低温空气分离过程中的热交换和制冷

本文对低温空气分离中的热交换和制冷相关的热力学原理、设计模型、换热器类型、制冷循环、工作温度范围和效率指标进行了技术严谨的概述。本文面向研究人员和技术专业人员,注重学术清晰度和实际工程应用见解。

Heat Exchange andRefrigeration in CryogenicAir Separation
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用于空气分离的低温制冷过程本质上受热力学定律的支配。要达到低温范围(大约 80–120 K,即 –193 °C 至 –153 °C),必须提供大量的制冷量。在低温空气分离系统的热交换和制冷过程中,这种冷却主要通过气体膨胀结合高效热回收来实现。空气分离装置 (ASU) 利用了两个关键的热力学原理:

  • 蓄热式换热(低温空气分离系统中换热和制冷的核心):多流逆流换热器(通常称为主换热器或冷箱)将热量从进入的暖空气传递给较冷的返回流(冷产品和废气)。通过这些流体之间的热交换,分离产品产生的冷能被回收利用,用于预冷进入的空气。这种热量回收大大减少了所需的外部制冷功。本质上,工艺过程中一部分产生的冷量不会被浪费,而是用于冷却其他流体,从而最大限度地降低所需的输入功率。
  • 焦耳-汤姆逊膨胀与等熵膨胀:仅靠热交换不足以使空气液化;需要采用实际的制冷循环才能达到更低的温度。早期的空气液化系统(林德法)使用焦耳-汤姆逊膨胀阀:高压空气经过预冷后,通过阀门节流膨胀,导致温度下降并部分液化。这是一种等焓膨胀,本质上是不可逆的。现代空分装置(ASU)通过在涡轮机中进行等熵膨胀(克劳德循环原理)来改进这一过程。在典型的空分装置中,一部分高压空气通过涡轮膨胀机膨胀,膨胀机做功,使气体温度显著降低,降温效果远优于焦耳-汤姆逊膨胀阀。膨胀后的气体(冷却至约100 K或更低)被送入系统的低压部分,提供制冷。关键在于,膨胀机产生的功可以回收利用(例如,驱动增压压缩机),从而提高整体效率。近等熵膨胀和精细的热回收相结合,构成了低温空气分离制冷的基础。

此外,位于高压和低压精馏塔之间的内部冷凝器-再沸器可以回收潜热:高压氮气冷凝时释放的热量为低压塔中的氧气提供汽化所需的热量。这种集成设计减少了该阶段对外部制冷的需求。这些原理共同构成了低温空气分离过程中热交换和制冷的核心,从而使空气能够高效地液化和分离。

低温空气分离装置的设计经历了多种循环配置的演变,这些配置在复杂性和效率之间取得了平衡。早期的系统采用林德-汉普森循环,该循环使用单个换热器和焦耳-汤姆逊膨胀过程。虽然这种方法结构简单,但由于膨胀过程不可逆,效率有限。乔治·克劳德引入膨胀机的工艺是一个突破。这种克劳德循环成为现代低温空气分离中换热和制冷的基础:

克劳德循环(带涡轮膨胀机):在现代空气分离装置(ASU)中,空气被压缩到中等高压(约 5-6 巴),并在主换热器中与返回的冷气体进行热交换冷却。一部分高压空气随后被引入涡轮膨胀机。膨胀机进行等熵膨胀,使空气温度急剧下降,同时产生有用的功。产生的冷气体(通常约为 90-100 K)被送入低压精馏塔或返回到换热器的冷端。从换热器的中间点抽取膨胀机进料有助于优化热力学过程,确保换热器冷端和热端都保持较小的温差(温差最小点)。与较旧的林德循环相比,克劳德循环在相同的液化产量下可以使用较低的压缩机压力运行,从而大大降低能耗。实际上,它在工艺流程中相当于一个开放式布雷顿制冷循环,从而实现了更高的效率。

