外行学空分（279）一一新单塔流程的改进（四）

Yb2021 · 发表于 2023-3-21 08:46:42

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本帖最后由 Yb2021 于 2023-12-15 18:25 编辑

基于双塔流程的氧氮氩三元物系的标准工艺方案，以处理标准状态干空气50000NM3，产氧10000NM3/小时为例，空压机出口压力5.6bar，空气总量的85%，42500NM3进入下塔，其余压力空气的15%，7500NM3经涡轮增压后用于膨胀制冷。从上塔底部以上25块理论塔板数和引出含氩10%，其余为氧及少量氮气的氩馏分进入粗氩冷凝塔进行氮氩一氧冷凝分离，粗氩冷凝塔顶部设置粗氩冷凝器，以下塔来的富氧液空作为冷源，气化后的富氧液空在上塔富氧液空至氩馏分引出口之间返回上塔参与精馏。从粗氩冷凝塔顶部引出的粗氩气在精氩塔进行氮一氩氧精馏分离，得到合格的精氩气体。这个标准工艺方案存在几个问题，一是大多数情况下，冷量明显不足，无法实现冷量平衡，如果用于膨胀制冷的空气少于空气总量的15%即7500立方米则冷量更加不足，需要通过提高空压机出口压力实现冷量平衡。二是在目前氩馏分引出口在上塔底部理论塔板数25-30块的情况下，氩馏分中的氩含量10%左右时，氧气产品纯度只能达到99.5%，三是氩提取率无法达到90%，如果增加进入下塔的空气数量，从占空气数量85%增加至89%，这样情况下氩提取率可以达到90%，但冷量更加无法平衡，只能提高空压机出口压力（的6.6bar）。正是基于以上的情况，很多情况下基于双塔流程的氧氮氩三元物系的精馏工艺方案多是采用空气全部进入下塔（当然也就取消了所谓的低温膨胀机），同时增设增压机，高温膨胀机膨胀制冷空气进入下塔的所谓双膨胀工艺方案（其实也是单膨胀工艺方案，这个时候实际上只有所谓的高温膨胀机，而所谓低温膨胀机是不存在的）。而基于双塔流程的氧氮氩三元物系的的标准工艺方案标准工艺参数实际上是很少见的。
基于改进后的新单塔流程的氧氮氩三元物系的标准工艺方案，同样以处理标准状态干空气50000NM3，产氧10000NM3小时为例，空压机出口压力4.2bar，空气总量的80%，40000NM3经涡轮增压后用于膨胀制冷进入空分塔参与精馏，其余20%，10000NM3空气中5000NM3增压至38bar，和未增压的压力空气5000NM3在主换热器换热后（其中38bar的增压空气全部液化，未增压的压力空气部分液化）进入设置在空分塔底部的空气冷凝器中全部冷凝为液空，经与返流氮气，污氮气换热过冷后进入空分塔中部作为回流液，从空分塔顶部引出氮气42000NM3在主换热器复热后，其中20000NM3作为产品氮气，其余22000NM3压缩至5.4bar，在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的氮气冷凝器中冷凝为液氮，经与氮气，污氮气换热过冷后送至空空分塔顶部作为回流液。从空分塔底部以上25块理论塔板数处引出含氩10%，含氮0.2%，其余为氧的氩馏分约14000NM3在粗氩冷凝塔中进行冷凝精馏分离，从粗氩冷凝塔顶部引出粗氩气14000NM3，在主换热器复热后加压至2.3bar冷却至常温后在主换热器换热后，其中13580立方米进入设置在空分塔底部得到粗氩气冷凝器中冷凝为液体粗氩，过冷后送至粗氩冷凝塔顶部作为回流液。其余420NM3进入设置在精氩塔底部的粗氩冷凝器中冷凝为粗氩液体送至精氩塔中部作为回流液，精氩塔底部另外设置氮气冷凝器用压力氮气100NM3在其中冷凝为液氮，经过冷后送至精氩塔顶部作为回流液。从精氩塔底部引出精氩气体，在主换热器复热至常温后作为产品精氩。在空分塔引出气氧6500立方米在主换热器复热后作为产品氧气，另引出3500立方米液氧产品。
