马，成功的几率近乎0
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尤氏单塔之利：
少一个下塔，主塔高度降低。但如果还要提氩，冷箱高度是由氩塔高度决定的，尤氏单塔的冷箱高度是不会下降的。至于精馏塔成本，少一个下塔，但尤氏单塔精馏段增大，即使能省一点精馏塔费用也很少。
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( P# Q' i* I3 M- x) ~! h% V; t尤氏单塔不利：
8 B0 i! ~% C5 d. X4 p' P1、至少多一台压缩机，投资成本增加；
2、热泵精馏压缩与制冷压缩分开后，气体压力降低，主换热器中气体阻力损失增大；
1 a. F+ U$ U( r5 X' j3、增加了氮气升温和降温过程中的阻力、温差损失，主换热器体积几乎增加一倍，主换热器成本比下塔贵很多；
" O8 ]( z8 \. q! \  U' `3 ~: ?4、如果用低温增压，一方面热量产生冷损，低温增压过程本身的有效能损失很大；另一方面低温增压将部分冷量有效能转换为压力有效能，而空分中常温增压直接得到压力有效能的效率是75%左右，空分中得到冷量有效能的效率大约只有50%，低温增压将部分冷量有效能转换为压力有效能，显然降低了过程效率；
5、进入尤氏单塔中部的空气量太多，不利于氩组分在塔内中下部位置的富集，对提氩不利；
6、空气压力下降后，空气净化困难，净化过程所需能耗增加；
. ^; G% b+ E& s1 P9 I, T7、尤总液氮和液空双热泵方案中，空气冷凝过程中温度是变化的，空气压力越低，空气开始冷凝与全部冷凝的温差越大，换热过程的温差损失增大，不如下塔纯气氮和上塔纯液氧的换热有效；
8、尤氏单塔中用21%液空进粗氩冷凝器提供冷量回流液，温差损失增大；
. t! v* y, t! L" j9、尤氏单塔的膨胀空气量大，但膨胀机的制冷温度跨度小，这与空分所需冷量的温度跨度很大不是很适应。空分中一般是较小膨胀量和较大温度降更好，如冷热段双膨胀机制冷就更有效；
- `( o5 M& \: `; c10、置于地面的尤氏单塔生产液氧产品的压力太低，输送至贮槽有困难，可能需要增加液氧输送泵，冷损能耗增加；
11、热负荷一定时，循环压缩气量与潜热成反比，相同(下塔)压力下，空气潜热是氮气的1.07倍，空气作为制冷剂优于氮气，也即空气循环好于氮气循环；

Hulh

楼主这个东西在哪看的

Sunqh

尤总对空分的了解还是太少了，我以上写出的几条，有哪些是尤总事先就想到了的？

尤总可以试着把第7条计算一下，主冷热负荷相同，平均温差都是1.6K，液氧侧蒸发温度都是93K，第一种是双塔流程中的纯气氮冷凝，冷凝温度固定；第二种是尤氏单塔双热泵方案中的空气冷凝，空气开始冷凝的温度比空气全部冷凝时的温度高2.4K，两种情况下的主冷不可逆损失有何差异？相差多少？