Гельперин И.И, Зеликсон Г.М., Рапопорт Л.Л. Справочник по разделению газовых смесей методом глубокого охлаждения

Подождите немного. Документ загружается.

III

ОСНОВНЫЕ ЦИКЛЫ

ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ ЦИКЛЫ ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ,

ИХ ИЗОБРАЖЕНИЕ В Г —5-ДИАГРАММАХ

И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

В настоящем разделе приведены схемы холодильных циклов, применяемых

для охлаждения и сжижения газов и газовых смесей, а также изображение

этих циклов в Т—5-диаграммах.

Для сжижения газов, критическая температура которых значительно

ниже 0° С, применяются три способа:

1. Каскадный способ (рис.182) осуществлен в промышленном мас-

штабе только в последнее время. Являясь принципиально самым экономич-

ным способом сжижения газов, этот метод не получил большого распростране-

ния ввиду сложности аппаратурного оформления процесса. В лабораторных

условиях каскадным методом сжижен водород и гелий.

2. Способ, основанный на использовании дроссельного эффекта

(рис. 161—169). На этом способе построены циклы с однократным дроссели-

рованием, цикл с двумя давлениями, цикл с циркуляцией газа среднего давле-

ния. Все эти циклы используются с предварительным аммиачным охлаждением

или без него.

3. Способ, основанный на использовании адиабатического рас-

ширения газа с отдачей внешней работы (рис. 170—181). На этом способе

построены циклы Капицы и др.

Предложенные, но не нашедшие еще практического применения циклы

Усюкина и циклы Герша основаны на использовании второго и третьего спо-

собов.

Теоретически минимальная работа для получения 1 кг жидкого воздуха

при начальной температуре 20° С составляет:

Л^мин. = 0,19 квт-ч

при сжижении по циклу Карно

Л^карно = 0,305 квт-ч

При использовании каскадного метода сжижения (аммиак, этилен, метан,

азот)

^каск. =0,539 кьт-ч

Минимальный расход энергии, требуемой для разделения воздуха из

кислород и азот, составит при 290° К

^мин. = 0,014 квт-ч на 1 м^ воздуха

или

0,067 квт-ч на 1 М^ кислорода

Цикл с однократным дросселированием

(рис. 161)

Газ сжимается компрессором К до 200 атм, охлаждается водой в холо-

дильнике X, затем охлаждается в теплообменнике П за счет паров, оставшихся

после дросселирования (линия 2—3). Охлажденный газ дросселируется веити-

20&

///. ОСНОВНЫЕ циклы ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

лем В в сосуд О, где^ происходит отделение сжиженной части, выводимой из

установки как готовый продукт.

Рис. 161. Схема цикла с однократным дросселированием и изобра-

жение цикла в Г—5-диаграмме: компрессор высокого давления;

X — холодильник; П

—

теплообменник; В — дроссельный вентиль;

О—отделитель жидкости.

На рис. 162 приведены кривые, характеризующие экономичность этого

цикла для воздуха.

<\>

^ 18

-^80

^64

\40

\%32

^ 16

0,05

0.04

-%0,03

•к

-^0.02

0.0/

%В

• о

и.

20 40 60 80 ЮО 120 МО /60 /80 200

Р^Г/пм^

Рис. 162. Характеристика цикла с однократным дросселированием.

На рис. 162 и др. приняты следующие обозначения:

— теоретический расход энергии на получение 1 кг сжиженного воз-

духа, кбт-ч\кг\

Л'д—расход энергии на получение 1000 ккал холода при действительном

процессе, «в/п-ч/ЮОО ккал\

Ы^ — действительный расход энергии на 1 м^ получаемого кислорода

квт-ч/м^ О2;

Хд — количество сжиженного воздуха (кг) на 1 кг перерабатываемого воз-

духа, л-г/лгг;

цикл с ОДНОКРАТНЫМ ДРОССЕЛИРОВАНИЕМ

207

Дг'у — изотермический дроссельный эффект, ккал/кг",

^ — холодопроизводительность, ккал/кг;

Хд — потери холода;

Ед

— холодильный коэффициент — отношение холодопроизводительности

к затраченной работе;

— термодинамический к. п. д. детандера;

По

— адиабатический перепад при расширении в детандере.

Из кривых, приведенных на рис. 162, следует, что с увеличением давления

растет холодильный коэффициент, изотермический дроссельный эффект и коли-

чество сжиженного воздуха на 1 кг перерабатываемого воздуха.

Расход же энергни на получение 1 кг сжиженного воздуха с повышением

давления уменьшается.

При расчетах в данном цикле, как и в последующих, принято:

1. Температура воздуха, поступающего на установку, -|-30°С.

