外行学空分（339）一一空分基本原理（17）一一空分流程的组织

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! A) ?+ i  I9 x+ ^    空分装置是空气开式热泵一膨胀制冷液化部分和空气开式热泵精馏部分的联合装置。其中空气开式热泵精馏部分是空分装置的核心部分，空气开式热泵一膨胀制冷液化部分是空气开式热泵精馏部分启动和稳态化运行的必要前提条件，同时也可以结合空气开式热泵精馏部分产出液空，液氮，液氧，液氩等液体产品。空分装置的能耗水平既决定于空气开式热泵精馏部分的能耗水平也决定于空气开式热泵一膨胀制冷液化部分的能耗水平（深冷空分气体产品单耗中既包括开式热泵精馏的能耗，也包括用于补偿精馏原料空气和精馏产品主换热器冷热端换热温差形成的冷能冷量损失及空分装置的散冷损失的空气开式热泵一膨胀制冷液化部分功耗），空分流程的组织首要的问题是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，工艺参数的选择和优化！
    空分装置中除了以空气为液化原料气及以空气为膨胀制冷循环工质的空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案外，还存在以氮气，空气为液化原料气，以氮气，富氧空气作为膨胀制冷循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，其中以富氧空气为膨胀制冷循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，只出现在古典单塔制氮工艺方案中（这并不是一个优化的制氮工艺方案，具体可以参阅基于新单塔流程的制氮工艺方案相关帖子），以氮气为液化原料气，以氮气为膨胀制冷循环工质的氮气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，完全可以被空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案所取代！下面集中讨论空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的的优化。
    空分装置中的空气液化工艺方案经历了空气开式热泵一等温焓差制冷液化阶段和空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案阶段，前者利用空气理化性质和理想气体偏差产生的等温焓差（即在温度相等的情况下，压力高的空气焓值大于接近常压的空气焓值，两两者之间的差值，就是所谓的等温焓差）实现空气的液化，毫无疑问这样的空气液化方案效率非常低，要实现空分装置的冷量平衡及制取液体产品，空压机的出口压力需要很高与常压返流氧氮气有较大的压力差，才能产生足够数量的等温焓差，实现空分装置的冷量平衡（实际上是深冷液体平衡）并产出少量液体产品。这其实是空分流程中的所谓高压流程流程的根本原因之一（另外一个原因是空气纯化采用冻结法自清除工艺方案），而空气开式热泵精馏工艺方案对空压机出口压力的要求从来都不需要高压和中压！目前己经退出深冷空分技术的历史舞台，但等温焓差产生的冷量在空分装置冷量平衡中依然占有一席之地，但也仅此而已，所谓的冷量平衡（热量平衡）其实就是基于热力学第一定律的恒等式！
6 W; y8 |3 j* P: R% f: a! t  G    在空气膨胀制冷技术出现后，空分装置中的空气液化工艺方案进入了空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案阶段。膨胀制冷工艺方案相对于等温焓差制冷效率高得多。只要较低的空压机出口压力采用膨胀制冷工艺方案就可以获得较大数量的冷量（空分装置中，用于膨胀制冷的空气数量决定于空气精馏开式热泵供冷供热方案，在采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案即所谓双塔流程时，在不设置压力空气增压机及所谓高温膨胀机下，用于膨胀制冷的空气数量不超过空压机出口空气数量的30%），随着膨胀制冷技术的运用，空分装置空压机的出口压力也就从高压降低至中压，随着膨胀机绝热效率的提高和涡轮增压技术的运用，空压机出口压力进一步降低至低压（10bar以内），在不设置压力空气增压机及所谓高温膨胀机的情况下，不但能够实现空分装置的冷量平衡（实际上是深冷液体平衡），还能制取少量的液体产品，这就是所谓的全低压空分流程。所谓全低压空分流程的空压机出口压力大于等于纯化器阻力加主换热器阻力加空气开式热泵冷凝器（或者所谓双塔流程的下塔底部压力）压力。对于采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案（所谓双塔流程）而言，在目前实际工程条件下，空压机出口压力在4.8bar至8bar之间（压力下限决定于下塔底部压力及纯化器，主换热器阻力，上限则决定于空分装置的冷量平衡及膨胀机的膨胀比限制）。如果采用空气，氮气双开式热泵供冷供热精馏工艺方案，则空压机出口压力在4.2bar左右。膨胀空气数量同样由空气开式热泵精馏供冷供热方案决定，但相对以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案膨胀制冷空气数量要大得多！
