外行学空分（323）一一空分基本原理的总结（空气液化部分）

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" H$ I/ t* u# r& `; ~5 Z1 m      空气精馏分离是一个纯粹的物理过程，空气精馏分离基本原理中并没有任何特殊的地方，更没有什么空气精馏分离和化工精馏之分别，都是热力学基本定律和精馏技术在空气分离过程中的具体运用。任何把空气精馏分离基本原理神秘化特殊化都是故弄玄虚，甚至是错误的而不自知！现在把空分基本原理中空气液化部分总结如下。
     一，空分基本原理中的第一个首要的问题是空气的液化，这是空气开式热泵供冷供热精馏分离工艺方案得以启动，实现稳态化运行的前提条件。空气的液化部分也是空气精馏分离和组分沸点在环境温度以上的精馏过程之间一个重大的区别，组分沸点在环境温度以上的精馏过程，精馏原料和精馏产品在环境温度下均呈液态，只要采用蒸汽再沸器加热和冷却水冷凝器冷却就可以实现精馏过程的启动（气液共存状态）及稳态化运行（热量平衡），而组分沸点远低于环境温度的空气精馏分离过程却无法采用蒸汽再沸器加热和冷却水冷却实现气液共存状态和冷量平衡，只能通过空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案才能实现气液共存状态，为空气开式热泵供冷供热精馏启动，实现稳态化运行创造条件，在采用空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案之前，还曾经采用过空气开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案，但空气开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案的液化效率极低，己经完全被空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案所取代。
    环境温度（常温）下呈气态的物质气体（空气，氨气，二氧化碳，氧氮化合物，氢气，甲烷，乙烷，氧氮氩气等等）共有三个液化工艺方案，一是开式热泵液化工艺方案即压缩与液化工艺方案。具体而言液化原料气体压缩至一定的压力，使该压力下的气体冷凝温度高于环境温度（冷却水温度）加冷却水冷凝器换热温差，用冷却水冷却使压力气体降温液化，液化后的压力气体节流减压或者液体膨胀机膨胀减压至常压产生温降（节流减压是绝热等焓过程，由于不同压力气体冷凝温度不同，液化压力气体节流减压会产生一定的温降，同时部分液化压力气体气化为常压气体，液化压力气体采用液体膨胀机膨胀减压会产生一定的温降及焓降，其焓降数量等于液体膨胀机膨胀输出功，同时产生一定的温降，同时也会部分气化，但气化量小于采用节流减压方案时的气化量，从而得到环境温度以下（常压液体的沸点温度）常压的液体，压力液化原料气液体的过冷程度和减压方案都会影响气化率从而影响液化效率，小部分气化的常压液化原料气体与正流液化原料压力气体换热至常温后，与新鲜原料气汇合进入原料气体压缩机。环境温度以下的常压液体中的冷量来自于冷却水冷凝器移出的气体冷凝潜热及气体等温焓差，如果采用液体膨胀机则液体膨胀机的膨胀输出功也是常压液体中的冷量部分来源，但绝大部分来自冷却水移出的热量，常压液体中的冷能来自用于开式热泵液化压力原料气体压力能的转化（以原料气体为循环工质的开式热泵产生的冷能增量逆卡诺功），如果采用液体膨胀机膨胀减压，液体膨胀机也提供小部分的冷量，冷能增量。这是最简单有效能效率最高的气体液化方案，俗称气体的压缩与液化，从原理而言是开式热泵液化工艺方案，实质是开式热泵把常压液体中的热量输送给环境或冷却水。气体压缩与液化的有效能效率（液化效率）是以液化原料气气体为循环工质的开式热泵有效能效率，略低于液化原料气体压缩过程的等温效率。除了液化原料气气体压缩机等温效率外，其它影响因素是正返流阻力损失，冷却水冷凝器换热温差，压力原料气液体是采用节流减压还是膨胀机膨胀减压方案。其中正流液化原料气阻力越大，冷却水冷凝器换热温差越大，开式热泵液化有效能效率越低，压力液化气体节流减压方案的有效能效率低于压力液化气体膨胀机膨胀减压方案，但两者之间的差距并不大！这和压力气体节流减压制冷（等温焓差制冷）和压力气体膨胀机膨胀制冷之间制冷效率差距巨大是不同的。
