外行学空分（292）一一氧氮氩三元物系精馏工艺方案的空压机和增压机

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       空压机是所有深冷空分装置必须的设备，其作用有四个。一是精馏原料气一一空气的输送，其作用是克服纯化器及主换热器，精馏塔及精馏产品氧氩氮气返流的阻力，把精馏原料气一一空气送至精馏塔参与精馏过程，其作用相当于环境温度以上精馏过程的精馏原料混合物液体输送泵。二是以空气为循环工质的空气开式热泵一膨胀制冷液化的膨胀制冷循环工质（干空气）的复热常温压缩机（在膨胀制冷空气数量小于精馏原料空气数量时，其复热过和精馏原料和精馏产品换热过程合并）。三是以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中的开式热泵循环工质一一正流液化原料气（干空气）压缩机，四是以空气为循环工质的供冷供热开式热泵的热泵循环工质（空气）复热常温压缩机（其复热过程和精馏原料与精馏产品换热过程合并），在空压机的四项功能中，第一项是基本的功能。第二项，第三项，第四项是必要的功能。
    在实际工程条件（纯化器阻力，正返流阻力，主冷凝器换热温差，精馏塔塔板阻力）下，空压机的四项功能对空压机出口压力的要求是不同的，在目前一般实际工程条件下，精馏原料气一一空气的输送，理论上要求空压机出口最低压力是1.3-1.4bar（太低了纯化器再生周期太短）。开式热泵一膨胀制冷液化的膨胀制冷循环工质对空压机的出口压力最低为1.3-1.4bar（此时膨胀制冷空气进入空分塔的膨胀机进出口压力相等，膨胀比等于1，实际制冷系数及膨胀制冷效率均为零），随着空压机出口压力的提高，膨胀机进口压力随之提高，膨胀机出口压力保持不变，膨胀机膨胀比提高，膨胀机制冷系数，制冷效率迅速提高，达到一定压力后，膨胀机制冷系数，制冷效率提高幅度变小，趋于平缓稳定。在目前实际工程条件下，新单塔流程的双热泵工艺方案空压机出口压力是3.9bar-4.3bar（空气冷凝器的冷凝压力加纯化器阻力及正流阻力，之所以有一个压力范围，是在同样冷凝器换热温差2K及考虑液氧侧静压根据空气冷凝平均温度和终未温度计算的不同结果），双塔流程是5.6bar（下塔底部压力加纯化器阻力加主换热器正流阻力），空压机出口压力进一步提高，经过主换热器换热后的用于开式热泵精馏的压力空气只能节流减压进入压力空气冷凝器和下塔，压力气体节流减压是压力能的净损耗（深冷压力气体节流减压的过程有效能效率等于零），这样节流减压是极不合理的，应该尽量避免出现这种情况。以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化中的开式热泵对用于正流液化的空气压力（开式热泵循环工质压力）最优工艺参数是38bar（空气的临界压力），用于液化的正流空气压力高于空气临界压力，则空气冷凝液化温度不再升高，低于空气临界压力则空气冷凝液化温度低于空气的临界温度，开式热泵一膨胀制冷液化中的膨胀机进口温度相对于正流液化空气压力38bar时的膨胀机进口温度降低，同样的膨胀比，同样的膨胀空气数量，膨胀制冷量降低（所谓的高温高焓降）。关于用于液化的正流空气压力对以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响可以参阅前面的相关帖子一一全低压工艺方案的缺陷。
( l: I' {* S+ s2 M    综合以上的四项功能对空压机出口压力的不同要求，空压机出口压力应该以以空气为循环工质的开式热泵精馏的开式热泵循环工质对空压机出口压力要求的最低压力为基准，新单塔流程双热泵工艺方案空压机出口压力3.9bar-4.3bar！双塔流程的空压机出口压力5.6bar（目前双塔流程由于主冷凝器换热温差的降低及双层主冷凝器的运用降低了液氧侧静压，空压机出口压力己经可以降低至5.2bar以下）！
8 _7 t7 L; @8 o; l9 n     我们很容易发现，如果空压机出口压力采用以上的工艺参数，那么用于液化的正流空气压力和最优的正流空气压力（空气临界压力38bar）相距甚远！这样以空气为循环工质的空气开式热泵一膨胀制冷液化效率会很低，只有15%-25%！用于液化的正流空气压力越低，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率越低！无论是双塔流程标准工艺方案（只有低温膨胀机的单膨胀工艺方案，即所谓的全低压工艺方案），新单塔流程标准工艺方案，制氮工艺方案都存在同样的问题，对空分装置的实际能耗和能耗核算都产生重大的影响，相关的内容可以参阅前面的帖子。