* h# o1 @& i: f& c    空分装置中的空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，膨胀制冷空气进入空分塔参与精馏的膨胀制冷空气数量，决定于空分装置空气开式热泵精馏供冷供热工艺方案（实际上是开式热泵供冷供热方案），当空气氧氮二元物系或者氮一氩氧精馏分离近似氧氮精馏分离（氧氮氩三元物系依次精馏第一精馏塔）时，采用以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热精馏工艺方案时，理论上全部空压机出口压力空气经涡轮增压在主换热器换热后膨胀制冷进入空分塔参与精馏（实际上部分空压机出口压力空气，需要增压机增压至38bar，用于正流空气液化，才能保证空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案达到高效率，这也就导致了空气精馏分离必须采用以空气，氮气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案的一个非常重要的原因）。采用空气，氮气双开式热泵供冷供热精馏工艺方案的压力氮气冷凝器，压力空气冷凝器并列设置在空分塔底部时，空压机出口压力空气80%-85%经涡轮增压在主换热器换热后膨胀制冷进入空分塔参与精馏，当压力空气冷凝器设置在空分塔底部，压力氮气冷凝器设置在空分塔液空入口处时，空压机出口压力空气的40%经涡轮增压后在主换热器换热后膨胀制冷进入空分塔参与精馏。
    当空气氧氮氩三元物系精馏分离工艺方案采用以氮气为循环工质的单热泵供冷供热方案或者氮气，工艺氩气双开式热泵供冷供热方案时，空压机出口压力空气全部经涡轮增压在主换热器换热后膨胀制冷进入空分塔参与精馏，，当采用空气，氮气双开式热泵供冷供热方案时，空压机出口压力空气的40%-50%经涡轮增压在主换热主换热器换热后膨胀制冷进入空分塔参与精馏。当空气氧氮二元物系精馏分离或者氮一氩氧精馏分离近似氧氮精馏分离（氧氮氩三元物系依次精馏第一精馏塔）采用以空气为循环工质一拖二的开式热泵供冷供热精馏工艺方案时，空压机出口压力空气30%经涡轮增压在主换热器换热后膨胀制冷进入上塔参与精馏。当空气氧氮氩三元物系精馏分离采用以空气为循环工质一拖二开式热泵供冷供热方案时，空压机出口压力空气15%以下经涡轮增压在主换热器换热后膨胀制冷进入上塔参与精馏。不同的空气精馏工艺方案（开式热泵供冷供热方案），液体产品数量是不同，如果需要提高液体产品数量，则只能提高用于空压机出口压力（受膨胀机膨胀比限制，膨胀比在10以内），或者增设压力空气增压机，同时增设增压空气膨胀机。关于压力空气增压机下面将详细讨论。
   空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案实际上分为两个部分，一是空气开式热泵液化部分，这部分的功能是用于液化的原料压力空气通过与膨胀制冷后的空气（空分装置中就是所谓的返流气，包括氮气，氧气，污氮气，返流压力空气等）换热，吸收膨胀制冷后空气的冷能冷量使压力空气液化，经节流减压或液体膨胀机膨胀减压产生温降及冷能增量（如果是节流减压则是等焓过程，如果是液体膨胀机膨胀减压，则产生与液体膨胀功等量的焓降）得到常压下的液空。二是空气膨胀制冷部分，压力空气经涡轮增压后在主换热器与膨胀制冷与用于液化的压力空气换热后的返流空气（在空分装置中，膨胀制冷后的空气进入空分塔参与精馏，与正流压力空气换热的是空分装置的返流气）换热至一定温度后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。其中用于液化的原料压力空气吸收膨胀制冷空气的冷能冷量液化，液体膨胀机膨胀减或节流减压后形成常压液空，产生的冷能增量（常压液空及少量气化空气中的冷能和吸收膨胀制冷空气冷能之间的差值）和用于液化的空气压缩功耗的比值就是空气开式热泵液化效率。膨胀机膨胀制冷产生的冷能（不是冷量，不是膨胀制冷空气的焓降，而是膨胀制冷空气焓降中的冷能增量，冷能和冷量的比值称为冷能系数）和膨膨胀制冷空气压缩功耗的比值是膨胀制冷效率。空气开式热泵一膨胀制冷液化效率既不是空气开式热泵液化效率也不是空气膨胀制冷效率，它是常压液空中的冷能数量和用于液化原料压力空气及膨胀制冷循环工质压缩功耗之和的比值。
   空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的优化，就空气膨胀制冷部分而言最重要的问题是是否采用涡轮增压方案，采用涡轮增压方案相比于不采用涡轮增压方案，膨胀制冷产生的冷量冷能高20%-30%，这是非常巨大的差距！对于空气开式热泵液化部分，最重要的问题是是采用液体膨胀机膨胀减压还是采采用节流减压，采用液体膨胀机膨胀减压的效率相对于采用节流减压高3%-5%！就工艺参数而言，膨胀制冷部分膨胀机膨胀比目前受设备条件限制在10以内，考虑涡轮增压则空气压缩机出口压力在7-8bar以下！在极限工程条件下（正返流阻力为零），膨胀制冷部分效率只和空压机等温效率及膨胀机绝热效率及膨胀机进口温度（由用于液化的空气压力及相应的冷凝温度，液化压力空气数量和膨胀制冷空气数量的比值决定）有关，而和空压机出口压力高低无关，但在正返流阻力存在的实际工程条件下，在膨胀机膨胀比小于10的限制条件下，尽可能高的空压机出口压力相对有利于提高膨膨胀制冷部分效率，但差距并不大。就开式热泵液化部分而言，在极限工程条件下（正返流阻力为零），开式热泵液化效率只和空压机，增压机等温效率及液体膨胀机绝热效率有关，而和用于液化空气压力高低无关！但空气开式热泵一膨胀制冷液化效率并不是空气膨胀制冷效率或者空气开式热泵液化效率！系统有效能效率（空气开式热泵一膨胀制冷液化系统）和分系统（空气开式热泵液化分系统和空气膨胀制冷分系统）有效能效率并不具有简单的对应关系。
