Молодежникова Л.И. Технологические энергоносители промышленных предприятий. Часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

161

Вопросы к разделу «Холодоснабжение»

1. Какие типы холодильных установок вы знаете?

Что называется хладагентом, а что хладоносителем?

Какие основные виды теплопритоков вы знаете?

Какие параметры являются основными при выборе холодильного

агрегата?

Как производят выбор типа и количества холодильных установок

(поэтапно)?

Какие основные недостатки централизованного холодоснабжения

вы знаете?

В чем заключается основное преимущество батарейного охлажде-

ния?

В чем отличие между идеальным и реальным циклом пароком-

прессионной холодильной установки?

Какие преимущества у двухступенчатой парокомпрессионной хо-

лодильной установки?

10.

Почему воду как хладагент в компрессионных установках не при-

меняют?

11.

Назовите основные части парового эжектора.

12.

Чем отличаются эжекторы холодильных установок от струйных

компрессоров – инжекторов?

13.

Каким основным преимуществом обладают абсорбционные холо-

дильные установки?

14.

Как изменяется тепловой коэффициент идеального цикла абсорб-

ционной установки с повышением температуры генерации Т

температуры испарения Т

15.

Где применяют абсорбционные холодильные установки?

16.

Для чего используют газовую холодильную машину с регенера-

цией тепла?

17.

В чем заключается основной недостаток термоэлектрических хо-

лодильных машин?

18.

Какие виды систем холодоснабжения вы знаете?

162

Литература

Богословский В.Н., Кокорин О.Я. Кондиционирование воз-

духа и холодоснабжение. – М.: Стройизда, 1985. – 368 с.

Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная

техника. Свойства веществ: справочник. – М.: Агропромиздат, 1965.

Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и ох-

лаждения: сборник задач. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 200 с.

Явнель Б.К. Курсовое и дипломное проектирование холо-

дильных установок и систем кондиционирования воздуха. – 3-е изд., пе-

рераб. и доп. – М.: Агропромиздат, 1989. – 223 с.

Мальгина Е.В., Мальгин Ю.В., Суедов В.П. Холодильные

машины и установки. – М.: Пищевая промышленность, 1980.

Доссат Р.Дж. Основы холодильной техники / Пер. с англ. –

М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984.

Теплофизические основы получения искусственного холода:

справочник. – М.: Пищевая промышленность, 1980.

Холодильные машины / под общей ред. И.А. Сакуна. – Л.

Щербин В.А., Гринберг Я.И. Холодильные станция и уста-

новки. – М., 1979.

163

Раздел 4. Производство продуктов разделения воздуха

1 Состав атмосферного воздуха и его свойства

Атмосферный воздух по его химическому составу представляет со-

бой смесь газов, имеющих различную температуру кипения. Различают

постоянные, переменные и случайные свойства воздуха.

По постоянным компонентам состав воздуха характеризуется сле-

дующими цифрами:

Газ Объемное содержание,

в %

Температура

кипения, К

Азот 78,09 71,4

Кислород 20,95 90,2

Аргон 0,93 87,3

Диоксид углерода 0,03 194,7

Неон 1,8*10

-3

Гелий 5,2*10

-4

4,3

Криптон 1,0*10

-4

119,8

Ксенон 8,0*10

-6

165

Водород 5,2*10

-5

20,4

Состав воздуха по постоянным компонентам одинаков до 100 км по

высоте и над любой точкой земной поверхности. К переменным состав-

ляющим относятся углекислый газ и водяной пар. Содержание углеки-

слоты изменяется в пределах ±0,01 % от средней величины 0,03 % (по

объему).

Содержание водяного пара в воздухе зависит от метеорологических

условий в данный момент (температуры,

барометрического давления,

скорости направления ветра), а также наличия источников испарения

воды и колеблется в больших пределах: от малых долей до 4% (по мас-

се).

К случайным составляющим относятся твердые и газообразные

примеси, а также пары и капельки жидкостей, происхождение которых

определяется производственной деятельностью человека, выбросами

природных газов в атмосферу, распылением горных пород

и почвы и

т. п.

164

2 Промышленное применение продуктов разделение

воздуха

2.1 Пути применения кислорода

Сейчас в нашей стране только черная металлургия поглощает свы-

ше 60% получаемого кислорода. Но кислород используется еще и в

цветной металлургии.

Кислород интенсифицирует не только пирометаллургические про-

цессы, но и гидрометаллургические, где основной процесс извлечения

металлов из руд или их концентратов основан на воздействии специаль-

ных реагентов на водные растворы.

