外行学空分（307）一一氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案详解总结（9）

Yb2021

     任何一个空分装置都是由空气开式热泵一膨胀制冷液化部分，开式热泵供冷供热部分，精馏本体（在开式热泵精馏中精馏本体部分不包括冷凝器和再沸器，冷凝器和再沸器属于开式热泵供冷供热部分）部分构成。其中以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化部分是空分装置必要的组成部分，实现了空气的气液共存状态，同时补偿空分装置的散冷损失，主换热器冷热端换热温差形成的冷量冷能损失，实现精馏过程的气液平衡，维持精馏过程的稳态化运行，同时也可以结合精馏过程制取液氧，液氮，液氩产品。开式热泵供冷供热方案则代替环境温度以上的标准常规精馏过程的公用工程一一蒸汽，冷却水及其相应的再沸器和冷凝器为深冷条件下的精馏过程实现供冷供热。至于氧氮氩三元物系一一空气精馏过程本身（仅包括精馏原料空气的纯化，输送及精馏原料空气和氧氮氩气产品换热及不包括再沸器和冷凝器的精馏塔）则是开式热泵一膨胀制冷液化部分和开式热泵供冷供热方案的服务对象，使氧氮氩三元物系一一空气分离为纯度合格的气氧，气氮，气氩产品的精馏过程得以实现。
     空分装置的三个组成部分从功能上而言又可以分为两大部分，一是以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化部分，二是空气开式热泵精馏部分。其中空气开式热泵一膨胀制冷液化部分是一个可以独立运行的热力学过程，以空气为循环工质其产品是液空，如果以氧气，氮气，氩气为开式热泵循环工质（膨胀制冷循环工质可以和开式热泵液化循环工质相同也可以不同）则其产品是液氧，液氮，液氩。空气开式热泵一膨胀制冷液化系统（分系统）的有效能效率是所谓的液化效率，即液体产品中的冷能和开式热泵液化循环工质和膨胀制冷循环工质复热常温压缩功耗之和的比值。
' k+ G* k, I. V) n1 {# P     空气开式热泵精馏是空分装置的核心组成部分，但无法独立运行。只有和空气开式热泵一膨胀制冷液化都分结合才能启动和实现稳态化运行（理论上也可以通过向空分装置输入液空液氮在短时间内维持开式热泵精馏部分的运行，但这并不具有普遍的意义，只有在膨胀机出现设备故障时，短时间维持空分装置运行才是可行的。），空气开式热泵精馏的有效能效率等于开式热泵供冷供热有效能效率和精馏有效能效率的乘积。
' s8 z5 @. s7 F: S# w6 x    关于空气开式热泵一膨胀制冷液化部分总结如下，
    一，环境温度下呈气态的气体液化共有三个不同的工艺方案，一是开式热泵液化即压缩液化。具体而言就是气体等温压缩至一定压力（气体压力下的冷凝温度大于冷却水温度加冷却器换热温差）后，用冷却水冷却，压力气体冷凝液化，压力气体冷凝潜热由冷却水输出带走（输入冷量），压力液体节流减压或者采用液体膨胀机减压至常压（减压过程中压力液体会部分气化，采用压力液体换热过冷方案及液体膨胀机可以减少压力液体减压过程的气化量）得到常压温度（其温度等于常压液体的蒸发气化温度）低于环境温度的液体，部分气化产生的低温气体用于压力液体的过冷并与正流液化原料气换热后返回开式热泵循环工质（液化原料气体）压缩机进口，从而降低节流减压或者液体膨胀机减压时的气化率。开式热泵液化是效率最高的气体液化工艺方案，压缩气体中的压力能90%以上可以转化为液体中的冷能。如果用于液化的原料气体压缩机（开式热泵循环工质压缩机）等温效率70%，则开式热泵液化有效能效率可以达到65%以上，如果用于液化的原料气压缩机等温效率80%则开式热泵液化效率可以达到75%以上！但这样的气体液化工艺方案只适用临界温度在环境温度（冷却水温度）以上较远的气体（例如氨气）。对于临界温度在环境温度（冷却水温度）以下或者附近的气体，可以采用开式热泵接力工艺方案实现气体液化（例如二氧化碳）的液化。但是热泵接力液化工艺方案的有效能效率随着热泵接力次数的增加而大幅度降低。深冷空分装置中的深冷气体一一空气的液化既不是采用开式热泵液化工艺方案，也不是采用开式热泵接力液化工艺方案，而是采用开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案（在此之前是开式热泵一等温焓差液化工艺方案），空气压缩与液化效率的提高是深冷空分技术发展的一个非常重要的主线索。例如开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案代替开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案导致所谓的高压空分流程退出了历史舞台。而膨胀制冷效率的提高又是所谓全低压空分流程出现的前提条件。