2. Потеря холода через изоляцию 1,35 ккал\кг.

3. Недорекуперация в основных теплообменниках 5° С.

4. Недорекуперация в аммиачном теплообменнике 5—10° С.

5. Температура газа после аммиачных теплообменников 45° С.

6. Изотермический к. п. д. компрессора 0,59.

7. Адиабатический к. п. д. компрессора 0,66.

Цикл с однократным дросселированием и предварительным

аммиачным охлаждением

(рнс. 163)

Как и в предыдущем цикле, газ сжимается до 200 атм, но, в отличие от

него, в данной схеме газ после водяного холодильника X поступает в предва-

Рг

П,

Рис. 163. Схема цикла с однократным дросселиоованнем и предва-

рительным аммиачным охлаждением и изображение цикла в

Г— 5-диаграмме:

Л" —

компрессор высокого давления; X

—

холодильник;

—

предвари-

тельный теплоо0менник; Я^

—

аммиачный теплообменник; Яз

—

основной

теплообменник; В— дроссельный вентиль; О —отделитель жидкости.

рительный теплообменник /7], где охлаждается обратными газами (линия 2—2^),

затем газ поступает в аммиачный теплообменник Я2, где охлаждается кипя-

208

т. ОСНОВНЫЕ циклы ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

щим под вакуумом аммиаком до минус 20—45°С (линия 2'—3); только после

этого газ поступает в основной теплообменник /7^, где дополнительно охлаж-

дается обратными газами (линия 3—4). Вентилем в газ дросселируется до 1 атм

в отделитель жидкости О.

7.5

7.0

В.5

6.0

5.5

5.0

2.0

1.5

!.0

0.5

- 80

- 6!

\48

- о,2и

- 0.18

- 0.16

- 0.14

- 0.12

-^0,08

0.06

0.04

0.02

го

\ \

\ у

' и

^ /

20 40 60 80 ЮО 120

Р.

пГ/см^

т >60 180 200

Рис. 164. Характеристика цикла с однократным дросселированием и с аммиачным

охлаждением.

На рис. 164 приведены кривые, характеризующие экономичность этого

цикла для воздуха. Как следует из рис. 164, при использовании аммиачного

холода значительно повышается изотермический дроссельный эффект и умень-

шается расход энергии на получение 1 кг сжиженного воздуха. Расход энер-

гии на аммиачный компрессор принят равным 1 л. с.-ч, или 632,2 ккал1час.

Цикл с дросселированием и циркуляцией газа среднего давления

(рис. 165)

Газ сжимается в компрессоре К1 до оптимального давления, определяемого

расчетом. После этого к нему добавляется циркулирующий газ того же дав-

ления. Смесь газов сжимается в компрессоре К^ до 200 атм. Охлажденный

обратными газами-в теплообменнике П газ высокого давления дросселируется

вентилем Вх в отделитель жидкости О^, откуда в количестве (1 — М) килограм-

мов направляется во всасывающую линию компрессора К^, рекуперируя свой

холод. Сжиженная часть газа в количестве М килограммов дросселируется

вентилем В2 в отделитель жидкости О.^. Здесь и в следующих схемах ком-

прессор условно показан одноступенчатым и без холодильников.

Характеристика этого цикла для сжижения воздуха, в зависимости от доли

циркулирующего воздуха, приведена на рис. 166.

Верхний пучок кривых относится к циклу без предварительного охлажде-

ния, а нижний пучок—к циклу с предварительным аммиачным охлаждением. Работа

сжатия воздуха рассчитана по формуле изотермического процесса с к. п. д. 0,59.

цикл с ДРОССЕЛИРОВАНИЕМ И ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ГАЗА

209

2,М ,1

—

Воздух Высокого давления

—

Воздух среднего давления

Воздух низкого давления

Рис. 165. Схема цикла с дросселированием и с цирку.'1дцией газа среднего давле-

ния и изображение цикла з Г—5-диаграмме:

Я!—компрессор низкого давления; компрессор высокого давления; Л—теп-

лообменник; Ор Оа—отделители жидкости; В„

—

дроссельные вентили.

20 40 60 80 ШО 120 МО 160

Р^.нГ/см^

Рис. 166. Характеристика цикла с дросселированием и с циркуля-

цией газа среднего давления.

14 Зак. 4059. Справочник.

20&

///.

ОСНОВНЫЕ циклы ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

—

воздух вь/соного давления

•=»•

воздух низного давления

===

/1тмос/рерньш воздух

Продунты разделения из молонш

Рис. 167. Схема цикла с 2 давлениями и изображение цикла

в Г—5-Диаграмме:

Л^!