主要设备性能参数如下，空压机，增压机，氮压机，涡轮增压机等温效率70%（实际上是按照段压缩绝热效率85%计算，等温效率非常接近70%，段压缩比变化大时需做调整），膨胀机绝热效率85%，实际工程条件如下，主换热器换热温差2K，主冷凝器换热温差1.5-2k，纯化器，主换热器，上塔，下塔，空分塔阻力0.1bar，散冷损失25kWh。
基于双塔流程的氧氮氩三元物系的标准工艺方案，空压机压缩功耗3500KWh，用于氧氮氩三元物系精馏的功耗3500KWh（包括空气输送，纯化及补偿冷热端换热温差造成的冷量冷能损失，散冷损失的开式热泵一膨胀制冷液化功耗）。
基于改进后的新单塔流程的氧氮氩三元物系的标准工艺方案，空压机压缩功耗2800KWh（如果完全按照相同等温效率计算则是2950KWh），氮压机压缩功耗1400kWh，增压机压缩功耗500KWh，粗氩气压缩机压缩功耗550KWh，总压缩功耗5150kWh。产液氧3500立方米，以压缩机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%设备性能参数下的极限气氧液化单耗0.72KWh作为气氧液化单耗核算扣除值。则用于氧氮氩三元物系的精馏功耗2950kWh（如果空压机压缩功耗2950kWh则是3100KWh）！
当然基于双塔流程的氧氮氩三元物系的标准工艺方案，同样也可以通过增设增压机，把空气总量的2%，1000立方米增压至38bar，增压机压缩功耗100KWh，液氧产量达到总氧产量3%左右，则用于氧氮氩三元物系的精馏功耗可以从3500KWh降低至3400kWh。实际上基于改进后的双塔流程的氧氮氩三元物系的精馏能耗降低幅度要比以上的结果大，其原因是基于未改进的双塔流程的氧氮氩三元物系的精馏工艺方案及工艺参数是无法实现冷量平衡的，空压机实际出口压力高于5.6bar。
当然以上的比较只是粗略的，对基本双塔流程的氧氮氩三元物系的标准工艺方案的能耗是从宽的。
至于压缩功耗的计算，实际上是按照压缩绝热效率85%，分段进行计算的，85%的压缩绝热效率分段绝热压缩非常接近于等温效率70%，但压缩比的变化较大时会导致压缩功耗的计算结果和按照等温效率70%的压缩功耗计算结果出现差距，需要做小幅度调整。
应该说这样的比较是粗略的，精密的比较必须在设定产品纯度，理论塔板数下进行，但大方向是无法改变的。
关于空压机的压缩功耗，首先是标准状态干空气，如果考虑空气中含有水份，则需要根据环境温度，相对湿度进行调整，空压机压缩功耗大约会增加300kWh。
其次压缩功耗的计算非常复杂也非常专业，在进行不同工艺方案比较时，一般采用先确定一个基准压缩功耗，然后根据不同工艺参数下压缩功耗和基准压缩功耗的关系进行计算。在帖子中，50000立方米干空气两段压缩至5.6bar，压缩功耗3500KWh就是基准压缩功耗。以此为基准，压缩等温效率一样的情况下，50000立方米干空气两段压缩至4.2bar，压缩功耗是基准压缩功耗的84%，即2950KWh！如果考虑段绝热效率不变，而段压缩比降低，会导致等温效率提高，压缩功耗2800KWh更合理！22000立方米标准状态氮气两段压缩至5.4bar，压缩功耗是22000立方米标准状态干空气两段压缩至5.6bar压缩功耗的90%即1400KWh。这样的精度已经足够，更精确的计算可以在详细设计时进行。
新单塔流程标准工艺方案的空压机出口压力设定为4.2bar，纯化器，主换热器阻力0.1bar，则设置在空分塔底部的空气冷凝器压力4.0bar，其冷凝温度95-97K，冷凝起始温度和终未温度之间有2K的差距。理论上以冷凝起始温度和终未温度平均值96K确定空气冷凝器压力，那么就是3.7bar，空压机出口压力为3.9bar，所有空压机出口压力4.2bar是留有余地的。

