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本帖最后由 Yb2021 于 2024-1-4 08:20 编辑 ; i8 }. A3 P, U/ F: j
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空气开式热泵一 膨胀制冷液化是深冷空分装置的必要组分部分,但采用同样工艺方案工艺参数的深冷气体(空气)的液化却是一个可以单独进行的热力学过程(即深冷空分教科书中的空气压缩与液化部分的内容),其液化效率在压缩机等温效率70%,膨胀机绝热效率85%极限工程条件下最高只能达到35%,一般情况下只能达到25%-30%左右。但目前空分装置液体产品核算扣除值(实际上是边际液化单耗)换算的开式热泵一膨胀制冷液化分系统其液化效率却可以达到40%以上,是什么原因?6 V, w' Q- N8 l* {/ M- S
由于制取的液体产品不同(氧氮)有两个不同的空分气体液化和空分装置联合工艺方案,一是生产液氧(在空分装置空气全部进入下塔的情况下,可以副产部分液氮产品),采用空气作为膨胀制冷循环工质,其具体方案如下,纯化的压力空气经增压机增压后,大部分空气经涡轮增压后在换热器与返流气体换热至一定温度后膨胀制冷,膨胀后的空气压力等于下塔的压力,部分与正流增压空气换热后复热至常温,进入下一个膨胀制冷循环,其余膨胀制冷后的空气则进入下塔。其余增压后的正流空气在换热器与膨胀制冷后的返流气换热后进入和空分装置共用的液化器中与空分装置返流气进一步换热并全部液化。液空经液体膨胀机膨胀或节流膨胀后进入下塔(现在已经有过冷后液空作为上塔或者下塔作为回流液的案例,从精馏角度而言确实更合理)。从上塔底部取出液氧产品。这其实就是所谓的空分装置制取高比例液氧产品的双膨胀制冷工艺方案!实际上是空分气体(气氧)液化和空分装置的联合装置。二是生产液氮的空分气体液化和空分装置的联合工艺方案。采用氮气为开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案循环工质时。其具体方案如下。标准状态的氮气压缩至6bar左右,经涡轮增压后在换热器与接近常压的返流氮气换热后膨胀制冷,膨胀制冷后的氮气进入和空分装置共用的液化器与正流压力氮气换热并使正流压力氮气液化过冷后经换热器复热至常温后进入下一个循环。另外一部分6baj左右的压力氮气进一步压缩至45bar左右,大部分经涡轮增压后在主换热器换热至一定温度后进入膨胀机膨胀制冷,膨胀后压力为6bar左右,进入液化器中部与45bar左右的压力氮气换热并使之部分液化,末经涡轮增压的45bar左右的压力氮气在换热器与返流气换热后进入和空分装置共用的液化器中进行液化,经液体膨胀机或节流膨胀后得到液氮,除一部分回注空分装置外其余作为产品引出。空分装置的返流气和液化装置的高背压膨胀机低背压膨胀机膨胀制冷后的氮气一样在液化器中与压力45bar左右的正流压力氮气换热使之全部液化并过冷(这个工艺方案中之所以设置以氮气为循环工质的低压膨胀机,目的就是使液氮过冷从而减少液氮节流气化率)
, p# e5 r7 y0 C; M2 E 在以上的深冷气体空分联合装置,空分装置是可以独立运行的,其液体产品数量接近于零。而液化部分投运后,空分气体产品数量纯度不变,增加了液体产品,液体产品的单耗按照液化装置投运后增加的压缩功耗除以液体产品数量(即边际气氧,气氮液化单耗)。得到的结果是液氧液氮单耗在0.6-0.7kWh每标准立方米液氧液氮。这样计算方法当然是有道理的,但其实是边际气氧气氮液化单耗,其单耗0.6-0.7kWh每标准立方米液氧或液氮(有效能效率40%以上)远远低于深冷气体单独实际液化单耗甚至低于压缩等温效率70%,膨胀机绝热效率85%极限工程条件下的单耗(有效能效率35%,相应的液氮单耗为0.77kWh每标准立方米液氮和0.71kWh每标准立方米液氧。)。; \7 M, k$ D- W, B
为什么液化装置和空分装置联合会产生如此巨大的联合红利,使液化的效率大幅度提高?我们分别从冷量平衡和有效能的角度分析如下。
! }6 ~& o5 ^1 M1 D! T0 \! W 从冷量平衡的角度分析,当液化装置和空分装置分别单独运行时,空分装置由于正流压力空气压力低(5.4bar左右),其冷凝温度约为95K,返流气95K以下的冷量大部分用富氧液空和液氮的过冷,进入下塔的正流压力空气中的带液量很小,同时由于正流压力空气的冷凝温度低,空分装置膨胀机(所谓低温膨胀机,膨胀后的空气进入上塔参与精馏)进口温度相应较低(只是相对而言),膨胀制冷量较小,而单独运行的液化装置,虽然正流压力空气的压力冷凝温度较高,但由于用于液化的正流压力深冷气体数量比例小,膨胀机进口温度较低(只是相对而言),膨胀制冷量小。当液化装置和空分装置联合运行时,由于两者共用液化器,对于空分装置而言,由于用于液化的正流气体(空气或氮气)的压力提高(从5.4bar提高至38bar或45bar左右,冷凝温度提高),膨胀机进口温度相应提高膨胀制冷量增加。对于液化装置而言,由于冷凝量增加,用于膨胀的空气(氮气)比例下降相应膨胀机进口温度提高膨胀制冷量增大!在散冷损失和热端温差损失及等温焓差冷量不变(实际上等温焓差有所增加)的情况下,增加的膨胀制冷量(空分装置和液化装置的制冷量均增加)都变为液体产品数量的增加。
# P6 S0 r6 M5 w+ L: F 从有效能的角度分析,膨胀机制冷的效率较低(在50%以下),而开式热泵的制冷效率较高(在70%以下),空分装置和液化装置联合运行后,由于正流压力气体液化量大幅度增加(由于共用液化器,对于空分装置而言其原因是正流气体压力提高冷凝温度提高,对于液化装置而言,是返流气数量大幅度增加),虽然膨胀机进口温度提高,使膨胀机制冷效率略微降低(这和高温高焓降是相反的),但总的开式热泵一膨胀制冷效率大幅度升高!
; P, I* l/ e' i) u8 e! c/ u! ]8 I 特别需要注意的是这两个深冷空分气体液化和空分装置联合中,用于正流液化的空气和氮气的压力均接近于空气和氮气的临界压力,这其实是优化的用于开式热泵一膨胀制冷液化的正流深冷气体的液化压力,进一步提高由于正流深冷气体的冷凝温度不再升高,只能增加等温焓差的冷量,但同样的压缩功耗如果用于提高膨胀制冷空气压力,其制冷效率高于等温焓差制冷效率。 |
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