外行学空分(195)一一深冷空分流程中的制冷和液化(六)

Yb2021

3 p" M0 j4 ^8 h    理想极限情况下的膨胀机制冷效率是α(1-b)c/1-αbc，其中α是空压机等温效率，c是膨胀机的绝热效率，b是给定膨胀机进口温度及膨胀比下膨胀机绝热效率100%时，膨胀功（焓降，制冷量）和膨胀循环工质压力能的比值。在α和c不变的情况下，b值越小膨胀机膨胀制冷效率越高！简单计算可以得出结论，当α值为70%，c值85%时，b大于0.3时，极限膨胀机膨胀制冷效率为50%。无论是低温膨胀机还是高温膨胀机b值都大于0.3！其制冷效率都肯定低于相同设备性能参数下极限制冷效率50%！
    我们已经知道，深冷空分装置中膨胀制冷有两个基本工艺方案，一个是所谓的高温膨胀机工艺方案，一个是所谓的低温膨胀机工艺方案，深冷空分教科文中认为高温膨胀机的制冷效率高于低温膨胀机的制冷效率。这和理想极限膨胀制冷效率的计算公式存在不相符的情况。在理想极限膨胀制冷效率计算公式中，b值越大计算出的极限制冷效率越低，而b值大小决定于膨胀机进口温度和膨胀比，膨胀机进口温度越高b值越大，极限制冷效率越低！
    理想极限制冷效率是在无正返流阻力损失无换热温差的理想情况下计算出的结果，而在实际过程中，正返流阻力损失换热温差是客观存在的，而且对实际膨胀制冷效率影响重大。以深冷空分装置为例，所谓的低温膨胀机空压机出口压力5.6bar，纯化器阻力损失0.1bar，主换热器换阻力损失0.1bar，膨胀机进口温度115K，膨胀机进口压力5.4bar，膨胀终点压力1.2bar，实际膨胀机比为4.5与无正返流阻力损失的理想情况相比膨胀机制冷效率相比大幅度降低。计算出的理想极限制冷效率为50%左右，而实际膨胀制冷效率只有42%！同样考虑正返流阻力损失的情况下下，高温膨胀机的制冷效率当然也低于理想极限制冷效率但影响要小得多！计算出的实际制冷效率仍然在45%以上！也就是说在相同设备性能参数下，低温膨胀机的极限有效能效率高于高温膨胀机的极限有效能效率，但考虑正返流阻力对膨胀制冷效率的影响，高温膨胀机（高背压膨胀机）实际膨胀制冷效率高于低温膨胀机（低背压膨胀机）的实际膨胀制冷效率。但两者之间差距并不大！
) w1 C! \2 L& x# e0 h# I    前帖已经说明了深冷空分流程中膨胀制冷效率和开式热泵一膨胀制冷液化效率的不同，其中膨胀制冷只是开式热泵一膨胀制冷分系统的一个组成部分，影响空分装置能耗水平的关健因素是开式热泵一膨胀制冷液化效率而不仅仅是膨胀制冷效率！开式热泵一膨胀制冷液化效率大大低于膨胀制冷效率！在压缩机涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%的情况下，膨胀制冷极限效率可以达到50%，而开式热泵一膨胀制冷液化极限效率只能达到35%！
    现在说明一下双塔流程标准工艺方案（空压机出口压力5.6bar，85%的压力空气进入下塔，15%的压力空气用于膨胀制冷，提氩采用粗氩冷凝塔工艺方案，液体产品一液氧取出量大约为气氧产量的1%）开式热泵一膨胀制冷液化效率特别低！第一个原因是双塔流程标准工艺方案中膨胀制冷效率很低，双塔流程标准工艺方案膨胀机进口温度150-160K，考虑正返流阻力损失，在空压机涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%的设备性能参数下，膨胀制冷效率只有35%-40%！第二个原因是用于液化的正流空气压力太低，导致空分装置返流气的冷量冷能大部分用于富氧液空和液氮过冷，可用于正流空气液化的冷能冷量已经所剩无几（和正流空气压力有关，正流空气压力高，冷凝温度升高，可以用于正流空气液化的冷量冷能大幅度升高）。正流空气进入下塔的带液量很少，用于补偿精馏系统散冷损失及膨胀制冷后的空气过热显热后，液体产品取出量接近于零（气氧产量的2%-3%以下）！可以说所有对开式热泵一膨胀制冷液化效率不利的因素全齐了！而其中最为关健的是正流空气压力过低，只要提高用于液化的正流空气压力（不需要提高全部进入下塔的正流空气压力），即可大幅度提高现在标准双塔流程工艺方案的开式热泵一膨胀制冷液化效率！具体工艺方案如下，空压机出口压力保持不变，其余膨胀制冷及提氩工艺方案均不变。增设空气增压机，把纯化后的5.5bar压力空气5%左右（具体空气增压数量以增压空气全部液化为原则决定）增压至38bar在主换热器换热后用于液化。以时产10000NM3氧的双塔流程标准工艺方案为例，空分气体产品的纯度数量均保持不变，可以大幅度增加液体产品数量，提高开式热泵一膨胀制冷液化效率！可称为双塔流程新标准工艺方案，是对开式热泵一膨胀制冷液化分系统进行优化后的工艺方案，很好地协调了开式热泵精馏和开式热泵一膨胀制冷液化对正流空气压力的不同要求，从而提高了空分装置的有效能效率。