外行学空分（317）一一空分基本原理一一空气压缩与液化

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/ i$ f1 O. e  H5 E+ J3 w2 g4 R      空分装置是空气开式热泵供冷供热精馏分离和空气开式热泵一膨胀制冷液化的联合装置，空分装置的能耗水平（有效能效率）即决定于空气开式热泵供冷供热精馏分离过程效率也决定于空气开式热泵一膨胀制冷液化效率。其中毫无疑问空气开式热泵供冷供热精馏分离是空分技术的核心，空气开式热泵供冷供热精馏分离过程效率在很大程度上决定了空分装置的能耗水平及有效能效率，而空气开式热泵一膨胀制冷液化是空气开式热泵供冷供热精馏过程启动和稳态化运行的必要前提条件，也是空分装置不可缺少的必要组成部分，也对空分装置的能耗水平及有效能效率有重大的影响，是空分原理中一个极为重要的内容。
     常温（环境温度）下呈气态的物质一一气体根据气体的理化性质不同（关健是气体临界温度和环境温度冷却水温度
6 c. z6 v, m7 Y' j8 U* I5 z: N# f的关系），实现常温下气体液化共有三个不同的工艺方案（流程），一是开式热泵液化工艺方案，具体而言就是常温常压气体压缩至一定压力，使该压力下的气体冷凝温度高于冷却水温度（环境温度）加上冷却水冷凝器换热温差，用冷却水冷却使压力气体降温并液化，节流减压或者液体膨胀机膨胀减压后得到常压下温度低于环境温度的常压液体，其液体中的冷量（焓降）来自于冷却水输出的热量（所谓的冷量其实就是气体，液体的焓值和环境温度压力下气体的焓值差），冷能来自于压力气体压力能转化。这个工艺方案称为开式热泵液化工艺方案，这是最简单效率也最高的气体液化工艺方案，同时也是任何气体液化工艺方案的必要组成部分，但这样的工艺方案只适用于临界温度在冷却水温度（环境温度）以上的气体（如果气体的临界温度虽然高于环境温度但和环境温度非常接近，虽然理论上也可以采用开式热泵液化工艺方案，但这就意味气体需要压缩至很高的压力才能实现液化，一般也不适用这个气体开式热泵液化工艺方案，而采用气体开式热泵接力液化工艺方案，例如二氧化碳气体的液化工艺方案）。临界温度在冷却水温度（环境温度）以下的气体是无法采用这样高效率简单的开式热泵液化工艺方案。因为气体无论压缩到多高的压力，相应压力下气体的冷凝温度总是低于冷却水（环境温度），当然也就无法用冷却水（环境温度）冷却使压力气体液化，从而节流减压或者液体膨胀机膨胀减压后得环境温度以下的到常压液体。
    对于临界温度在环境温度以下的气体，可以采用热泵接力液化工艺方案，具体而就是气体压缩到一定压力（一般而言为该气体的临界压力，这样情况下液化效率最高，但也可以低于气体临界压力，一般不会选择高于气体临界压力，需要综合考虑各个因素后优化选择），用开式热泵液化方案制取的另一种沸点（临界温度）在环境温度（冷却水温度）以上的液化气体作为冷却剂代替冷却水，另一种沸点（临界温度）更高的液化气体的蒸发气化吸热（蒸发气化温度低于用于液化压力气体的冷凝温度）使压力气体的温度降低至其冷凝温度以下使之液化，液化后的压力气体经节流减压或者液体膨胀机膨胀减压后得到温度在环境温度以下的常压液体。用作冷却剂的另一种液体蒸发气化后与用于液化正流压力气体换热并复热至常温，进入下一个热泵接力液化循环。理论上采用开式热泵接力液化工艺方案可以实现所有气体的液化，但热泵接力液化工艺方案随着热泵接力次数的增加，气体液化效率大幅度降低！开式热泵液化在极限工程条件（无正返流阻力损失，无换热温差，无散冷损失，液体膨胀机膨胀减压且液体膨胀机绝热效率100%）下的有效能效率是气体压缩的等温效率，两次开式热泵接力液化的极限效率是气体等温压缩效率的平方，三次开式热泵接力液化的极限效率是气体压缩等温效率的三次方！目前开式热泵液化工艺方案的实际案例很多（例如气氨的液化），也可以看到两次热泵接力液化工艺方案的案例（例如二氧化碳的液化），但还没有三次以上开式热泵接力液化工艺方案的实际案例！这既有液化效率的原因也有工艺方案复杂的因素。
     空分装置中空气液化共有两个不同的工艺方案，一是开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案，二是开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，其中开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案是利用实际气体和理想气体的偏离产生的所谓等温焓差（理想气体是没有所谓的等温焓差）实现液化的工艺方案，这是深冷空分最早采用的液化工艺方案，需要原料空气压缩到很高的压力才能实现空分装置的冷量平衡（实际上是气液平衡），空气开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案效率很低已经退出空分技术舞台，只是等温焓差还在所谓冷量平衡中占有一定份额。目前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。这里的关健词有三个，一是开式热泵，二是膨胀制冷，三是液化，其中液化是目标，开式热泵和膨胀制冷是手段是工艺方案，空气开式热泵液化和空气膨胀制冷结合才能实现深冷气体一一空气的液化，空气开式热泵和空气膨胀制冷两者缺一不可！空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中的空气膨胀制冷形成液空中的冷量和部分冷能，空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中的以空气为循环工质的开式热泵（正流液化压力空气）不形成任何冷量但形成了液空中的很大一部分冷能。只讲膨胀制冷是不全面的肤浅的，有极大的误导性。
     所有深冷气体（氧氩氮，甲烷，氢气）理论上都可以采用开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案实现液化。之所以不采用热泵接力工艺方案实现深冷气体的液化，是因为深冷气体的临界温度远低于环境温度，无法采用开式热泵液化工艺方案，而采用热泵接力液化工艺方案则开式热泵接力次数在3次以上，无论是液化效率还是工艺方案的简便上均无法与开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案相比较竞争！
1 H1 _3 u8 Y# F0 }, C9 G( t8 X3 x     空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案实际上分为相对独立的两个部分，一是空气膨胀制冷部分，二是空气开式热泵液化部分。其中空气开式热泵液化部分的压力开式热泵循环工质气体与膨胀制冷后膨胀制冷循环工质气体一一空气换热，吸收空气膨胀制冷后膨胀制冷循环工质的焓降而实现液化，节流减压或液体膨胀机膨胀减压后得到常压液体。其中膨胀制冷部分，膨胀制冷循环工质常温压缩后，在主换热器与返流膨胀制冷循环工质换热后进入膨胀机膨胀制冷产生焓降，其焓降值等于膨胀机的输出功，膨胀机的输出功用于膨胀制冷循环工质的涡轮增压。