Кислород находит широкое применение в химической промыш-

ленности. На нужды этой отрасли в нашей стране расходуется около

30 % производимого кислорода. Замена воздуха на кислород в процессе

производства серной кислоты контактным способом повышает произ-

водительность установки в пять-шесть раз. Но не только в этом заклю-

чается выгода от применения кислорода вместо воздуха. Чистый кисло-

род позволяет получить 100%-й оксид серы без проведения дополни-

тельных трудоемких операций, которые необходимы при использова-

нии воздуха в качестве окислителя.

При получении азотной кислоты способом каталитического окис-

ления аммиака в качестве окислителя также используется кислород. Ес-

ли содержание его в воздухе повысить до 25 %, то производительность

установки возрастает в два раза.

При участии кислорода в процессе термоокислительного крекинга

в больших масштабах получают ацетилен, который широко использует-

ся для резки и сварки металлов и для синтезов органических веществ.

Кислород применяется для получения высоких температур. Если

сжигать водород в токе кислорода, то при образовании 1 моль воды вы-

деляется 286,3 кДж, а 2 моль – 572,6 кДж. Это же колоссальная энергия!

Высокие температуры, достигаемые в пламени таких горелок (до

3000 °С), используются для резки и сварки металлов.

Кислород служит и в космосе. Так, в двигателе второй ступени

американской космической ракеты «Центавр» окислителем служил

жидкий кислород. Кислород широко применяется и в ракетах для раз-

личных высотных исследований.

Жидкий кислород входит в состав взрывчатых веществ. Длитель-

ное время для различных взрывных работ применяли аммониты и дру-

гие азотсодержащие взрывчатые вещества. Их использование представ-

ляло определенные трудности, например сложность и опасность транс-

165

портировки, необходимость строительства складов. В настоящее время

взрывчатые вещества с жидким кислородом можно изготовить на месте

употребления. Любое пористое горючее вещество (опилки, торф, сено,

солома), будучи пропитанным жидким кислородом, становится взрыв-

чатым. Такие вещества называются оксиликвитами и при необходимо-

сти могут заменить динамит при разработке рудных месторождений.

Кислород применяется в медицине, в авиации. В лечебной практи-

ке при легочных и сердечных заболеваниях, когда затруднено дыхание,

больным дают кислород из кислородных подушек, помещают их в спе-

циальные палаты, в которых поддерживается необходимая концентра-

ция кислорода. Один вдох кислорода человеком равносилен пяти вдо-

хам воздуха. Таким образом, при вдыхании этот газ не только поступает

в организм больного в достаточном количестве, но и сберегает силы для

самого процесса дыхания. Кроме этого, подкожное введение кислорода

оказалось эффективным при лечении некоторых заболеваний, например

гангрены, тромбофлебита, слоновости и тропических язв.

2.2 Применение азота

Благодаря своей относительной инертности азот особенно подхо-

дит для защиты продуктов, портящихся (окисляющихся) под воздейст-

вием кислорода. В пищевой промышленности к атмосфере азота часто

прибегают как к средству предотвращения контакта с кислородом воз-

духа, способным привести к порче пищевого продукта или к потере ес-

тественного запаха. В химической, нефтяной и лакокрасочной промыш-

ленности азотная газовая подушка применяется для сохранения чистоты

продукта и для предотвращения возгорания и взрыва в ходе технологи-

ческой обработки. В электронной промышленности газообразным азо-

том продувают для вытеснения воздуха баллоны электронных ламп и

корпуса полупроводниковых приборов перед их завариванием и герме-

тизацией. Азот применяется для создания контролируемой атмосферы

при отжиге и термообработке, для продувки расплавленного алюминия

в целях удаления растворенного водорода и для очистки вторичного

алюминия (скрапа). В электротехнике часто применяется атмосфера

азота повышенного давления для поддержания высокого сопротивления

изоляции и для увеличения срока службы изоляционных материалов.

Пространство для расширения в маслонаполненных трансформаторах

обычно заполняют азотом. Жидкий азот широко применяется для охла-

ждения как в промышленности, так и в научных исследованиях, в част-

ности в экологических тестах.

166

Жидкий азот применяется как хладагент и для криотерапии. Газо-

образный используется для создания нейтральной атмосферы, иногда

для закачки в автомобильные шины.

Однако главной областью применения азота является его использо-

вание для дальнейшего синтеза самых разнообразных соединений, со-

держащих азот, таких, как аммиак, азотные удобрения, взрывчатые ве-

щества, красители и т. п. Большие количества азота используются в

коксовом производстве («сухое тушение кокса») при выгрузке кокса из

коксовых батарей, а также для «передавливания» топлива в ракетах из

баков в насосы или двигатели.