Sunqh · 发表于 2023-3-21 15:26:47

你的空气量50000，出口压力4.2bar，空压机等温效率70%，空压机功耗2800kW怎么算出来的？你是不会算还是怕立出计算式就露馅了？

50000*101.3*300/273.15*ln(4.2)/3600/70%=3168kW

你的循环氮气量22000，出口压力5.4bar，等温效率70%，功耗1400kW?

22000*101.3*300/273.15*ln(5.4/1.1)/3600/70%=1545kW

Yb2021 · 发表于 2023-3-22 07:35:14

先生计算公式是对的，是理想气体压缩功耗计算公式，而空气，氮气和理想气体是有偏差的，如果空气，氮气是理想气体，等温焓差又从何而来？
我无法保证计算功耗的绝对准确，但是相对关系是不会错的，4.2bar空气的压缩功耗是5.6bdr空气压缩功和的80%左右。5.6bdr压力空气20000立方米的压缩功耗和5.4bar压力氮气22000立方米的压缩功耗是非常接近的。
重要的是新单塔流程的空压机出口压力和氮压机出口压力，先生似乎已经不再扯什么表压，绝压，现在开始在压缩功耗上做文章了。

Sunqh · 发表于 2023-3-22 07:57:24

本帖最后由 Sunqh 于 2023-3-22 08:02 编辑

是按理想气体，这个最方便了，不需要软件就能计算。你显然并不是用软件计算的，用软件也不是你这个结果。

ln(4.2)/ln(5.6)=0.833,

bar是表压绝压是要指明的，barg表示表压，bara指绝压。

在我看来，尤总学空分十几年，并没学到什么，如果一起参加空分考试，肯定不如我们进厂才几个月的新员工。

Yb2021 · 发表于 2023-3-22 09:09:22

是啊，我是一个初学者，先生LV5但先生知道理想气体的压缩功耗计算公式，但先生知不知道所谓的等温压缩过程实际上是不存在的？！空气压缩至5.6bar和空气压缩至4.2bar，都是两段压缩，两者之间的压缩功耗岂是按照理想气体等温压缩功耗的比值？讲到软件计算，50000立方米干空气，绝热压缩效率85%，两段压缩的压缩功耗是3300KWh。先生是否核对一下？

Sunqh · 发表于 2023-3-22 09:32:04

本帖最后由 Sunqh 于 2023-3-22 16:38 编辑

普通空分的空压机都是3级或4级压缩，多数是4级。5.6^(1/2)=2.37，这个压比太大了，通常要求<2，5.6^(1/3)=1.78，基本合适。空压机性能有意义的是等温效率，这个是空压机的整体效率。绝热效率是指某压缩级的效率，这个是空压机中某个单元的效率，压缩级效率和冷却器效率等对等温效率都有影响。

我算了一下，在冷却器阻力3kPa，冷却器趋近温度5K时，3段压缩的空压机绝热效率80%时，对应的等温效率大约是71%，不是你说的绝热效率85%对应等温效率70%，你这种情况只有冷却器效率非常差时才会出现。

3段空压机，冷却器阻力每增大1kPa，等温效率下降0.45~0.50%；趋近温度每增大1K，等温效率下降0.15~0.16%

Sunqh · 发表于 2023-3-22 09:42:22

本帖最后由 Sunqh 于 2023-3-22 09:52 编辑

绝热压缩效率一般指压缩机的级效率，但只有这个条件计算不出等温效率来，还需要知道冷却器效率等。冷却器效率包括冷却器气侧阻力和趋近温度等，只有这些都明确后才能计算出等温效率，这个计算要困难很多，尤总恐怕理解不了，更不要说自己计算了，所以尤总的2800kW肯定是用张嘴就来的方法。

你写出计算过程才是最有力的回复，

Yb2021 · 发表于 2023-3-22 11:28:03

先生这样说法还比较诚恳！精密计算需要考虑的因素很多，是非常专业的事情，一般计算时，都必须进行必要的简化，例如不考虑冷却器的阻力损失，也不考虑冷却器冷却温度是否和环境温度完全一致。但有些因素是必须考虑的，在绝热效率给定的情况下（设备性能参数），压缩比变化对压缩功耗的影响。气体不同分子量对压缩功耗的影响，岂能用理想气体压缩功耗简单计算？

Yb2021 · 发表于 2023-3-22 11:31:15

至于讲到计算过程，给出了压缩量，出口压力，压缩段数（不是级数）段压缩绝热效率，详细说明计算应该在工程设计时才进行。

Sunqh · 发表于 2023-3-22 11:46:33

本帖最后由 Sunqh 于 2023-3-22 12:05 编辑

简单计算或估算可以先给出个大概，你既然要比较能耗，那就少不了计算或估算。但实际上，你的2800kW并不是计算出来的，而是随口说出的，没有任何依据，这不是科学的态度，只是民科惯用手法。

尤总并不了解空分，是各方面都不了解，空分配套用空压机都是4段或3段压缩，哪有你说的2段压缩？

你不考虑冷却器阻力和温差，算算绝热效率85%相当于等温效率多少？看看你的2800kW是否无稽之谈？实际上，冷却器阻力一般有2~5kPa，排气和进水温差一般5K左右，这个对等温效率的影响不小。

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[空分工艺] 外行学空分（279）一一新单塔流程的改进（四）

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