" }, U7 }) O1 |" i    深冷空分教科书中空气压缩与液化是空分原理的第一个主要内容，其实际内容就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，深冷空分教科书对此只进行了举例说明一一空气等温压缩至6bar，大部分6bar压力空气经涡轮增压后在主换热器换热进入膨胀机膨胀制冷，膨胀机输出功用于膨胀制冷空气的涡轮增压，小部分压力空气在主换热器与返流膨胀制冷后的空气换热液化并过冷，节流减压后得到常压的液空。空气液化率（液空占空气压缩量的比例）3%-5%！计算出的相应液化效率在20%以下，深冷空分教科书又有气氧实际液化功1.25-1.47KWh每标准立方米气氧的内容，计算出的气氧液化效率也在20%以下，两者是一致的，可以互相参照。但是深冷空分教科书并没有就此展开讨论，这其实是非常不应该的，对于这样一个极为重要的空分原理基础问题，只是举例说明是远远不够的！
2 t; N4 T) z" a/ Q0 |8 }     空分装置中以空气为开式热泵一膨胀制冷液化的循环工质毫无疑问是最方便最有利的，只有在特殊情况下才会采用其它的循环工质作为膨胀制冷的循环工质（例如氮气和富氧空气），而液氧，液氮，液氩均可以结合精馏过程由液空转化而来。
8 j& j$ p# T2 E2 s/ X2 t    下面就空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案进行一下讨论，讨论一下影响空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的因素有那些！首先是设备性能参数，包括空压机，压力空气增压机，涡轮增压机等温效率，膨胀机绝热效率，液体膨胀机绝热效率！毫无疑问设备性能参数是影响空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的一个关健因素。二是实际工程条件，包括主换热器的正返流阻力，主换热器的换热温差，液化装置的散冷损失，毫无疑问实际工程条件也是影响空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的重要因素。三是开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，实际上只有一个空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，早期的开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案虽然在空分装冷量平衡中占有一定的比例，但已经是次要的，但空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案有压力液体节流减压和膨胀机膨胀减压两个不同的工艺方案，其中采用压力液体液体膨胀机膨胀减压工艺方案相对于节流减压工艺方案液化效率更高但两者区别并不大，需要根据具体情况做出选择。四是开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的工艺参数，包括用于液化的正流空气压力及末经涡轮增压的用于膨胀制冷的空气压力（在开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中，用于正流液化的气体和用于膨胀制冷的循环工质气体可以不一样，用于正流液化的气体压力和用于膨胀制冷的气体压力也可以不一样，如果强求两者一致，是不符合实际的自我设限，当然也就限制了空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺参数优化）及膨胀机进口温度！如果给定设备性能参数，并在极限工程条件下讨论空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响因素，那么实际上就只有一个问题，那就是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺参数对开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响。
   在极限工程条件下，空气开式热泵一膨胀制冷液化的工艺参数实际上只有三个，一是膨胀机进口温度，二是膨胀机进口压力，三是用于液化的正流空气压力。其中膨胀机进口温度决定于正流液化空气压力及空气液化率是一个中间过程工艺参数，膨胀机进口压力也是同样的情况，而用于正流液化空气压力及用于涡轮增压膨胀制冷空气压力则是可以选择的自由变量，是需要优化的工艺参数！从开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案极限工程条件下工艺参数以液化效率为目标优化过程可知，用于液化正流空气压力越高，则用于液化正流空气开始冷凝液化的温度越高，膨胀机进口温度也越高，膨胀机进口温度越高！则膨胀制冷循环工质数量及膨胀比不变的情况下，膨胀制冷循环工质的焓降（膨胀机膨胀输出功）越大，这就是所谓的高温高焓降！理想气体在极限工程条件下，根据冷量平衡方程式，空气开式热泵一膨胀制冷液化方案中液空中的冷量（不是冷能）等于膨胀机的焓降（输出功）！简单计算就可以得出结论，如果在空气临界压力之下提高用于液化的正流空气压力，在用于膨胀制冷空气数量膨胀比不变的情况下，随着正流空气压力的提高，用于液化正流空气开始冷凝温度越高，膨胀机进口温度升高，但当空气压力提高至空气临界压力时，空气的冷凝温度（临界温度）不再升高，膨胀机进口温度也不再升高，同样设备性能参数及相同膨胀空气数量及膨胀比下膨胀机制冷量（膨胀循环工质焓降，膨胀机输出功）升高，空气液化率大幅度升高，液化效率随之大幅度升高！有关这方面内容可以参阅前面的制冷与液化相关帖子的内容。
    例如空压机出口压力6bar，空气开式热泵一膨胀制冷液化方案空气液化率只有3%-5%，液化效率在20%以下！如果增设增压机把用于正流液化的空气压力提高至36bar（增压空气数量为空气压缩量的10%），空气液化率也从3%--5%提高至8%-10%！液化效率从20%以下提高至33%-35%！
    用于正流液化的空气压力最优的工艺参数是空气的临界压力38bar，而用于正流液化的氮气压力最优工艺参数是氮气的临界压力45bar！而用于正流液化的气体压力是否优化对开式热泵一膨胀制冷液化效率影响极大，其影响甚至超过设备性能参数。这样一个极端重要的理论问题，深冷空分教科书对此竞没有进行任何讨论，实在是一个非常不应该非常奇怪的事。以至深冷气体实际液化功和空分装置能耗核算中的气体液化单耗扣除值出现了近一倍的差距，造成了空分装置能耗核算的极大混乱！