2.3 Области применения аргона

Как самый доступный и относительно дешевый инертный газ аргон

стал продуктом массового производства, особенно в последние десяти-

летия. Наибольшая часть получаемого аргона идет в металлургию, ме-

таллообработку и некоторые смежные с ними отрасли промышленно-

сти.

В среде аргона ведут процессы, при которых нужно исключить

контакт расплавленного металла с кислородом, азотом, углекислотой и

влагой воздуха. Аргонная среда используется при горячей обработке

титана, тантала, ниобия, бериллия, циркония, гафния, вольфрама, урана,

тория, а также щелочных металлов. В атмосфере аргона обрабатывают

плутоний, получают некоторые соединения хрома, титана, ванадия и

других элементов (сильные восстановители).

Продувкой аргона через жидкую сталь из нее удаляют газовые

включения. Это улучшает свойства металла. Все шире применяется ду-

говая электросварка в среде аргона. В аргонной струе можно сваривать

тонкостенные изделия и металлы, которые прежде считались трудно-

свариваемыми.

Электрическая дуга в аргонной атмосфере внесла переворот в тех-

нику резки металлов. Процесс намного ускорился, появилась возмож-

ность резать толстые листы самых тугоплавких металлов. Продуваемый

вдоль столба дуги аргон (в смеси с водородом) предохраняет кромки

разреза и вольфрамовый электрод от образования окисных, нитридных

и иных пленок. Одновременно он сжимает и концентрирует дугу на ма-

лой поверхности, отчего температура в зоне резки достигает

4000–6000 °С. К тому же, эта газовая струя выдувает продукты резки.

При сварке в аргонной струе нет надобности во флюсах и электродных

покрытиях, а стало быть, и в зачистке шва от шлака и остатков флюса.

167

Аргон хорошо подходит для заполнения (с добавкой азота) ламп

накаливания. Обладая низкой теплопроводностью, аргон допускает бо-

лее высокие температуры нити, что повышает световую отдачу лампы, а

его значительная молекулярная масса затрудняет испарение металла из

раскаленной вольфрамовой нити. В результате увеличивается срок

службы лампы. Аргоном, чистым или в смеси с другими газами, запол-

няют также люминесцентные лампы, как осветительные (с термокато-

дом), так и рекламные (с холодным катодом). Кроме того, он применя-

ется в производстве высокочистых полупроводниковых материалов

(германия и кремния) для изготовления транзисторов.

2.4 Применение неона, криптона и ксенона

Все эти три газа обладают повышенной способностью к ионизации,

т. е. они становятся электропроводящими при значительно меньших на-

пряжениях, чем большинство других газов. Будучи ионизованы, эти га-

зы, так же как аргон и гелий, испускают яркий свет, каждый своего цве-

та, а потому используются в лампах для рекламного освещения. В элек-

тронной промышленности эти редкие газы применяются для заполнения

особых видов электронных ламп – стабилитронов, стартеров, фотоэле-

ментов, тиратронов, ультрафиолетовых стерилизационных ламп и счет-

чиков Гейгера. В атомной промышленности ими наполняют ионизаци-

онные и пузырьковые камеры и другие устройства для исследования

субатомных частиц и измерения интенсивности проникающего излуче-

ния.

Смесь неона и гелия (He) используют в качестве рабочей среды в

газовых лазерах. Трубки, заполненные смесью неона и азота (N)(так на-

зываемые неоновые трубки, содержащие около 10 объемных % неона),

при пропускании через них электрического разряда испускают красное

свечение и широко используются в рекламе.

Криптон также нашел применение в производстве сверхмощных

эксимерных лазеров(Кr-F). Фториды криптона предложены в качестве

окислителей ракетного топлива и в качестве компоненты для накачки

боевых лазеров. Помимо этого криптон используется в качестве запол-

нения пространства между стеклами в стеклопакете для придания стек-

лопакету повышенных теплофизических и звукоизоляционных свойств.

Несмотря на высокую стоимость, ксенон незаменим в ряде случаев:

 Радиоактивные изотопы (

127

Xe,

133

Xe,

137

Xe, и др.) применя-

ют в качестве источников излучения в радиографии и для ди-

агностики в медицине, для обнаружения течи в вакуумных ус-

тановках.

168

 Фториды ксенона используют для пассивации металлов.

 Ксенон как в чистом виде, так и с небольшой добавкой па-

ров цезия-133, является высокоэффективным рабочим телом

для электрореактивных (главным образом – ионных и плаз-

менных) двигателей космических аппаратов.

 С конца XX века ксенон стал применяться как средство для

общего наркоза, в качестве лечебного наркоза эффективно

применяется для снятия острых абстинентных состояний и ле-

чения наркомании, а также психических и соматических рас-

стройств.

 Жидкий ксенон иногда используется как рабочая среда ла-

зеров.