    解决这个问题的方法是增设空气增压机，把纯化后的压力空气（大约占膨胀制冷空气数量的10%！具体增压空气数量以正流增压空气完全液化为原则计算）增压至38bar，用于正流空气的液化！这样的工艺参数优化后，可以使末采用双膨胀工艺方案（采用双膨胀工艺方案，则用于液化的正流空气压力自然而然地提高至接近于空气临界压力）的空分装置的空气开式热泵一膨胀制冷液化效率大幅度提高，从而降低空分装置的能耗水平。在同样设备性能参数及实际工程条件下，标准全低压双塔流程的气氧单耗可以降低 0.03KWh-0.05KWh每标准立方米气氧（气氧单耗中实际包括用于补偿空分装置散冷损失，正返流气体热端换热温差冷量损失的空气开式热泵一膨胀制冷液化功耗），降低10%-15%！制氮工艺方案的气氮单耗降低0.01KWh-0.02KWh每标准立方米氮气！当然对新单塔流程标准工艺方案的影响更大，因为新单塔流程的标准工艺方案空压机出口压力更低，而膨胀制冷空气数量更大！
# i7 ^- h2 M# m% h! o   任何一个空分装置都是空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化的联合装置，从空气开式热泵精馏角度考虑，只要空压机就足够了，而从空气开式热泵一膨胀制冷液化效率考虑，空压机和增压机都是空分装置的必要配备缺一不可！
9 m0 w& Y3 l! p    空分装置中的空气开式热泵一膨胀制冷液化部分是空分装置的人造公用工程，其产品液空可以用于补偿空分装置所有精馏过程的冷量冷能损失（精馏塔的散冷损失，进出物料换热温差形成的冷能冷量损失）。剩余的液空则转化为液氧，液氮，液氩产品。而环境温度以上的标准常规精馏过程，通过增加再沸器蒸汽加入量，可以补偿环境温度以上的精馏过程的散热损失及精馏原料和精馏产品换热温差造成的热量热能损失，而在深冷条件下的空气精馏过程，只能采用空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案制取液空才能实现并保持空气精馏过程的气液共存状态，为空气精馏过程创造前提条件。
& [& ?7 P0 i8 Q' F5 P   一套空分装置有多个精馏过程，倒如氧氮氩三元物系一一空气的精馏工艺方案至少需要两个精馏过程（精馏塔），一般情况下需要三个精馏过程（精馏塔），但一般情况下只有一个和依次精馏第一精馏塔结合的空气开式热泵一膨胀制冷液化系统，而其它的精馏过程（精馏塔）的散冷损失则通过深冷液体的损耗而得到补偿。空分装置的膨胀机如果出现故障，也可以通过向空分装置输入液空，液氮而维持空分装置的运行。
     深冷空分流程，工艺方案，工艺参数的优化包括三个方面的内容，一是精馏组织方案，包括精馏工艺方案。蒸馏工艺方案，冷凝工艺方案，三元物系及多元物系的依次精馏顺序及隔板模型优化组织方案。二是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的组织优化。三是开式热泵供冷供热方案的组织优化。每个部分的组织优化都是缺一不可的，只有结合实际工程条件，设备性能参数下对各个部分分别进行优化。才能实现整个空分装置工艺方案，工艺参数的优化。实现空分装置能耗的最优化。

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   以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案实际上就是深冷空分教科书中的空气压缩与液化部分的内容，是空分原理的第一部分内容，但对此只是平销直叙并没有展开讨论。
   空气的压缩与液化其实就是空气的液化过程，这是深冷空分装置运行的必要前提条件。但它是一个可以独立运行效热力学过程，其液化效率的影响因素很多，一是设备性能参数，二是实际工程条件，三是工艺方案和工艺参数。必须对这些因素对液化效率的影响进行深入分析讨论，才能在实际情况下的液化效率有可靠的把握。