  x& W/ z! e4 O) Q     以上的工艺方案只适用临界温度在环境温度以上的气体（例如氨气）的液化过程，对于临界温度在环境温度以下的气体，无法采用最简单效率最高的开式热泵液化工艺方案（即压缩与液化工艺方案），因为无论液化原料气压缩至多高的压力都无法使压力原料气体的冷凝温度高于环境温度（冷却水温度），也就无法用冷却水冷凝器冷却实现压力原料气体的冷凝液化！但理论上所有的气体都可以采用开式热泵接力工艺方案实现液化（有时临界温度在环境温度以上，但非常接近环境温度的气体，也采用开式热泵接力液化工艺方案，例如二氧化碳气体液化工艺方案）。但二次开式热泵接力液化工艺方案，其极限液化有效能效率（液化效率）是气体压缩等温效率的平方，三次开式热泵接力液化工艺方案，其液化有效能效率（液化效率）是气体压缩等温效率的三次方，随着开式热泵接力次数的增加，液化效率大幅度降低！关于开式热泵液化工艺方案可以参考氨气冰机液化工艺方案，关于开式热泵接力液化工艺方案，可以参考二氧化碳液化工艺方案（二氧化碳临界温度在环境温度以上但接近环境温度，如果采用开式热泵液化工艺方案则需要把二氧化碳压缩至很高的压力，同时也无法保证在冷却水温度变化时实现液化，故采用开式热泵接力液化工艺方案，其第一个开式热泵液化的循环工质一般采用氨气）。
& z8 T& v2 q/ m1 }5 U    空分装置中空气液化的基本原理是空气开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案和空气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，是利用液化原料气体空气的理化性质和理想气体的理化性质偏离形成的等温焓差实现制冷，空气开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案中的环境温度以下的常压液空中的冷量来自于压力空气和常压空气之间的等温焓差。其冷能来自于用于液化压力空气的压力能转化！空气开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案是一个效率很低的空气液化工艺方案！目前空分装置采用的是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，其中常压液空中的冷量大部分来自于压力空气膨胀机膨胀输出功即膨胀制冷循环工质焓降，小部分来自于等温焓差和压力液空膨胀机输出功！常压液体中的冷能一部分来自膨胀空气焓降形成的冷能及压力液空膨胀机，一部分来自于用于液化正流压力空气的压力能转化而来（空气开式热泵产生的冷能增量）！空气开式热泵一膨胀制冷液化效率大大高于开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案，这也是空分流程从所谓高压流程向中压流程，全低压流程演进的根本原因！另外一个原因是原料空气净化纯化技术的变化。
         二，空分装置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。其中空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案是一个可以独立运行的热力学过程，实际上就是空气液化装置！
     空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中，实际上分为两个分系统，一是空气开式热泵液化分系统，二是空气膨胀制冷分系统，其中开式热泵分系统包括用于液化正流空气的压缩，正流液化空气与膨胀制冷后的返流空气换热液化过冷，压力空气液体的节流减压和液体膨胀机膨胀减压。开式热泵液化部分不产生冷量（如果采用液体膨胀机则产生少量的冷量），只产生冷能增量，影响空气开式热泵液化分系统有效能效率最主要的因素是用于开式热泵液化的压力空气压力，空压机的等温效率，其次是压力液空是采用液体膨胀机膨胀减压还是采用节流减压。三是正流液化空气与膨胀制冷后返流空气换热器的正流阻力损失及换热温差，其中换热器正流阻力损失的影响微乎其微对于开式热泵液化效率的影响可以忽略不计，返流阻力损失则对开式热泵液化效率有明显的影响，而采用压力液空液体膨胀机膨胀减压工艺方案相对于节流减压工艺方案对开式热泵液化有效能效率影响较大，但并不显著在5%以内！空气开式热泵液化的有效能效率最主要的影响因素是空压机等温效率。如果空压机等温效率70%，则采用节流减压工艺方案时，开式热泵液化有效能效率略高于65%-67%！而采用压力液空液体膨胀机膨胀减压工艺方案时开式热泵液化有效能效率在67%-70%，两者之间的开式热泵液化有效能效率差距在3%-5%之间，差距不大！
! c- d+ i$ x4 B$ s- G# W        空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中的另外一个分系统是空气膨胀制冷分系统，包括膨胀制冷循环工质气体一一空气的压缩及涡轮增压，正流膨胀制冷循环工质一一空气与膨胀制冷后返流空气的换热。膨胀制冷循环工质一一空气的膨胀机膨胀制冷，其膨胀机膨胀输出功用于正流膨胀制冷压力循环工质一一空气的涡轮增压！