    例如空压机出口压力6bar，采用涡轮增压膨胀制冷和压力液化原料空气液体膨胀机膨胀减压工艺方案（最优化的空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案），在实际工程条件正返流阻力0.1bar，换热器换热温差2K，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%，液体膨胀机绝热效率85%的情况下，其中膨胀制冷效率约50%，压力空气开式热泵液化效率略低于70%，但空气开式热泵一膨胀制冷液化效率只有20%-25%！如果空压机出口压力由6bar，降低至4bar，在工艺方案，实际工程条件和设备性能参数不变的情况下，虽然膨胀制冷效率和压力空气开式热泵液化效率只是略有降低（受正返流阻力损失影响）但空气开式热泵一膨胀制冷液化效率却显著降低只有15%-20%！如果空压机出口压力6bar（或者4bar），10%左右（准确数量需要回归计算而得出）的空压机出口压力空气增压至38bar用于开式热泵液化，则空气开式热泵一膨胀制冷液化效率可以达到33%左右！两者之间的差距达到近一倍！但如果从空气开式热泵液化部分和空气膨胀制冷部分而言，两者之间空气开式热泵液化部分效率基本相同，而空气膨胀制冷部分后者反而近显著低于前者（这和所谓高温高焓降正相反）！但后者空气开式热泵一膨胀制冷液化效率比前者高一倍！
2 K5 L7 o2 d1 Y$ A0 D( [     空气开式热泵一膨胀制冷液化的最优工艺方案及工艺参数如下，空气经空压机压缩至6bai（空气压力下限由空气开式热泵精馏工艺方案及实际工程条件决定，空压机出口压力上限由膨胀机最优膨胀比确定），其中10%左右的空压机出口压力空气，进一步增压至38bar，在主换热器与返流气换热液化后，经液体膨胀机膨胀减压得到常压液空，其余的90%的空压机出口压力空气在主换热器与返流气换热至一定温度后进入膨胀机膨胀制冷，膨胀机输出功用于膨胀制冷压力空气的涡轮增压，空气液化率在10%左右，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率在33%-35%之间。
5 g  G* F# j2 n- S, ^4 X2 c9 x) m    空分装置中的空压机的功能除了空气原料输送外，还是空气膨胀制冷循环工质压缩机及以空气为循环工质的开式热泵供冷供热循环工质复热常温压缩机，同时也是用于液化（空气开式热泵）的原料空气压缩机！不同的功能对空压机出口压力的要求是不同的，从空气输送角度来说，在纯化器纯化技术成为空分装置的标配以后，对空压机出口压力的要求是很低的。空压机出口压力要同时满足空气输送，空气膨胀制冷，以空气为循环工质的开式热泵供冷供热方案及用于空气开式热泵液化的压力空气对空压机出口压力的不同要求是做不到的。综合考虑各种不同的功能，空压机出口压力应该以以空气为循环工质的供冷供热开式热泵对空压机出口压力要求为准，但以此压力用于空气开式热泵一膨胀制冷液化，则由于用于空气开式热泵液化正流空气压力和空气临界压力相距甚远，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率极低，因此必须增设压力空气增压机，把用于开式热泵液化部分的空压机出口压力空气增压至空气临界压力38bar，才能保证空气开式热泵一膨胀制冷液化效率。空压机和压力空气增压机都是空分装置的必要设备配置，所谓的全低压空分流程就空气开式热泵一膨胀制冷液化部分而言是存在重大缺陷的。有关内容可以参阅标准双塔流程工艺方案（全低压工艺方案）的缺陷及空分装置能耗核算相关帖子。
    如果空分装置只有空压机而没有压力空气增压机，那么用液化的正流空气压力只能是空压机出口压力，这样空分装置开式热泵一膨胀制冷液化效率极低，空分装置能耗核算时，不但液体产品核算扣除值非常大，而且气体产品的单耗也会明显高于配备压力空气增压机的空分装置，理由是空分装置气体单耗中包括部分的开式热泵一膨胀制冷液化能耗（用于补偿空分塔原料气与产品换热冷热端换热温差损失，空分装置散冷损失）！这就造成了空分装置能耗核算的混乱，大家无法取得共识。但空分装置增设压力空气增压机对空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数进行优化后，空分装置的液体产品核算扣除值可以以给定设备性能参数下极限工程条件空气开式热泵一膨胀制冷液化效率推算出液体产品核算扣除值！
6 X- h6 g/ v! ^3 v7 t    如果不对空分装置开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数进行优化，即使在相同设备性能参数下及工程条件下，由于空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的不同，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率差距巨大，如何确定液体产品液化单耗扣除值？！无法确定液化单耗扣除值，空分装置的能耗核算它不是无根之木，无源之水？！
   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，同时也为空气开式热泵精馏中的开式热泵循环工质的深冷压缩创造了必要的前提条件，为多热泵精馏工艺方案的运用创造了有利的条件，而多热泵精馏可以显著提高精馏效率，从而为降低空气开式热泵精馏能耗创造了条件！