    热泵从热力学角度来说本质上就是热力学中的卡诺循环的逆循环。卡诺循环的热力学含义是温度为T2的热量Q，如果传输到为T1（T2>T1）的热源体或环境，那么其能产生的最大功为Q（T2-T1）/T1.T2！热泵则是卡诺循环的逆循环，如果热量Q要从温度为T1的热源体输送至温度为T2的受热体，那么需要的最小功是Q（T2-T1）/T1T2！如果T2温度为环境温度就是热泵制冷，如果T1温度为环境温度则是热泵制冷！如果T1为为精馏过程低沸点组分或者混合组分的蒸发气化温度，T2为高沸点组分或者混合组分的气体冷凝温度，则是为精馏过程供冷供热的热泵。
7 n0 K9 ^+ D( R4 [5 \% Q- a    二，空分装置中采用的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（也有以压力富氧空气，压力氮气膨胀制冷的案例，但这样的工艺方案一般而言开式热泵一膨胀制冷液化效率较低），所谓以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案即是深冷空分教科书空分原理中的空气压缩与液化部分，空气两段压缩至6bar冷却至常温，其中大部分压力空气（90%以上）经涡轮增压冷却至常温后在主换热器与返流空气换热后进入膨胀机膨胀制冷，小部分末经涡轮增压的压力空气在主换热器与返流空气换热后液化，节流减压或者液体膨胀机减压后小部分气化，得到常压液空产品。在目前设备性能参数及实际工程条件下，空气液化率为4%-5%！计算出的液化有效能效率在20%以下！但是深冷空分教科书中的这个工艺方案的工艺参数并不是优化的工艺方案工艺参数，存在着两个重大的问题，一是工艺方案中没有出现液体膨胀机，液体膨胀机的运用可以提高开式热泵一膨胀制冷液化效率，虽然提高的幅度并不是太大，但也不是可有可无的。二是用于液化的压力原料空气和用于膨胀制冷的压力空气只设置一台空压机，而在实际工程条件下，用于液化的空气压力对开式热泵一膨胀制冷液化效率影响极大！其中用于液化的原料空气压力优化工艺参数是空气临界压力38bar，而在设备性能参数，实际工程条件，膨胀制冷空气压力不变的情况下，用于液化的原料空气压力6bar和38bar的不同，开式热泵一膨胀制冷液化效率的差距可以接近一倍，这个太可怕了！
    空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案由两个分系统构成，一是开式热泵液化部分，即用于液化的空气压缩后在主换热器与膨胀制冷空气（包括部分液空减压少量气化产生的返流空气）换热吸收返流空气中的冷能冷量液化并过冷，节流减压或者液体膨胀机减压后得到常压的液空。二是膨胀制冷部分，压力空气经涡轮增压（冷却至常温）后在主换热器与返流空气换热后，进入膨胀机膨胀制冷，膨胀机输出功用于压力空气的涡轮增压，膨胀制冷后的空气（返流空气的主要部分）与用于液化的正流压力空气换热使正流压力空气液化。膨胀制冷部分产生冷量冷能，开式热泵液化部分不产生冷量但产生冷能增量。在设备性能参数，空压机，涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%，极限工程条件下（无正返流阻力，无换热温差，无散冷损失），空气开式热泵一膨胀制冷液化效率35%，在实际工程条件下，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率当然低于此数值。如果空压机等温效率80%，膨胀机绝热效率90%，则在极限工程条件下，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率51.2%，实际工程条件下当然低于此数值。以上数值是在采用液体膨胀机，且液体膨胀机绝热效率100%的情况下的结果，如果不采用液体膨胀机或液体膨胀机绝热效率不等于100%，实际开式热泵一膨胀制冷液化效率还要低一些，当然也不会低很多！
) b9 E- K6 R9 |) f# }! V: }, i( {    深冷空分教科书中的空气压缩与液化部分的内容其实就是空气开式热泵一膨胀制冷液化的基本工艺方案，非常接近于所谓全低压流程空分装置中的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数，却不是一个优化的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案和工艺参数。在这个工艺方案和工艺参数中，用于正流液化的空气压力和未涡轮增压的膨胀制冷空气压力两者一致，也没有采用液体膨胀机，这样当然简化了工艺方案，但却造成了空气开式热泵一膨胀制冷液化效率很低的后果（20%以下）。如果把用于液化的正流空气压力和用于膨胀制冷的空气压力分开考虑，用于正流液化的空气压力提高至空气临界压力38bar，即增加空气增压机的设置，把空压机出口纯化后的空气（约10%，以正流空气全部液化为原则）进一步增压至空气临界压力38bar，则空气液化率从4%-5%提高至8%-10%！液化效率从20%以下提高至30%-35%！这才是优化后的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案和工艺参数。在相同设备性能参数及工程条件下两者之间的液化效率差距接近一倍！
