外行学空分（240）一深冷空分流程中的制冷和液化（七）总结

Yb2021

    深冷空分中的制冷液化是深冷空分流程及工艺方案极为重要的组成部分，深冷空分又被称为深冷工程就说明了这一点。
   一，深冷空分流程及工艺方案的核心毫无疑问是空气开式热泵精馏工艺方案，深冷空分是完全自热的开式热泵供冷供热精馏工艺方案（流程），但由于深冷空分精馏过程在远离环境温度的深冷条件下的精馏过程，无论是供冷供热开式热泵还是精馏过程的启动都必须在空气气液共存的状态下才能实现，深冷空分的制冷和液化就成了空气开式热泵精馏工艺方案启动的前提条件。由于深冷空分是深冷条件下的精馏过程，深冷空分装置的散冷损失，开式热泵循环工质的复热常温压缩或深冷压缩，精馏原料和精馏产品的换热温差及引出液体产品都会产生冷损，这些冷损都需要通过制冷液化才能实现所谓的冷量平衡（本质上是深冷液体平衡）。深冷空分中的制冷和液化是仅次于空气开式热泵精馏工艺方案的极为重要的必要组成部分。
     在深冷空分中制冷有特定的涵义，特指将热量输出至空气精馏系统以外的过程，深冷空分流程及工艺方案中用于精馏供冷供热的开式热泵，虽然也产生冷能（温差有效能当然也是冷能的一种）但不产生冷量，其热量在精馏塔底部顶部之间循环，因此不是特定意义上深冷空分制冷！
( I* y" E1 W' d4 r* y   在讨论深冷空分制冷液化的时候，深冷空分教科书及资料中一般只讨论等温焓差和膨胀机制冷，只讨论所谓冷量平衡和制冷系数（所谓高温高焓降），这是不全面的，所谓的冷量平衡其实就是基于热力学第一定律的恒等式，无所谓平衡不平衡！只是说明了等温焓差和膨胀制冷量和正返流空气热端温差形成的冷损及散冷损失，液体产品带走冷量之间的数量关系。倒如我们从冷量平衡角度分析，高温高焓降，膨胀机进口温度越高，同样膨胀量和膨胀比的条件下膨胀制冷量越大，越有利于冷量平衡，但是仅仅从冷量平衡，我们无法知道如何才能提高膨胀机进口温度，膨胀机进口温度的影响因素是什么！
! q8 G" m8 g! i# q! L  j; }    冷量平衡（热量平衡）是热力学第一定律的普适原理，就深冷空分装置而言，所谓的冷量平衡有更加具体更加深刻的涵义，那就是深冷液体的盈亏，深冷液体盈（具体表现为主冷液位上涨）则冷量平衡有余，深冷液体亏（表现为主冷液位下降）则冷量不足，而所谓冷量平衡（热量平衡）则是深冷液体不盈不亏（表现为主冷液位平衡不升不涨）。这样我们就从普适抽象的热力学第一定律的冷量平衡（热量平衡）转化为更具体更深刻的空分装置的深冷液体平衡！从深冷液体平衡的角度出发，我们可以看到和冷量平衡角度不同的情况，一是空分装置中的深冷液体全部来自正流压力空气吸收正流压力空气冷凝温度以下的返流气冷量液化而形成的液空。而液氧，液氮，液氩的冷量冷能则由液空冷能冷量转化而来。二是正流压力空气液化而来的液空，除了一部分转化为液体产品的冷量冷能外，大部分液空潜热用于补偿精馏系统散冷损失和膨胀制冷后的空气和空气冷凝温度之间的显热。三是膨胀机进口温度决定于正流压力空气冷凝温度和液体产品数量（液体产品数量取出量增加，返流气数量减少，膨胀机进口温度升高。）。
& g6 e/ D& i- e  t: u& K   从冷量平衡角度而言，我们只知道高温高焓降，膨胀机进口温度越高越好！但以深冷液体平衡角度而言，我们看到膨胀机进口温度决定于用于液化的正流空气压力的高低及深冷液体产品取出量！同时也受到深冷液体平衡的约束，在膨胀比不变的情况下，膨胀机进口温度越高，相应膨胀制冷后的空气温度也越高，和空气冷凝温度之间的温差越大，消耗的液空越多！
