外行学空分(202)一一复热常温压缩和深冷压缩(二)

Yb2021

      在双塔流程深冷空分装置中，空压机的压缩功耗有三个用途，一是用于精馏原料空气的输送。二是用于空气开式热泵一膨胀制冷液化，实现空分装置的冷量平衡稳态化运行（本质上是深冷液体平衡）。三是用于开式热泵精馏（即以空气为循环工质的一拖二开式热泵循环工质复热常温压缩机）。其中第一项功能其压缩介质都是精馏原料气空气，进口状态都是常温常压，完全不涉及深冷压缩及复热常温压缩的问题，
  L7 ~& I& O8 W8 ~: }     关于第二项功能，在双塔流程和古典单塔流程的深冷空分装置中，开式热泵一膨胀制冷液化的开式热泵循环工质和膨胀制冷循环工质都是空气，开式热泵一膨胀制冷液化)标准工艺方案是这样的，膨胀制冷的循环工质气体和用于液化的原料气即开式热泵循环工质都是空气，既可以分开压缩也可以一起压缩至特定的压力，进入换热器换热后，其中膨胀制冷循环工质进入膨胀机膨胀制冷，用于液化原料气即开式热泵循环工质在主换热器换热并液化，液化后的气体节流减压(也可以经过液体膨胀机膨胀减压)后部分气化，剩下的常压液体作为产品引出，气化部分和膨胀机制冷后的气体返流进入换热器与正流压力气体换热。复热后气体加上新鲜补充的用于液化的原料气体汇合后进入压缩机压缩，开始下一个循环！这样新鲜气原料气不断补入，液体产品不断引出。其中压缩气体中90%以上是复热常温的返流气，用于液化的新鲜气则在10%以下（根据压缩机出口压力的不同及是否采用双膨胀工艺方案而有不同的液化率）在双塔流程及古典单塔流程空分装置中膨胀机制冷循环工质压缩机及用于液化原料气压缩机就可以和精馏原料空气输送压缩机合并，膨胀机制冷循环工质复热换热器则可以和精馏原料空气与精馏产品(氧气，氮气，污氮气)换热器(主换热器)合并，这样形式上看起来膨胀机制冷循环工质复热换热器就不存在了，这是特殊的情况，当膨胀机制冷循环工质压缩量大于精馏原料空气压缩量(例如全液体空分)的时候，膨胀机制冷循环工质的复热换热器又出现了（一般仍然叫做主换热器，当然也可以分开设置）！膨胀机制冷循环工质的压缩当然不存在所谓的深冷压缩的情况，但从根本上说都是复热常温压缩。
    对于采用开式热泵供冷供热的空气精馏分离工艺方案，其热泵循环工质的选择是多样化的，可以是精馏原料气体空气，也可以是精馏产品例如氮气，工艺氩气。也可以是精馏过程的中间产品例如富氧空气，污氮气，氧氩混合气体等。在双塔流程及古典单塔流程空分装置中以精馏原料空气作为开式热泵的循环工质，似乎不存在所谓的复热常温压缩和深冷压缩问题，原因在以空气为循环工质的开式热泵其循环过程和精馏过程的原料空气与产品换热过程重合而合并而已！当采用精馏原料气空气以外的其它组分作为供冷供热开式热泵的循环工质的时候，都存在复热常温压缩和深冷压缩的二中选一的问题。其中热泵循环工质压缩比较高的情况下一般采用复热常温压缩例如冷凝器设置在空分塔底部上的以氮气为循环工质的开式热泵。但以精馏过程中间产品作为热泵循环工质的热泵压缩，由于其压缩比一般情况下偏小只需要一段压缩，正返流阻力损失及热端温差损失非常突出，一般适合采用深冷压缩，例如双塔流程制取高纯度氮气时在上塔精馏段设置的以氮气（从上塔顶部引出）为循环工质的开式热泵就是采用深冷压缩，双空压机（一个原料空气压缩机加一个富氧空气增压机）单塔制氮流程中的富氧空气增压机也是采用深冷压缩！
    在深冷空分中，精馏原料空气压缩输送完全不存在复热常温压缩和深冷压缩的问题。膨胀机制冷循环工质的压缩在理论上都是复热常温压缩，但如果选择空气作为膨胀机制冷循环工质，当膨胀制冷循环工质压缩量小于空气原料压缩输送量时，膨胀机制冷循环工质的复热换热器可以和空气和空分产品换热器(主换热器)合并，这样形式上就不存膨胀机制冷循环工质复热换热器了，似乎膨胀机制冷循环工质就不是复热常温压缩了，但这只是表面现象，这样做除了节省复热常温压缩换热器及热端温差损失外，其余方面和复热常温压缩并无区别！当膨胀机制冷循环工质压缩量超过原料空气压缩输送量时，例如全液体空分装置则膨胀机制冷循环工质仍然需要膨胀制冷循环工质复热换热器，当然也就是毫无疑义的复热常温压缩。总而言之对于膨胀机制冷循环工质而言，复热常温压缩是常规的一般情况。
   无论古典单塔流程，双塔流程还是新单塔流程都是开式热泵供冷供热精馏流程！古典单塔流程由于不存在以氮气为循环工质的开式热泵，所以无法同时制取氧气和氮气。双塔流程同样以空气作为开式热泵的循环工质，但通过下塔实现开式热泵的一拖二转换变成两个开式热泵，一个是以氮气为循环工质的开式热泵，一个是以富氧空气为循环工质的开式热泵，这样当然就可以同时制取氧气和氮气。以空气为循环工质的开式热泵其复热常温压缩过程可以和空气压缩输送及精馏原料和精馏产品换热过程合并，这样形式上就看不出是复热常温压缩，但实质上并无变化！当然这也就限制了以空气为循环工质的开式热泵其循环压缩量不能大于作为精馏原料空气的压缩输送量。这也是目前双塔流程在上塔理论塔板数有限的情况下，氧气纯度止步于99,8%的真正原因所在。如果要进一步提高氧气产品纯度，在理论塔板数无法增加也不采用多热泵精馏工艺方案的条件下，唯一的办法就是提高以空气为循环工质的开式热泵循环压缩量，这个时候增加的以空气为循环工质的开式热泵空气循环量就是毫无疑义的复热常温压缩。
    以空气为循环工质的供冷供热开式热泵，由于其开式热泵循环工质一一空气复热换热过程可以和空气精馏过程空气输送过程合并，从而在形式上看其开式热泵循环工质既不是复热常温压缩也不是深冷压缩，这只是一个表面现象。本质上还是复热常温压缩。