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

Подождите немного. Документ загружается.

20&

///.

ОСНОВНЫЕ циклы ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

ги

П 25 50 75 ЮО 125 150 /75 200

Р. а та

Рис. 173. Характеристика циклов с расширением в детандере: холад,

полученный в компрессоре, =

(1 — Л1)

холод, развиваемый в детандере,

<?=<?!+ (?з—с6щее|_количество;получаемого холода.

п,

7 ру

П;

и к

Рис. 174, Схема цикла с расширением в детандере на обратном потоке

и изображение цикла в Т—5-диаграмме:

/Г—воздушный компрессор; Д—детандер; Л1, Я,—теплообменники;

О—отделитель жидкости; Д—дроссельный вентиль.

циклы с РАСШИРЕНИЕМ В ДЕТАНДЕРЕ

215

Цикл с расширением в детандере на обратном потоке

(рис. 174)

В данном цикле применяется тоже адиабатическое расширение с отдачей

внешней работы, но так как процесс сжижения и разделения ведется под

повышенным давлением, то перепад давления в детандере используется на

обратном потоке (линия 7—8).

Дросселирование газа производится с 200 атм до 6—7 атм', температура

перед детандером —60° С.

Цикл Капицы низкого давления с расширением в детандере

на низком температурном уровне

(рис. 175)

Этот цикл был разработан П. Л. Капица и в последнее время получил

широкое применение. Воздух, сжатый до 5—6 атм, проходит теплообменник Я

и затем разделяется на два потока: один поток направляется в конденсатор С,

а другой—постз'пает в турбодетандер Д, где расширяется до 1 атм, и затем

Рг

и\1 г

до

0^6

2 /

Рис. 175. Схема цикла низкого давления с расширением

в детандере на низком температурном уровне (П. Л. Ка-

пица) и изображение цикла в Г —5-диаграмме:

Я —компрессор низкого давления; Я

—

теплообменник;

Л — турбодетандер; С—конденсатор; В — дроссельный

вентиль;

—сборник.

идет В конденсатор С, отдавая свой холод воздуху, конденсирующемуся в

межтрубном пространстве конденсатора С.

Жидкий воздух дросселируется вентилем В в сборник О.

Циклы Герша и Усюкина с расширением в детандере

С. Я. Герш предложил ряд комбинированных циклов глубокого охлажде-

ния, представляющих пока только теоретический интерес.

Теоретически расход энергии в разделительных агрегатах, основанных на

предложенных С. Я. Гершем циклах, снизится на 20—30%.

Некоторые из циклов, предложенных С. Я. Гершем, представлены на

рис. 176—180; для большей экономичности процесса применяется предваритель-

ное охлаждение воздуха с помощью аммиачной холодильной машины.

20&

///. ОСНОВНЫЕ циклы ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Рис. 176. Схема цикла с циркуляцией детандерного воздуха (С. Я- Герша)

и изображение цикла в Т—5-диаграмме:

/С,— компрессор низкого давления;

/С,

—компрессор высокого давления; Д—де-

тандер; П1,

П., —

теплообменни.ш;

О —

отделитель ж^1Дкости; В

—

дроссельный

вентиль.

^ л

^ г

Рис. 177. Схема цикла с циркуляцией детандерного воздуха и ам-

миачным охлаждением (С. Я. Герша) и изображение цикла в

Г—5-диаграмме:

К, —компрессор низкого давления; Я, —компрессор высокого

давления; П^, П, и Я, —теплообменники; Я, —аммиачный теплооб-

менник; Д—детандер; В

—

дроссельный вентиль;

О —

отделитель

жидкости.

циклы

с РАСШИРЕНИЕМ В ДЕТАНДЕРЕ

217

3 2 /

Рис.|Л78. Схема цикла высокого и низкого давления с детандером на

низком давлении и аммиачным охлаждением (С. Я. Герша) и изобра-

жение цикла в Г—5-диаграмме:

Кх —

компрессор низкого давлениз; к%—компрессор высокого давле-

ииз;

Я1 —

аммиачный теплообменник; Д

—

детандер; Яо, Яд—теплооб-

менники;

—отделитель жидкости.

Рис. 179. Схема цикла с детандером и аммиачным охлаждением

(С. Я- Герша) и изображение цикла в Г—5-диаграмме:

—компрессор высокого давления; Я,, Я^, Я» —теплообменники;

Я,—аммиачный теплообменник; В

—

дроссельный венти.чь;

—от-

делитель жидкости.

218

т. ОСНОВНЫЕ циклы ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

о 20 40 ВО 80 ШО 120 140 ШО 180 Ш

ела с детандер

(С. Я. Герш).

Рис. 180. Характеристики цикла с детандером и аммиачным охлаждением

" " - п).

3 2 /

Оысаиое давление

Среднее давление

Атмоссрерте давление

Рис. 181. Схема цикла с высоким и средним давлением и двумя де-

тандерами иа среднем давления (И. П. Усюкииа) и изображение цикла

в Т—5-диаграмме:

Я,

—

компрессор низкого давления; К^

—

компрессор высокого давле-

ния; Д,—детандер иа высоком температурном уровне; А—детандер

на низком температурном уровне; П^, Л^ —теплсобменинки; 5 —дрос-

сельный вентиль:

—отделитель жидкости.

КАСКАДНЫЙ ЦИКЛ

219

Рис. 182. Схема каскадного цикла:

/С, —

аммиачный компрессгр; Я, —этиленовый компрессор; Яа —метановый компрессор; азот-

ный компрессор; Л; —теплообме1ннк для аммиака и этилена; Лз —теплообменник для эти-

лена и метана:

//3

—теплообменник для метана и азота; В,, В^, В^ В, —дроссельные вентили; С„

С2,Сз

—ксвденсатсры-нсиарители для хладоагеьтсв;

С,

—отделитель жидкого азота.