9 @" s& w' U) h/ ]. d/ D/ f- B) X    三，影响空气开式热泵液化有效能效率的因素有以下几个，一是正返流阻力损失，二是采用节流减压还是液体膨胀机工艺方案。其中在用于液化的正流空气压力在6bar左右时，正返流阻力损失对开式热泵液化有效能效率的影响在5%左右，如果正流液化空气压力38bar，正返流阻力损失对开式热泵液化效率的影响就只有2%-3%了，节流减压和液体膨胀机工艺方案对开式热泵一膨胀制冷液化有效能效率的影响在2%-3%之间！空气开式热泵一膨胀制冷液化有效能效率受工艺参数及实际工程条件影响较小，基本上可以达到空压机等温效率的90%-95%以上。
     四，影响膨胀制冷有效能效率的因素很多，一是设备性能参数，二是正返流阻力损失，三是膨胀机进口温度。具体内容可以参阅前面的相关帖子。和人们一般认识正相反，膨胀机进口温度越高，膨胀制冷有效能效率越低！其实只要认真深入思考一下是顺理成章的，膨胀制冷目的是制冷不是发电（膨胀机输出功）。
4 C, b$ V+ O1 v$ J    五，用于液化的正流空气压力参数虽然对空气开式热泵液化效率影响不大，但对于开式热泵一膨胀制冷液化效率影响极大，用于液化的正流空气压力必须接近空气临界压力（38bar），和空气临界压力差距越大，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！空分装置中以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化部分是和空分装置的开式热泵精馏部分紧密结合在一起的，这就限制了以空气为循环工质的膨胀制冷后的空气只有两个选择，一是膨胀制冷后的空气进入上塔或者空气塔参与精馏。膨胀制冷后的空气压力接近常压（上塔或者空分塔压力），二是膨胀制冷后的空气进入下塔或者空分塔底部的空气冷凝器。前者即所谓的低温膨胀工艺方案，后者即所谓的高温膨胀机。低温膨胀机的进口压力（涡轮增压前）受限于进入下塔或者进入空分塔底部的空气冷凝器压力。低温膨胀机的空气数量则决定了开式热泵精馏工艺方案。
$ b% K: ]( `# C3 A  ?, x    六，深冷空分教科书中的所谓冷量平衡其实就是热量平衡是基于热力学第一定侓的功焓恒等式，由所谓的冷量平衡而导出的高温高焓降的结论，具有极大的误导性。混淆了制冷系数，制冷效率（有效能效率）和空气开式热泵一膨胀制冷液化效率之间的区别，造成了许多混乱甚至严重错误的认识。
1 Q, S8 q. M$ U2 Z" u) Z- J/ ~    环境温度以上的膨胀过程，有所谓的朗肯循环（燃气轮机循环）和汽轮机循环，其目标是输出功，膨胀机焓降的最大化，从有效能角度而言，在膨胀机等熵效率（绝热效率）100%的条件下，环境温度以上的膨胀过程，膨胀机输出功等于膨胀机进口循环工质的压力能和膨胀机出口循环工质的压力能差值加膨胀机进口循环工质的热能和膨胀机出口循环工质的热能差值。高温高生焓降，高温高输出功当然是成立的。
7 ]! U$ k( ]  }" k& w    但是环境温度以下的膨胀制冷过程，目标不是输出功最大化（输出功一般用于膨胀制冷循环工质的涡轮增压），当然也不是焓降最大化或者制冷量最大化（输出功等于循环工质的焓降等于制冷量，输出功用于膨胀制冷循环工质的涡轮增压），而是膨胀过程产生的冷能最大化即膨胀机进口循环工质的冷能和膨胀机出口循环工质冷能差值的最大化（不是焓降最大化），所谓的高温高焓降就似是而非了（有一个冷质系数的问题）。
4 K) b" G0 E2 @& T& Q# F9 V0 B/ H6 S3 m  环境温度以下的膨胀过程，在膨胀机等熵效率100%时，膨胀机进口循环工质的冷能和膨胀机出口循环工质的冷能差值等于膨胀机进口循环工质压力能和膨胀机出口循环工质压力能的差值减去输出功。在膨胀制冷循环工质膨胀前后压力能差值不变的情况下（即膨胀机进口压力及膨胀比不变的情况下），膨胀制冷过程输出功越大，膨胀制冷循环过程产生的冷能越小！和所谓的高温高焓降完全相反！
    膨胀制冷循环不是一个可以独立运行的热力学过程，随着膨胀制冷循环的运行，膨胀机进口温度不断下降，例如空分装置的启动，随着膨胀制冷循环的运行，空分装置不断冷却，膨胀机进口温度也在持续下降，当膨胀机进口温度下降到一定程度，这个时候用于液化的正流空气部分（开式热泵液化部分）就必须投入运行，空分装置进入积液过程，随后开式热泵精馏部分随之启动，空分装置逐步进入稳态化运行。开式热泵一膨胀制冷液化是一个可以独立稳态化运行的热力学过程，而膨胀制冷循环则不是一个可以独立稳态化运行的热力学过程，它只是开式热泵一膨胀制冷液化过程的一个组成部分。开式热泵一膨胀制冷液化效率，开式热泵液化效率，膨胀机制冷效率是三个不同都有密切关系的三个分系统（系统）有效能效率。三者之间并不具有简单的对应关系。

Yb2021

   开式热泵一膨胀制冷液化是空分装置和一般精馏过程的一个重大的区别。