润泽

恕我孤陋寡闻了，空分里面很少说开式热泵和闭式热泵这新词。可以说的更高深一点虚拟循环这样读到的会不觉明历

Yb2021

  空气压缩与液化即以空气为循环工质开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案制取液空，既是空气开式热泵精馏的前提又是空气开式热泵精馏实现稳态化运行的条件。同时也是空分装置能耗核算扣除值确定的基础，是空分原理极为重要的内容。

Yb2021

   不对空分原理部分的空气压缩与液化部分的内容进行深入的讨论分析展开，从而明确开式热泵一膨胀制冷液化的原理及开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响因素，从而确定优化的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数是深冷空分教科书非常明显且后果严重的缺陷！造成了深冷空分装置能耗核算的混乱，无法达成基本的共识！

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  空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的工艺方案工艺参数对空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响讨论，是进行空分装置正确能耗核算的前提条件。

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    空分技术的发展初期本质上是围绕空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案进行，是决定空分装置能耗水平的关健因素，从空气开式热泵一等温焓差液化工艺方案而空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，从活塞式膨胀机而离心式膨胀机，从单级膨胀而两级膨胀，从膨胀输出功风机消散到用于膨胀制冷空气涡轮增压！空气开式热泵一膨胀制冷液化效率不断提高，空压机出口压力不断降低，空分装置的能耗水平提高（单耗降低）！至于空分装置核心的精馏部分基本上保持不变，只是随着设备性能参数及实际工程条件变化而变化！那么空气精馏分离部分是否已经最优了呢？显然不是如此！因为至今为止空分装置的有效能效率还在30%以下，即使在极限设备性能参数及工程条件下，也不超过40%！

Yb2021

目前所谓双塔流程的标准工艺方案中的空压机既是精馏原料加压输送机，又是以空气为循环工质的一拖多开式热泵循环工质复热常温压缩机，又是空气膨胀制冷循环工质压缩机，又是用于液化正流空气压缩机，一仆四主，怎么侍候的过来？！