—компрессор низкого давления; Я, —компрессор высокого

давления; Я1—теплообменник низкого давления; Я^ —тепло-

обменник высокого давления; Р

—

ректификационная колониа;

—

дроссельный вентиль.

ЮО 120 140

Р, нГ/см^

Рис. 168. Характеристика цикла с двумя давлениями.

цикл с ДВУМЯ ДАВЛЕНИЯМИ

2П

Цикл с двумя давлениями

(рис. 167)

Газ, сжатый в компрессоре К^ до Р^ атм, частично (в количестве М ки-

лограммов) охлаждается в теплообменнике Я^ и поступает в ректификацион-

ную колонну Я; часть газа в количестве (1—Щ килограммов сжимается

0,50

20 40 80 80 /00 120 140 160 Ш 200

Р.

кГ/см^

Рис. 169. Характеристика цикла с двумя давлениями.

В компрессоре К.^ до Яд атм, охлаждается в теплообменнике Пч н дроссели-

руется вентилем В в ректификационную колонну. Продукты разделения от-

дают свой -ХОЛОД в теплообменниках П^ и П^.

На рис. 168 представлены кривые, характеризующие экономичность этого

цикла без применения аммиачного охлаждения, а на рис. 169 — с применением

аммиачного охлаждения.

Цикл с расширением в детандере на среднем температурном уровне

(рис. 170)

Газ сжимается компрессором К до 200 атм, охлаждается обратными

газами в теплообменнике Пу после чего разделяется на два потока. Один

поток (в количестве М килограммов) направляется в теплообменники Щ и П^

для дальнейшего охлаждения; другой поток [в количестве (1—М) килограм-

.мов] расширяется в детандере и под атмосферным давлением поступает в теп-

лообменники Я2 и П1 для рекуперации своего .холода. Газ высокого давления

после охлаждения в теплообменнике Яа дросселируется вентилем В в отдели-

тель жидкости О.

Цикл с двукратным расширением в детандерах

(рис. 171)

В целях предотвращения частичного сжижения газа в детандере, что

может вызвать гидравлический удар, применяют двойное расширение газа

в компаунд-детандере.

В детандере Дх производят частичное расширение газа до темпера'гуры,

близкой к критической или ниже ее.

14*

212

т. ОСНОВНЫЕ циклы ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

- Воздух Высокого

давления

•=•

Воздух ниэтго

давления

Рис. 170. Схема цикла с расширением в детандере на среднем темпера-

турном уровне и изображение цикла в Г—5-диаграмме:

Я—компрессор высокого давления; Я,, Я,, Я3—теплообменникн; Д—де-

тандер; О—отделитель жидкости; В—дроссельный вентиль.

Рис. 171. Схема цикла с,двукратным гасширеннем в детандерах

и изображение цикла н

Г —

5-диаграмме:

Я —компрессор высокого давления; П

—

теплосбмекник; С,, С^—кон-

денсаторы; Д,, Д, —компаунд-детандер; 5 —дроссельный вентиль;

О, и

О2 —

отделители жидкости.

циклы

с РАСШИРЕНИЕМ В ДЕТАНДЕРЕ

210

После этого расширенный газ подогревается в конденсаторе С2, конден-

сируя при этом газ высокого давления, и направляется в детандер Д^, где

расширяется (до 1 атм). Из детандера Д^ газ поступает в конденсатор С^, где

Отдает свой холод, конденсируя газ высокого давления.

Цикл с расширением в детандере на высоком

температурном уровне

(рис. 172)

В данном цикле воздух высокого давления разделяется на два потока: один

поток (в количестве М килограммов) направляется в теплообменники П^ и П^

для охлаждения, а другой — поступает в детандер, расширяется до 1 атм и

затем рекуперирует свой холод в теплообменнике П^. Детандер работает на

более высоком температурном уровне, поэтому устраняются все трудности,

связанные с работой машин при низких температурах.

Л/ Р!

Л!

I] "

• Воздух высомоео

давления

• воздух низпоео

дадления

Рис. 172. Схема цикла с расширением в детандере на высоком температурном

уровне и изображение цикла в Г —5-диаграмме:

Л^

—компрессор высокого давления; Д —детандер; Я,, Я, —теплообменники;

—

дроссельный вентиль; О—отделитель жидкости.

На рнс. 173 приведены кривые, характеризующие экономичность цикла

с расширением в детандере. При расчете были приняты следующие коэф-

фициенты:

1. Коэффициент полезного действия детандера для начальной температуры

перед детандером:

при ^< — 30° с

Чо

= 0,65,

при ; > + 30° С

^0 = 0,7.

2. Изотермический к. п. д. компрессора

^язотерм = 0'59.