 Фториды и оксиды ксенона предложены в качестве мощ-

нейших окислителей ракетного топлива, а так же в качестве

компонентов газовых смесей для лазеров.

 В изотопе ксенон-129 возможно поляризовать значительную

часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправлен-

ными спинами – состояния называемого гиперполяризацией.

2.5 Применение водорода, гелия и углекислого газа

Водород применяется главным образом в химической промышлен-

ности для производства хлороводорода, аммиака, метанола и других ор-

ганических соединений. Он используется при гидрогенизации масел, а

также угля и нефти (для превращения низкосортных видов топлив в вы-

сококачественные). В металлургии с помощью водорода восстанавли-

вают некоторые цветные металлы из их оксидов. Водород используют

для охлаждения мощных электрогенераторов. Изотопы водорода нахо-

дят применение в атомной энергетике. Водородно-кислородное пламя

применяется для резки и сварки металлов.

Уникальные свойства гелия широко используются в промышлен-

ности и народном хозяйстве:

 в металлургии в качестве защитного инертного газа для вы-

плавки чистых металлов

 в пищевой промышленности зарегистрирован в качестве

пищевой добавки E939, в качестве пропеллента и упаковочного

газа

 используется в качестве хладагента для получения сверх-

низких температур (в частности, для перевода металлов в

сверхпроводящее состояние)

 для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли)

169

 в дыхательных смесях для глубоководного погружения

 для наполнения воздушных шариков и метеорологических

зондов

 для заполнения газоразрядных трубок

 в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реак-

торов

 в качестве носителя в газовой хроматографии

 для поиска утечек в трубопроводах и котлах

 как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах

 нe активно используется в технике нейтронного рассеяния в

качестве поляризатора и наполнителя для позиционно-

чувствительных нейтронных детекторов

 для изменения тембра голосовых связок (эффект повышен-

ной тональности голоса) за счет различия плотности обычной

воздушной смеси и гелия.

Углекислый газ используется в пищевой промышленности как кон-

сервант и обозначается на упаковке под кодом Е290, а также в качестве

разрыхлителя теста.

Баллоны с жидкой углекислотой широко применяются в качестве

огнетушителей и для производства газированной воды и лимонада. Уг-

лекислый газ используется в качестве активной среды при сварке про-

волокой так как при температуре дуги углекислота разлагается на угар-

ный газ СО и кислород который в свою очередь и входит в взаимодей-

ствие с жидким металлом окисляя его. Углекислота в баллончиках при-

меняется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для

двигателей в авиамоделировании.

Твёрдая углекислота – сухой лёд – используется в качестве хлада-

гента в ледниках и морозильных установках.

3 Методы ожижения воздуха

3.1 Термодинамические основы ожижения

Промышленные воздухоразделительные установки предназначены

для извлечения из атмосферного воздуха кислорода, азота и инертных

газов – аргона, криптона, ксенона и неона – в газообразном или жидком

состоянии. При этом используется метод низкотемпературной ректи-

фикации. Необходимым условием низкотемпературной ректификации

170

является ожижение воздуха и поддержание низкой температуры в

разделительном аппарате. Применяемый для этих целей криогенный

процесс основан на использовании разделяемого воздуха в качестве

рабочего тела. Обобщенная схема криогенного процесса и его изо-

бражение на диаграмме представлены на рис 1. Доля жидкости у, полу-

чаемой из 1 кг сжатого воздуха, и количество отводимого тепла опре-

деляются из энергетического баланса процесса:

(1 )

тдни

ож н

hMhhq

 





(1)

где

h

– изотермический дроссель-эффект, равный

hh

;

h

–

разность энтальпий обратного потока, определяемая недорекуперацией

и равная

hh ;

ож



– разность энтальпий атмосферного и ожиженно-

го воздуха

hh ;

h

– холодопроизводительность 1 кг воздуха, рас-

ширяемого в детандере, равная



; М и 1-М – части расхода ожи-

жаемого газа.

Начальное состояние газа (точка 1) соответствует условиям окру-

жающей среды р

..со

и Т

..со

В дальнейшем рассматриваются случаи, когда

начальная температура газа Т

..со

выше критической (Т

..со

> Т

кр

), так как

при Т

..со

< Т

кр

ожижение не сопряжено с техническими трудностями и

может быть достигнуто обычным изотермическим сжатием. Начальное

давление р

..со

= 10

Па для всех газов, используемых в технике низких

температур, ниже критического. Охлаждение газа, находящегося в со-

стоянии 1, по линии р

..со

= const протекает с отводом теплоты путем ис-

пользования холодильной или криогенной установки. При этом темпе-

ратура воздуха будет снижаться вплоть до состояния (линия 1–2).