外行学空分（243）一一深冷空分有效能的定义和计算（二）

Yb2021

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   一个完整的精馏系统，实际上包括几个部分，一是精馏原料的加压输送及预处理，二是精馏原料和精馏产品的换热，三是供冷供热部分，包括精馏塔底部的蒸汽再沸器（也可以用蒸汽之外的其它热源但性质不变），精馏塔顶部的冷却水冷凝器（也可以用冷却水之外的其它冷源但性质不变），再沸器和冷凝器的供热供冷也可以用闭式热泵和开式热泵替代，其中用开式热泵完全替代再沸器和冷凝器换供热供冷的精馏工艺方案又称为完全自热的开式热泵精馏！四是精馏塔本体（精馏塔壳体及塔板和填料）部分。
$ M/ x  D4 L5 D+ V3 P& R1 X5 t! _   一个完整的精馏过程本质上是一个复杂系统，由多个过程组合而成！如果不考虑精馏原料的加压输送及预处理和精馏原料和精馏产品换热，则其核心可以分为两个分系统，一是供热供冷系统，包括再沸器和冷凝器，可以用闭式热泵或开式热泵替代之，二是精馏塔本体部分。精馏过程本身并不消耗热量冷量，再沸器蒸汽冷凝热（也可以是其它热源供给热量）全部被冷凝器的冷却水（也可以是其它冷源）全部带走！闭式热泵或者开式热泵为精馏过程供冷供热，但供热量等于供冷量。但精馏过程消耗热能和冷能，在环境温度以上的精馏本体过程消耗热能，环境温度以下的精馏本体过程消耗的是冷能，或者更准确地说是温差有效能即卡诺功！
   精馏过程输入的是温差有效能卡诺功（也可以理解为热能和冷能但不是热量和冷量因为精馏过程不消耗热量和冷量或者说消耗的冷量和热量是相等的），得到的是精馏产品的最小分离功，精馏产品最小分离功之和和卡诺功（温差有效能或广义的热能或冷能）输入数量的比值就是精馏本体过程的有效能效率。虽然我们给精馏过程定义了有效能效率，但要计算精馏本体过程有效能效 率却非常困难，也很抽象。实际上我们一般情况下只能计算包括供冷供热分系统的精馏系统的有效能效率，下面就详细说明一下如何计算系统（分系统）的有效能效率。对于环境温度以下的精馏系统，比较容易计算的是开式热泵精馏总效率。其涵义是精馏最小分离功和开式热泵循环工质复热常温压缩功的比值，深冷空分精馏系统就属于这种情况。
   对于换热过程，其过程有效能效率是进出换热器热能或冷能的比值，前提的条件是换热器的物流是无阻力的。一旦有了阻力，就不再是纯粹的换热过程。换热过程的有效能效率既和换热器的换热温差有直接关系，也和换热物料的温度有关，同样换热温差的换热过程，在环境温度以下时，换热物料的温度越低，同样换热温差下，则换热过程有效能效率越低！当换热物料的温度远低于环境温度时（深冷空分冷凝器就是这种情况），即使换热温差很小，换热过程的有效能效率也会很低，有效能损失很大。这和环境温度以上的换热情况有很大的不同。
   系统（分系统）的有效能效率的定义和计算不象过程有效能效率有明确的定义和计算方法。而是非常混乱和复杂！一般而言只对系统（分系统）进行各节点的有效能数值进行计算，并对系统（分系统）进行有效能衡算，从而了解有效能损失的情况，确定那个过程，那个部分是有效能损失最大的过程或分系统，从而确定节能的努力方向，但也有人尝试进行系统（分系统）的有效能效率计算，特别是计算软件广泛应用后。各节点有效能数据可以轻松得到，这种情况越来越多，但也出现了许多难以理解的情况，所以系统（分系统）有效能效率有所谓的白箱，灰箱，黑箱的说法，其实就是不靠谱的一种客气说法！是有许多可争议可讨论的问题。
* ]5 v! Q, j+ C( k5 |6 V* U 利用各节点有效能数值进行系统（分系统）有效能效率计算，常见的计算公式有两个，一是出系统（分系统）物流有效能和进系统（分系统）物流有效能数值之和的比值，这个和换热过程的有效能效率计算方法一致，即能量系统有效能分析技术导则中的公式（5），本质上是有效能投入产出率。二是进出系统（分系统）物流有效能数值的差值，和有效能（功）输入输出值的比值，这个和压缩膨胀过程有效能效率计算方法一致，本质上是有效能投入产出率的公式（5）的变种。这两种计算方法都可以看到。例如深冷空分教科书（制氧技术）中就有标准双塔流程空分装置全系统有效能效率的计算，就是采用第二个计算公式计算的，其结果是20%！也有论文对标准双塔流程空分装置的上下塔及下塔进行了分系统有效能效率计算，采用的就是第一个计算公式，计算的结果是上下塔（精馏系统）有效能效率90%以上，下塔有效能效率95%以上！也有人对深冷压缩过程进行了有效能效率计算，结果采用第一个计算公式计算出的有效能效率大于绝热效率，采用第二个计算公式计算结果大大低于绝热效率。
    深冷空分中如果不考虑纯化器，只有三个最基本的过程，一是换热过程，二是压缩膨胀过程。三是精馏过程。深冷空分系统分系统则由这三个基本过程组合而成。深冷空分各节点有效能则包括三种有效能，一是压力能，二是热能冷能（主要是冷能），三是最小分离功（分离有效能），这三种有效能都是物理有效能！
; p$ q- S1 ~: e- p% P   系统（分系统）有效能效率的定义和计算必须注意以下的几个问题。一是系统（分系统）的边界必须合理清哳，二是系统（分系统）必须有明确的功能定位，功能定位不同，目标有效能效率的定义和计算也需要相应调整，并有不同的结果。
  系统（分系统） 有效能效率本质上是有效能投入产出率，但并不能简单地理解为系统（分系统）进出口有效能的比值，能量系统有效能分析技术导则中的公式（5）就是如此。系统（分系统）是有功能性和方向性的。这样有效能的产出就必须是系统（分系统）功能定位的目标有效能增加值，而有效能的投入则是功能定位外的其它有效能减少值和功的输入。由此系统（分系统）有效能效率可以定义为功能规定的有效能增加值除以功能规定有效能增加值加系统（分系统）有效能衡算损失值。其中根据热力学第二定律，系统（分系统）有效能衡算损失值总是大于零！
   以上定义中的规定之目标有效能增加值，对于压缩过程，就是压力能的增加值，对于精馏过程就是分离能的增加值。对于热泵供冷供热过程就是冷能（温差有效能）的增加值。以上定义中的分母其实就是除了功能规定之有效能外的其它有效能投入量（进出有效能减少值加输入功减输出功）。对于精馏过程就是压力能和冷能的减少值（有人用物理有效能减少值，其实就是不包分离能的进出口有效能减少值），对于热泵系统就是压力能减少值。
    以上的定义和计算方法完全符合能量系统有效能分析技术导则的国家标准中的目标有效能效率计算公式（6），而和计算公式则不一定会一致！正确的分系统有效能效率应该是目标有效能效率！