任何空分装置设计的核心在于将膨胀循环与换热器和精馏塔集成起来,从而有效利用所有产生的冷量。设计精良的系统能够确保不会浪费任何冷却潜力:离开冷箱的低温流体与进入的空气进行热交换,使其温度回升至接近环境温度,从而回收冷量。所有这些循环创新最终都旨在最大限度地提高低温空气分离过程中热交换和制冷的效率。通过减少无效功和优化热回收,现代循环能够最大限度地降低单位产品气体的能耗。

高效换热器对于低温空气分离过程中的热交换和制冷至关重要。现代空气分离装置(ASU)中使用的主要换热器是钎焊铝制板翅式换热器,因其卓越的效率和紧凑的多流道设计而被广泛采用。传统的管壳式换流器虽然坚固耐用,但由于其表面积小、效率低,很少用于主冷箱;它们主要用于辅助用途或较旧的小型装置。对于超大型装置,可以使用盘管式换热器来处理巨大的流量和压力,但成本和重量也更高。下表比较了这些换热器类型的关键特性:

换热器类型建筑与材料典型有效性在ASU中的应用
板翅式换热器(钎焊铝制)叠片式结构和波纹状散热片;铝合金钎焊芯体非常高(≈95%以上;冷端温差约3-5开尔文)大多数空分装置(低温空气分离中热交换和制冷的核心部件)的主换热器(冷箱);采用紧凑型多流道设计。
管壳式管束位于壳体内;不锈钢常用于低温应用。中等程度(70%–85%;需要更大的温差)在大型现代化空分装置中不作为主要冷箱使用(但在一些小型或老式装置中可见);结构坚固但体积庞大,热效率较低。
线圈缠绕式(螺旋式)大型外壳内的螺旋缠绕线圈;铝管或不锈钢管高(≈90%;温差较小)用于超大型空气分离装置或特殊高压应用;可处理巨大的流量,但体积庞大且价格昂贵。

因此,选择合适的换热器类型对于优化低温空气分离装置中的热交换和制冷至关重要。

在低温空气分离装置中,操作压力和温度经过优化,以实现有效的低温空气分离过程中的热交换和制冷。典型工艺中的关键操作条件和温度范围如下:

  • Compression and Purification: 环境空气被吸入,并通过多级离心式压缩机压缩至约 5-6 巴,然后通过中间冷却器冷却至接近常温(约 300 K)。压缩后,空气通过净化器(分子筛干燥器)去除水分、二氧化碳和碳氢化合物。去除这些杂质对于防止下游低温设备中出现冰或干冰堵塞至关重要。
  • 主换热器冷却:干燥的高压空气以约 295 K 的温度进入主换热器,并通过将热量传递给低温回流气体而被冷却至约 100–110 K(约 -170 °C)。当空气离开换热器时,其温度已接近液化点。反之,低温气态产物(来自低压塔的氧气和氮气,以及任何废氮气)在换热器中从约 80–100 K 的温度升高至接近环境温度,并将自身的冷量传递给进入的空气。该换热器的高效性(两端温差小)最大限度地提高了内部热量回收效率。
  • 精馏塔温度:冷却后的高压空气(约 100 K,大部分仍为气态)进入精馏系统。高压塔的运行压力约为 5-6 巴。氮气更易挥发,在大约 120 K 的温度下开始从塔顶蒸发,而富氧液体则聚集在塔底(温度约为 130-150 K)。这种富氧液体通过阀门膨胀进入低压塔,低压塔的运行压力接近 1.2 巴。在低压塔中,塔顶是温度最低的地方(约 77 K,即氮气在约 1 个大气压下的沸点),塔底则盛有沸腾的液氧,温度约为 90 K。一个冷凝器-再沸器装置将两个塔连接起来进行热交换:来自高压塔的氮气(在 5-6 巴压力下,温度约为 90-95 K)冷凝,为低压塔中的氧气(约 90 K)提供沸腾所需的热量。这种巧妙的塔间热交换无需外部制冷即可维持分离所需的驱动力。
  • 膨胀制冷:为了提供制冷并维持稳定的低温,一部分气流会通过涡轮膨胀机进行膨胀。例如,可以从主换热器的中间位置(约 150 K)抽取一部分高压空气,并将其膨胀至接近大气压。这种膨胀会产生非常冷的低温气体(可能约为 85-90 K),然后将其输送到低压塔或返回到换热器的冷端。涡轮膨胀机产生的功可以抵消一部分压缩机的负荷。膨胀后的气体提供必要的冷却,以平衡热损失并使足够的空气液化。通过调节流经膨胀机的流量,操作人员可以确保系统的制冷量与工艺过程所需的冷量相匹配。

