外行学空分(204)一一深冷压缩和复热常温压缩(四)

Yb2021

1 l1 E. t# D/ ?5 o. U+ \    以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热方案是实现深冷空分精馏氧氮二元物系完全分离必需的，没有以氮气为循环工质的开式热泵由于供冷温度无法达到使精馏塔压力下氮气冷凝液化作为回流液则无法实现氧氮二元物系的完全精馏分离。以空气为循环工质的开式热泵是最有利最方便的供冷供热开式热泵。
+ y) Z# H5 \5 s( c) n' d0 }3 `    两者组合而成的两个新单塔流程的双热泵供冷供热精馏基本工艺方案无论是压力氮气冷凝嚣设置在空分塔底部上还是在液空入口处，氮气压缩均采用复热常温压缩，两个基本工艺方案都可以实现目前双塔流程的所有功能(包括提氩，只不过以液空代替双塔流程中的富氧液空作为粗氩冷凝器的冷源而已，当然这样的工艺方案对于基于新单塔流程的以空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热氧氮氩三元物系精馏工艺方案而言不是最优化的供冷供热方案)。
   前帖已经说过当选择深冷空分精馏原料空气之外的氮气，富氧空气，工艺氩气及精馏中间产物作为开式热泵的循环工质的时候，热泵循环工质只能在复热常温压缩和深冷压缩之间二选一，其原因是不言自明的，因为它们不可能和精馏原料气一一空气的压缩输送及空气和精馏产品氧气，氮气，污氮气换热过程合并（两者的换热器也可以合并）。
   前帖我们已经说明了选择空气作为开式热泵循环工质的好处，也说明了选择空气以外的循环工质的不利之处，例如需要增加循环工质复热换热器，并带来热端换热温差损失，或者必须选择深冷压缩从而带来冷损的问题。这些当然是客观存在的。现在我们说明一下选择空气之外的循环工质的好处。
* h1 f6 U5 f) p" k    深冷空分装置的冷量平衡有两个方程式，一是膨胀制冷循环工质输出功（焓降，制冷量）加等温焓差等于主换热器热端换热温差形成的冷损加空分装置的散冷损失加液体产品中的冷量。这是基于热力学第一定律的恒等式，本质上无所谓平衡不平衡！二是进入下塔空气中的液体的冷凝（蒸发）潜热等于膨胀制冷空气温度和该压力下冷凝温度之间的显热加精馏塔的散冷损失加液体产品的冷量。标准双塔流程工艺方案进入下塔的空气带液量很少（4%-5%左右），但由于膨胀制冷空气过热及精馏塔散冷损失，实际液体产品接近于零！
    新单塔流程的氧氮氩三元物系双热泵精馏工艺方案，干空气处理数量50000立方米，空压机出口压力4.3bar，其中45%的空气进入设置在空分塔底部的空气冷凝器中冷凝为液空，氮气压缩机出口压力5.4bar，压缩量22000立方米，全部进入设置在空分塔底部的氮气冷凝器中冷凝为液氮。用于精馏的开式热泵循环工质空压机氮气压缩机功耗相对于双塔流程用于精馏的空压机压缩功耗低9%！这其实是不正确的，实际上新单塔流程双热泵工艺方案用于精馏的压缩功耗比双塔流程低15%-20%！这是因为新单塔流程工艺方案的氮气热泵的压缩功耗并不是全部用于精馏，而是相当部分形成了冷能。其表现就是氧氮氩三元物系双热泵工艺方案进入空分塔底部空气氮气冷凝器的带液量大大高于双塔流程进入下塔空气的带液量！虽然新单塔流程双热泵工艺方案的压力空气氮气的沸点比双塔流程标准工艺方案的压力空气的沸点低3K左右，氮气复热常温压缩又带来2k左右的热端换热温差损失！
   现在讨论一下热泵供冷供热效率和热泵循环工质深冷压缩的换热组织问题。关于热泵效率，在压缩效率及工程条件一样情况下，低压缩比的热泵由于冷凝器换热温差是固定不变的，其热泵供冷供热效率总是低于高压缩比的热泵供冷供热效率，所以当采用多热泵精馏技术的时候，除了体现流程基本特征的开式热泵外，其它增加的开式热泵，热泵效率总是较低，但只要多热泵设置合理（热泵循环工质的组成及循环工质压缩量），在给定理论塔板数及产品纯度的条件下，总的热泵循环工质压缩功总是低于单热泵的循环工质压缩功！因此可以降低开式热泵精馏总功耗。
   关于第二个问题，在环境温度以上的精馏过程采用单热泵及多热泵技术时，热泵循环工质的压缩一般是引出口即为热泵压缩机的进口。但对于深冷条件下的精馏过程，热泵深冷压缩则存在一个换热组织的问题。一般并不采用引出口即深冷压缩的做法。需要考虑深冷压缩对制冷液化过程及精馏过程的影响。一般的做法是冷凝器设置在空分塔底部上热泵，从空分塔引出的循环工质一般应先与正流气体换热，复热至正流气体沸点以上时再进行深冷压缩，压缩后的压力气体在主换热器换热后进入冷凝器！这样进入空分塔冷凝器的带液量增加。提高了膨胀制冷空气膨胀机入口温度及制冷量，同时又增加了进入空分塔底部冷凝塔压力空气和压力氮气的带液量。当然具体是否复热及复热温度应根据具体情况综合考虑而定。