    空气膨胀制冷分系统的有效能效率影响因素首先是空压机，涡轮增压机的等温效率，膨胀机绝热效率。其次是实际工程条件，包括换热器的正返流阻力损失，换热器冷热端换热温差损失。膨胀机进口温度。其中空压机，涡轮增压机等温效率，膨胀机绝热效率是设备性能参数，膨胀机进口温度则不是由膨胀制冷分系统决定的，而是由用于开式热泵液化的正流空气压力（冷凝温度）及用于液化正流压力空气数量和膨胀制冷空气数量之比值决定。用于开式热泵正流液化空气压力越高，则用于开式热泵正流液化空气开始液化的温度（正流压力空气冷凝温度）越高，膨胀机进口温度越高，用于正流液化空气数量和膨胀制冷空气数量之比越大即空气液化率（液空数量和空压机压缩量的比值）越高，膨胀机进口温度越高！
( ]2 _# U1 v6 d. m6 t: |* \     膨胀机进口温度越高，在膨胀空气数量及膨胀比不变的情况下，膨胀机的膨胀机输出功越大，膨胀制冷循环工质一一空气的焓降越大，这就是所谓的高温高焓降！是否意味膨胀机进口温度越高，膨胀制冷分系统的有效能效率越高？正相反，在设置备性能参数不变的情况下（包括空压机，涡轮增压机等温效率，膨胀机绝热效率），膨胀机进口温度越高，膨胀制冷分系统的有效能效率越低！
0 u: b( ]; v: e    空气开式热泵一膨胀制冷液化效率既不是开式热泵液化分系统有效能效率也不是膨胀制冷分系统有效能效率。环境温度298K（摄氏温度25度）下，如果空压机（包括增压机），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（无正返流阻力损失，无换热温差，无散冷损失），如果用于正流液化空气压力为38bar（空气临界压力），采用压力液空液体膨胀机膨胀减压工艺方案，则开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案有效能效率即空气液化效率35%左右！如果空压机（包括增压机），涡轮增压机等温效率80%，膨胀机绝热效率90%，用于开式热泵正流液化空气压力38bar（空气临界压力），采用压力液空液体膨胀机膨胀减压工艺方案的情况下，极限工程条件下，开式热泵一膨胀制冷液化效率50%左右！以上的关健是设备性能参数，极限工程条件和液体膨胀机膨胀减压工艺方案及用于正流液化空气压力38bar（空气临界压力，核心工艺参数），以上任何一个关健因素的改变，都会导致空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案有效能效率的巨大差距！其中又以用于液化的正流空气压力工艺参数对空气开式热泵一膨胀制冷液化效率影响最大，最为关健！
8 {7 S; p! `* k    空分装置是以空气开式热泵精馏为核心的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，空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的优化是空分装置能耗核算的基础。是正确确定空分装置中液体产品核算扣除值的前提条件。但在这个问题上，深冷空分技术人员并没有深刻的认识，以至于空分装置的能耗核算非常混乱无法取得共识。
2 K" z" `3 H5 M) _, F- A    深冷空分教科书对空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案只是进行了举例说明，而且所举的例子并不是经过工艺参数优化的空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数（用于正流液化空气压力只有6bar，没有采用液体膨胀机膨胀减压工艺方案），以至于空气液化效率在20%以下！
7 x; ^6 V9 d' b% ~    氧气，氮气，氩气当然也可以采用开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案实现液化！但在空分装置中液氧，液氮，液氩都是结合精馏过程由液空转化而来。
     空分装置的能耗核算是成本核算的一个特殊案例（原料空气是不需要支付成本的），按照成本核算的基本规则，多产品的生产线（空分装置是空气开式热泵精馏和空气开式热泵精馏的联合装置，可以认为是多产品生产线），成本核算时，首先要确定空分装置的主产品，主产品的生产成本是成本核算的目标，空分装置中氧气（以制氮为目标的空分装置当然氮气是主产品）毫无疑问是空分装置中的主产品，在主产品确定，其它的产品只能采用分摊和扣除值的办法，分摊法必须明确分摊系数的计算方法，扣除法必须明确扣除值的计算方法！在此基础上进行核算，计算出主产品的核算成本（单耗）！当采用扣除法核算时，付产品的扣除值一般而言是付产品在同样设备性能参数和同样工程条件下的实际成本（单耗）！就空分装置而言，液氧产品液化单耗扣除值应该是气氧实际液化功（气氧单耗另计），深冷空分教科书中气氧实际液化功1.25-1.47KWh每标准立方米液氧数据，又有采用双膨胀工艺方案时液氧液化单耗扣除值可以低至0.65kWh每标准立方米液氧的说法，可以认为是相同设备性能参数和工程条件下的计算结果，但两者之间的差距竟然达到一倍以上！深冷空分教科书对此没有进行任何的说明和解释，这就造成空分装置能耗核算的极度混乱！具体情况可以参阅前面的帖子一一空分装置的能耗核算。
   