这些温度和压力条件都经过精心控制,以最大限度地提高低温空气分离过程中热交换和制冷的效率。所有低温设备都安装在隔热冷箱中,以最大程度地减少热量流入。值得注意的是,将空气分离装置(ASU)从环境温度冷却到工作温度需要数小时(大型装置甚至需要数天),因此它们被设计成连续运行;频繁的升温和降温会浪费能源并损坏设备。

能源消耗是低温工厂的核心问题,它直接反映了低温空气分离过程中的热交换和制冷优化程度。人们使用多种指标来衡量其性能:

  • 单位产品耗电量:这是生产单位产品气体所需的电能(通常以每标准立方米氧气为单位)。大型先进空分装置的单位产品耗电量约为 0.3–0.4 kWh/Nm³ O₂(约 250–350 kWh/吨 O₂)。较小或较老的装置可能需要约 0.5 kWh/Nm³ 或更高。相比之下,分离空气的理论最小功耗约为 0.074 kWh/Nm³ O₂(≈53 kWh/吨)。因此,实际装置的运行效率约为热力学理想值的 20%–30%。举例来说,一台日产 1000 吨氧气的大型空分装置可能需要 20–30 兆瓦的电力输入,因此即使是微小的效率提升也能带来可观的能源和成本节约。这一差距凸显了低温空气分离技术在热交换和制冷方面仍有进一步改进的潜力。
  • 换热器效率:主换热器的性能衡量标准是其热流体和冷流体之间达到热平衡的程度。热端温差小(例如,压缩空气入口温度为 300 K,废气氮气出口温度为 305 K)表明热量损失极小;冷端温差小(例如,空气出口温度为 100 K,产品流体温度为 103 K)表明冷量回收效果极佳。高效率(通常高于 95%)意味着大部分冷却负荷由内部热回收提供,而不是由膨胀机额外做功。保持如此小的温差至关重要:如果换热器效率降低(由于污垢积聚或设计不佳),涡轮膨胀机和压缩机必须更加努力才能达到所需的低温,从而显著增加能耗。因此,保持换热器清洁高效是确保低温空气分离系统中的热交换和制冷系统以最佳性能运行的关键。

低温空气分离过程中的热交换和制冷是空分装置技术中密不可分的两个方面。通过精心的热力学设计——采用高效换热器、高效膨胀机和集成度高的精馏塔——现代空分装置能够以不断提高的能源效率实现所需的低温和高产品纯度。从紧凑型板翅式换热器到大型盘管式换热器,每种类型的换热器都经过精心选择,以满足严苛的使用要求,并有助于提高整体效率;同时,制冷循环确保以最小的能量损耗提供必要的冷却。逆流换热和等熵膨胀等关键原理是这些过程的基础,使热量传递和制冷过程以接近最佳的方式进行。

持续不断的创新致力于开发更优质的材料、更智能的控制系统和更精密的循环配置,以进一步提高效率。对于研究人员和工程师而言,热力学、设备设计和工艺优化在最大限度地提高低温空气分离过程中的热交换和制冷效率方面的相互作用仍然是一个极具吸引力的研究领域,值得进一步改进。数十年的发展成果是,如今的空气分离装置 (ASU) 已成为可靠、高度优化的系统,其运行效率接近理论极限——它们默默地完成低温空气分离过程中的热交换和制冷任务,从而大规模供应重要的工业气体。未来,持续的创新将进一步完善低温空气分离过程中的热交换和制冷系统,使其更接近理论效率极限。

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