/ L, `% z5 X7 [- j0 p     从普适抽象的冷量平衡（热量平衡）角度出发，我们看到的空分装置由等温焓差及膨胀制冷和开式热泵精馏组合而成，而从更具体更深刻的深冷液体平衡出发，我们看到深冷空分装置由空气开式热泵精馏和空气开式热泵一等温焓差制冷液化和空气开式热泵一膨胀制冷液化两个部分组合而成，是深冷气体液化装置和深冷空分精馏装置的联合装置。而等温焓差膨胀制冷只是开式热泵一等温焓差膨胀制冷的一个组成部分！而等温焓差膨胀制冷的有效能效率（分系统有效能效率）和开式热泵一等温焓差膨胀制冷液化效率存在重大的差距。在压缩机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%的给定设备性能参数下，极限工程条件下（无散冷损失，无正返流阻力损失，无换热温差）等温焓差膨胀制冷极限有效能效率低于50%，而开式热泵一等温焓差膨胀制冷液化效率低于35%！两者之间差距巨大！
    二，共有三个热力学过程可以实现气体制冷液化，一是热泵制冷液化，这是运用最广泛效率最高的制冷液化过程，日常生活中的空调冰箱都是热泵制冷的运用，热泵制冷循环工质压缩至一定的压力，在与环境连接的高温高压换热器中与环境发生换热，将热量输出至环境，循环工质自身液化，节流减压后在与系统连接的低温低压换热器中吸收热量（输出冷量）气化进入下一个循环。热泵制冷只能制取和环境温度温差在50度以内的冷能冷量。如果循环工质压缩过程的等温效率在70%左右，其制冷效率一般在60%左右！当然可以通过热泵接力的方案制取和环境温度温差更大的冷能冷量，但随着热泵接力次数增多，其制冷液化效率迅速下降，两次热泵接力其制冷液化效率已经在40%以下！热泵制冷及热泵接力制冷液化均不适合于深冷空分制冷液化。
0 h6 d7 _3 l9 q9 I0 Y   深冷空分中的制冷运用的是等温焓差制冷和膨胀制冷（这里的制冷在深冷空分中有特定的涵义，专指等温焓差和膨胀制冷）。理想气体是不存在等温焓差的，等温焓差实际上是实际气体和理想气体偏离的一个标志。环境常温下压力气体虽然相对于常温常压气体其内能增加，但其焓值却小于环境温度下的常压气体，两者之间的差额就是所谓的等温焓差。利用实际气体的这种特性，通过气体压缩可以实现所谓的等温焓差制冷，但要产生足够的冷量需要把气体压缩至很高的压力！这是效率很低制冷方案。所谓的膨胀制冷其实就是热功转换过程，环境温度以上的热功转换过程用于发电，其着眼点在膨胀输出功，环境温度以下的热功转换就是所谓的膨胀制冷，其着眼点在于膨胀工质的焓降（制冷量），从数量上说绝热膨胀过程膨胀工质的焓降等于膨胀输出功，这是相对于等温焓差制冷效率更高的深冷空分制冷方案。
    三，热功转换膨胀制冷过程的效率共有两个指标，一是膨胀制冷系数，二是膨胀制冷效率。其中膨胀制冷系数是膨胀制冷工质焓降和膨胀制冷循环工质常温（环境温度）实际压缩功耗的比值。而膨胀制冷效率则是膨胀制冷焓降中生成的冷能增量（有效能）和膨胀制冷工质常温实际压缩功耗和输出功差值（如果采用涡轮增压，则是膨胀制冷产生的冷能和循环工质复热常温压缩功耗的比值）的比值！膨胀制冷系数和膨胀制冷效率各有用处！如果设备性能参数不变，同样压力下，膨胀机进口温度越高，膨胀制冷过程的焓降越大相应制冷系数越大，此即所谓的高温高焓降！但膨胀制冷效率则相反，如果设备性能参数不变，在同样压力下，膨胀机进口温度越高，膨胀制冷效率越低！
   四，在极限工程条件下（无正返流阻力损失，无换热温差，无散冷损失），开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中，用于膨胀制冷循环工质的压力对开式热泵一膨胀制冷效率均无显著影响，但用于液化的原料气压力对于开式热泵一膨胀制冷液化效率均会产生显著的影响，一旦选择不当，会在同样设备性能参数下，显著降低开式热泵一膨胀制冷液化效率！其中空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中，用于液化的正流空气压力的优化参数是38bar（空气临界压力），用于液化正流空气压力低于38bar（空气临界压力）越远，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率越低！