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空气开式热泵一膨胀制冷液化是空分装置必不可少的一个组成部分，空气，氮气，氧气，氩气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的优化是空分装置能耗核算的基础！没有对开式热泵一膨胀制冷液化原理深入理解，没有对开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的优化，就无法进行空分装置能耗的合理核算。

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   深冷空分教科书对于这样一个极为重要的空分基本质理，只进行了举例说明，完全没有对空气开式热泵一膨胀制冷液化的工艺方案和工艺参数展开讨论，这是非常不应该的。

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空分装置能耗核算中，液氧核算扣除值（气氧液化单耗，气氧单耗另计）竟然出现0.45-1.25KWn每标准立方米液氧的巨大差距。

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对于空气氧氩氮三元物系精馏分离而言，工艺方案的优化涉及三个问题，一是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的优化。二是氧氩氮三元物系依次精馏的隔板模型优化问题。三是开式热泵供冷供热方案优化的问题。以上三个问题是缺一不可的！

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对空气开式热泵一膨胀制冷液化效率和深冷气体开式热泵一膨胀制冷液化效率的认知偏差，导致空分装置能耗核算出现严重的混乱，其后果是严重阻碍了对空气开式热泵精馏工艺方案的改进！

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   空气开式热泵一膨胀制冷液化效率及其影响因素是空分基本原理的首要问题，对此进行深入分析讨论，是空分装置工艺参数优化及能耗降低的基础，也是正确进行空分装置能耗核算的前提条件。

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空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的问题是空分装置能耗核算的最基础问题，

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目前液化空气储能技术己经成为除了抽水蓄能电站，电化学储能技术外的一个非常重要的储能技术路线，己经写进了今年的政府工作报告。就是空分装置中的空气开式热泵一膨胀制冷液化部分（不包括空气开式热泵精馏部分）！