外行学空分（270）一一开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案和工艺参数的优化（五）

Yb2021

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   深冷气体的开式热泵一膨胀制冷液化只有一个基本的工艺方案，就工艺方案而言，所谓的优化其实只有两个内容，一是液化后的深冷气体是采用节流减压还是采用液体膨胀机膨胀减压，采用液体膨胀机工艺方案相对于节流减压，开式热泵一膨胀制冷液化效率可以提高3%-5%左右，当然是一个相当重要的优化。但是采用节流减压还是采用液体膨胀机膨胀减压，是一个需要综合考虑的问题，其中最关健的因素是经济合理性。二是采用不同于开式热泵液化循环工质（液化深冷气体）的膨胀制冷循环工质，一般而言选择相对于液化深冷气体沸点更低的深冷气体作为膨胀制冷循环工质例如氮气。这个也需要综合考虑后决定，对于开式热泵一膨胀制冷液化效率并无影响。
: N* a' l5 @* S) A/ J   开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案确定后，工艺参数的优化也是一个非常重要的问题，同一个工艺方案不同的工艺参数，对开式热泵一膨胀制冷液化效率会产生非常重大的影响。
     开式热泵一膨胀制冷液化的工艺参数只有四个。一是用于液化的深冷气体的数量和压力，二是膨胀制冷循环工质的数量和压力，在开式热泵一膨胀制冷工艺方案，设备性能参数和实际工程条件确定后，这四个工艺参数确定后，开式热泵一膨胀制冷液化效率也就确定了。
    用于液化的深冷气体数量由开式热泵一膨胀制冷液化装置的规模而定，是既定的无所谓优化的问题。
   用于液化的深冷气体的压力是开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中非常重要的工艺参数，在对开式热泵一膨胀制冷液化效率影响极大。其最优的压力是用于液化深冷气体的临界压力（空气的临界压力是38bUr，氮气的临界压力是45bar），如果低于深冷气体的临界压力，则深冷气体冷凝液化温度低，相应膨胀机进口温度也低，同样的膨胀制冷循环工质数量和压力，膨胀机的制冷量小（高温高焓降），如果用于液化的深冷气体压力高于深冷气体的临界压力，则深冷气体的冷凝液化温度不会再升高，膨胀机进口温度也不再升高。深冷气体的压力高于深冷气体临界压力，增加的压缩功，只能产生等温焓差冷量，而等温焓差制冷效率大大低于膨胀制冷！将导致开式热泵一膨胀制冷液化总体效率的下降。
. ?4 P6 v  K+ i6 a   当用于液化的深冷气体压力参数确定后，膨胀制冷循环工质的数量和压力就是最后一个需要优化的工艺参数。两个工艺参数其实只有一个自由度，膨胀制冷循环工质的压力确定了，膨胀制冷循环工质的数量也就确定了，反之亦然！所以只需要对膨胀制冷循环工质的压力进行优化即可，其中最主要的因素是正返流阻力对膨胀制冷效率的影响，毫无疑问在设备性能参数己定的情况下，膨胀制冷循环工质的压力越高，正返流阻力损失对膨胀制冷效率的影响越小。例如膨胀制冷循环工质压力1.2bar，如果正返流阻力损失都是0.1bar，则膨胀制冷效率为零！随着膨胀制冷循环工质压力的提高。膨胀制冷效率迅速提高，但当循环工质压力达到5-6bar时，正返流阻力损失的影响已经降低至5%以下（这和双塔流程标准工艺方案中正返流阻力对膨胀效率的影响要小）！压力进一步提高至36bar，则正返流阻力损失降低至2.5%！目前膨胀机一般是两级膨胀，膨胀比在10以内，加上涡轮增压，膨胀制冷循环工质压力5-6bar，只需要用一台膨胀机，如果膨胀制冷循环工质压力36bar，则需要两台膨胀机，其中一台是高背压膨胀机，又称为高温膨胀机。如何选择需要综合考虑。但对开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响并不大。
   在开式热泵一膨胀制冷液化工艺参数优化中，用于液化的深冷气体压力是最关健的，其实非常容易理解，膨胀机进口温度是由用于液化的深冷气体冷凝温度及深冷气体压缩量和膨胀制冷循环工质压缩量的比值决定的！用于液化的深冷气体（空气）压力从6bar提高至36bar，同样数量和压力的膨胀制冷循环工质，膨胀制冷量可以有很大的提高（膨胀机进口温度升高，高温高焓降）！至于膨胀制冷循环工质的压力对开式热泵一膨胀制冷液化效率也有影响，但当压力在6bar以上时，其影响已经相对较小（5%，主要是正返流阻力损失）以下。
    目前的膨胀机并不是轴流式的膨胀机，可以进行多级膨胀，而是唝嘴式的膨胀机，只能两级膨胀。膨胀比在10以内（6bar加上涡轮增压，膨胀比已经接近10）！这大概也是（制氧技术）中直接套用双塔流程标准工艺方案计算气氧实际液化功及空气压缩液化率（6bar压力下，空气液化率只有3%-5%）的非常重要的背景因素。