   空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的因素，首先是设备性能参数，包括液化空气压缩机等温效率，膨胀制冷空气压缩机等温效率，膨胀机绝热效率，涡轮增压机等温效率，液化空气液体膨胀机绝热效率。其次是实际工程条件，包括正返流阻力损失，换热器换热温差，散冷损失。容易被忽视却对开式热泵一膨胀制冷液化效率影响极大的因素是工艺参数，其中最重要的是用于液化的空气压力！对空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响甚至超过设备性能参数和实际工程条件对空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的影影响。正是这个巨大的影响因素，使空分装置的能耗核算出现了混乱，无法达成基本的共识！

在空分流程的演化过程，空气液化工艺方案及工艺参数往往起着决定性的主导作用。

目前空分装置的空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，并没有对空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的工艺参数进行针对性的优化，而只是根据空气开式热泵精馏工艺方案或者液体产品数量从而确定用于液化的空气压力，例如双塔流假程标准工艺方案时，用于液化空气压力在6bar以下！如果液体产品数量大或者采用内压缩工艺方案，则采用所谓双膨胀工艺方案，用于液化空气压力则接近于空气临界压力，至于双塔双冷凝制氮工艺方案，用于液化空气压力则在10bar左右。它们之间的空气开式热泵一膨胀制冷液化效率天差地别！更不要设备性能参数（空压机，增压机，涡轮增压机等温效率，膨胀机绝热效率）的不同！这样情况下，如何能够确定空分装置能耗核算中的液体产品核算扣除值？液体产品核算扣除值无法合理确定，空分装置的能耗核算结果还可信吗？！

只讲膨胀制冷，高温高焓降，冷量平衡，不讲开式热泵液化，开式热泵一膨胀制冷液化效率，不对开式热泵一膨胀制冷液化的工艺方案及工艺参数进行优化，空分装置的能耗核算岂不是无源之水，无根之木？！

深冷空分又被称为深冷工程！深冷空分和组分沸点在环境温度以上的精馏过程的区别，一是彻底的开式热泵供冷供热方案，二是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案。深冷空分教科书对开式热泵供冷供热方案无一语涉及！对空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，只抽象地讲冷量平衡，高温高焓降，只是举例说明！而完全没有对空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数进行优化！没有讨论影响空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的各种因素！这太肤浅了！

先了解空分原理

  深冷压缩可以显著降低压缩功耗，但形成冷量冷能损失，空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数优化后，在相同设备性能参数下，深冷压缩由于不存在正返流阻力损失，相对于复热常温压缩总是有利的，在压缩比很小的情况下更加显著有利！

  空气的液化是空气原理的第一个重要的问题。对空气液化基本原理的深入理解是理解深冷空分流程的基础。