О 25 50 75 ЮО /25 150 /75 200

Р, иГ/см^

Холодопроизводитемьность

Расход энергии на 1нг

жидного воздуха

Рис. 183. Сравнительная характеристика основных циклов глубокого охлаждения:

/ — цикл с однократным дросселированием р = — Д1у; Л —цикл

однократным дросселированием

и аммиачным охлаждением р =

—

Д1у; Л/ —цикл с расширением в детандере С =

—

+ (1—ЛоТ)о; /V—цикл с детандером н аммиачным охлаждением р= —Дг'у 4-

—Ж)й„т)г,.

20&

///. ОСНОВНЫЕ циклы ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

и. п. Усюкиным предложен цикл с высоким и средним давлениями,

в котором используются два детандера, работающие на высоком и низком

температурных уровнях (рис. 181).

В последнее время для разделения воздуха начал применяться каскадный

метод, имевший до настоящего времени только теоретическое значение. Схема

каскадной установки для сжижения азота представлена на рис. 182.

Аммиак сжижается при давлении 10 атм и при температуре окружаю-

щего воздуха; этилен сжижается при давлении 19 атм и температуре, соот-

ветствующей температуре кипения аммиака под атмосферным давлением;

метан сжижается при давлении 25 атм и температуре, соответствующей тем-

пературе кипения этилена под атмосферным давлением; азот сжижается при

давлении 18,6 атм и температуре, соответствующей температуре кипения

метана под атмосферным давлением.

Установки, работающие по данной схеме, сложны в эксплуатации, но эко-

номичны по расходу энергии.

На рис. 183 представлена сравнительная характеристика основных циклов

глубокого охлаждения.

Холодопроизводительность и расход энергии для получения 1 кг жидкого

воздуха даны в зависимости от его давления.

Расчеты произведены нз условия, что к. п. д. воздушного компрессора соста-

вляет 0,59, а к. п. д. детандера 0,65.

Расширение в детандере происходит до 6 атм.

На рис. 184 представлена сравнительная характеристика отдельных циклов

для получения 1 м^ газообразного кислорода в различных установках.

'У

0.6-

0.4 -

Р,ата

Рис. 184. Расход энергии для получения 1 м^ газообразного

кислорода в различных установках:

7 —

установка с однократным дросселированием и с двукратной

ректификацией; //—установка с однократным дросселирова-

нием и предварительным аммиачным охлаждением и с дву-

кратной ректификацией; ///

—

установка с расширением з де-

тандере ка среднем температурном уровне и с двукратной

ректификацией; /V—установка с дросселированием с двумя

давлениями; V—установка с дросселированием с двумя дав-

лениями и с аммиачным охлаждением; VI

—

установка с реге-

нераторами; У//—устаковка с детандером и аммиачным охла-

ждением и с разрезной колонкой.

При расчете приведенных циклов приняты одинаковые холодопотери, а также

равные к. п. д. детандера и компрессора, что не всегда соответствует действи-

тельным значениям к. п. д. в различных установках.

ОСНОВНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ

221

Таблица 122

Основные холодильные циклы разделения воздуха

Цикл

Основные рабочие параметры

Назначение н производи-

тельность

С однократным дрос-

селированием воз-

духа

Конечное давление сжатия воз-

духа

в пусковой период 200 атм

в установившийся период

50—80 атм

Для получения газооб-

разного кислорода

Производительность —

до 250 м^ кислорода

в час

С однократным дрос-

селированием воз-

духа и предвари-

тельным аммиач-

ным охлаждением

Температура предварительного

охлаждения воздуха

40 : 45° С

Конечное давление сжатия воз-

духа

в пусковой период

150—200 атм

в установившийся период

20—60 атм

Для получения газооб-

разного азота

Производительность

500—750 жз азота

в час

С расширением воз-

духа в детандере

на среднем темпе-

ратурном уровне

Количество воздуха, подавае-

мого в детандер, — 80% от

перерабатываемого

Конечное давление сжатия воз-

духа 15—40 атм

Температура воздуха на входе

в детандер —80° С

Для получения газооб-

разного кислорода

)

С расширением в де-

тандере на высо-

ком температурном

уровне

Количество воздуха, подавае-

мого в детаидер, —60% от

перерабатываемого

Конечное давление сжатия воз-

духа 200 атм

Температура воздуха на входе

в детандер около —2° С

Для получения жидкого

кислорода

Производительность

500 кг жидкого кис-

лорода в^час

Низкого давления с

расширением в

турбодетаидере на

низком темпера-

турном уровне

Конечное давление сжатия воз-

духа 6 атм

Температура воздуха на входе

в турбодета)1дер 0° С

Для^получения жидкого

кислорода и воздуха,

а также газообразного

кислорода

20&

///.

ОСНОВНЫЕ циклы ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

На рис. 185 представлена зависимость интегрального и изотермического

дроссельных эффектов от начального давления и температуры предваритель-

ного охлаждения газа (от +30° С до^ — 50° С).

25 50 75 ШО 125 150 т с

начальное давмвше, пг/см^

Рис. 185. Интегральный и изотермический дроссельный эффект для

воздуха.

В табл. 122 приведены холодильные циклы, нашедшие применение в про-

мышленности, и их основные рабочие параметры и производительность.

СХЕМЫ

ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВОК