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

Подождите немного. Документ загружается.

171

При дальнейшем отводе теплоты (р

..со

= const, линия 2–3), темпера-

тура остается постоянной, но снижается энтальпия (по мере образова-

ния жидкой фазы) от значения h

до h

. В точке 3 находится только

жидкость (х = 0). Количество теплоты (соответствующее р

..со

), которое

нужно отвести с помощью холодильной машины в процессе ожижения

1–2–3, q

31

= h

– h

. Дальнейший отвод теплоты (линия 3–4) приведет

к началу затвердевания жидкости (точка 4). При продолжении теплоот-

вода (Т

= const) жидкость переходит вначале (в промежутке 4-5) в

двухфазную смесь, а в точке 5-в твердое состояние. В процессе замора-

живания 1-2-3-4-5 отводится теплота q

51

= h

– h

Рассмотрим аналогичный процесс ожижения и замораживания газа

при р > р

..со

, а именно при р

= const (см. рис.1). Вначале газ сжимают в

компрессоре от начального состояния 1 до состояния 6 при Т

..со

= const.

Если р < р

кр

, то процесс будет идти аналогично описанному, с той лишь

разницей, что конденсация будет начинаться и протекать при более вы-

сокой температуре, чем это имело место в процессе 2–3, а теплота, от-

водимая холодильной машиной (теплота конденсации r), будет меньше

– h

. При сверхкритическом давлении (к примеру, р

) газ переходит

в критическое состояние при Т

кр

(точка 7, рис.1), но без постепенной

конденсации, когда степень сухости х изменяется от 1 до 0. Дальнейший

переход в шугу, а затем твердое состояние осуществляется по линии 7-

8-9.

172

Сравнивая процесс 1–2–3–4–5 с процессом при р> р

о.с.

(в частности: р

, р

и т.д.), видим, что конденсация достигается только за счет отвода

теплоты при охлаждении во всем интервале температур от Т

..со

до Т

. В

остальных же случаях газ вначале подвергается – изотермическому сжа-

тию в компрессоре с отводом значительного количества теплоты (процес-

сы 1–6, 1–10, 1–11 и т. п.). Причем, чем выше давление предварительного

сжатия, тем больше такой теплоотвод (Т

..со

= const). В пределе можно

представить процесс ожижения, когда вся теплота ожижения отводится

при изотермическом сжатии (Т

..со

= const). При этом ожижение достигает-

ся адиабатным расширением (процессы 10–3 и 11–5) до давления р

о.с.

В соответствии со сказанным идеальный процесс ожижения газа

(Т

..со

> Т

кр

) может выполняться:

1) отводом теплоты при неизменном начальном давлении и темпе-

ратурах Т, изменяющихся от Т

..со

до температур фазового превращения

(процесс реализуется с помощью холодильной машины или криогенной

установки);

2) отводом части теплоты при Т

..со

= const в процессе изотерми-

ческого сжатия в компрессоре, а оставшейся – с помощью охлаждения

при понижающейся температуре и р = const (процесс реализуется с по-

мощью компрессора и холодильной машины);

3) изотермическим сжатием с последующим адиабатным расши-

рением до давления р

о.с.

(реализуется с помощью компрессора и дрос-

сельного вентиля).

Следует заметить, что последний способ конденсации в инженер-

ной практике крайне невыгоден, так как для его реализации требуется

очень высокое давление перед адиабатным расширением.

Таблица 2

Физические свойства ожиженных и замороженных газов

Газ

Жидкость при 0,1 МПа Твердая фаза

Темпера-

тура кипе-

ния, К

Теплота паро-

образования,

кДж/кг

Плотность,

кг/м

Темпера-

тура плав-

ления, К

Теплота

плавления,

кДж/кг

Азот

Аргон

Диоксид углерода

Кислород

Неон

Оксид углерода

77,4

87,3

194,7*

90,2

27,1

82,7

199,3

163,0

369,6

213,5

90,9

216,2

808

1403

1178

1140

1204

814

63,2

83,9

216,6*

54,8

24,6

68,2

25,7

29,5

196,9*

13,9

16,6

30,5

Криптон 119,8 107,6 2160 116,0 19,7

Ксенон 165,0 96,4 3063 151,3 17,5

Фтор 84,9 - 1470 50,2 13,4

173

* На уровне тройной точки в дроссельном вентиле. Технические

процессы ожижения в большинстве случаев реализуются в соответствии

со вторым методом. Основные характеристики ожиженных и заморо-

женных газов приведены в табл. 2.

3.2 Технический процесс ожижения газов

В зависимости от конкретных условий процесс, показанный на

рис. 1, может осуществляться в различных модификациях:

1.Детандер II отсутствует и через теплообменники IV и V проходит

весь воздух. В этом случае М=1; охлаждение осуществляется только

за счет дроссель-эффекта (процесс Линде).

2.Теплообменник III отсутствует. В этом случае воздух в детандер

// поступает без предварительного охлаждения (процесс Гейландта).

3. Процесс соответствует без изменений изображенному на рис. 1

(процесс Клода).

4. Отсутствует теплообменник V, и расширенный в детандере II

воздух имеет те же параметры, что и в точке 6 (процесс Капи-

цы).

Рассмотрим более подробно схему квазицикла Капицы. В квази-

цикле Капицы воздух (исходное сырье для получения О

и N

) сжима-

ется изотермически (Т

..со

= const, линия 1-2) до давления р

= 0,5...0,7

МПа. Изотермический процесс достигается охлаждением воздуха в хо-

лодильнике II. Затем воздух с параметрами Т

..со

и р

= 0,5...0,7 МПа на-

правляется в регенеративный теплообменник (принцип регенеративного

использования энергии квазицикла) III , где происходит его охлаждение

до температуры Т

(см. рис.2, б) при р

= const. После этого поток охла-

жденного воздуха с параметрами р

и Т

..со

раздваивается на две части.

Меньшая часть (5...10 %) направляется на ожижение, а остальная

(90–95 %) – в турбодетандер V (рис.2, а). Конденсация (ожижение) про-

исходит в теплообменнике-ожижителе, омываемом смесью воздуха из

детандера и сухого насыщенного пара, поступающего из сепаратора VII.

На Ts-диаграмме процесс охлаждения и конденсации соответствует ли-

нии 8–3. После теплообменника-ожижителя воздух претерпевает дрос-

селирование (дроссель VI, процесс 3–4) и направляется в сепаратор VII,

где жидкость отделяется от сухого насыщенного пара. Жидкий воздух

(3...6 % от его общего объема, поступающего от компрессора с темпера-

174

турой Т

) отводится по трубопроводу VIII на разделение Процесс 9–10

соответствует расширению потока в детандере, 10–7– нагреванию при

..со

= const в элементах IV и III. Состояние Т

(р

..со

) соответствует его

сбросу в атмосферу при температуре, несколько меньшей Т

..со

Таблица 3

Показатели систем ожижения воздуха с детандером

Система

Рабочее

давле-

ние

, МПа

Доля ожи-

женного

Воздуха на

детандер,

y, %

Доля

воздуха

на де-

тандер

Температу-

ра перед

детандером

Т,К

Удель-

ный рас-

ход рабо-

ты,

кВтч/кг

КПД



Высокое давление:

Гейландта 20,0 26 0,58 273-263 0,75-0,78 0,26-0,25

Клода-

Гейландта

16,0 22 0,26 253-248 0,78-0,81 0,26-0,24

Среднее давление:

Клода 6 18 0,74 213-2080,82 0,82-0,84 0,24-0,23

Низкое давление:

Капицы 0,6 6 0,9 113-111 1,40-1,45 0,14-0,13

175

Как видно из рис. 2, а, детандер V предназначается для охлаждения

воздуха за счет его адиабатного расширения (линия 8–10) с получением

внешней работы. Конечная температура расширения в турбодетандере

(точка 6) примерно равна 103 К.

Из данных табл. 3 видно, что в рассмотренных процессах наи-

меньшую удельную мощность и наибольший КПД имеет система Гей-

ландта. В цикле Капицы удельная электрическая мощность наиболь-

шая, а КПД заметно ниже.

4 Воздухоразделительные установки

4.1 Однократная ректификация

Непосредственное разделение воздуха производится в ректифи-

кационных колоннах однократной или двукратной ректификации.

Схема колонны однократной ректификации показана на рис. 3.

При однократной ректификации получается в виде технически чис-

того продукта только кислород. С загрязненным азотом теряется около

1/3 кислорода. Количество отводимого жидкого кислорода определяется

уравнением (1). При получении газообразных кислорода и азота в фор-

муле (1) у=0; следовательно,

(1 )

тдни

hMhhq  (2)

i в этом случае состоит из двух величин – одной, относящейся к

кислороду (

кр

KTc

), и другой относящейся к азоту (

Tc

Для установок без детандера М=1 и второй член правой части

уравнения (2) равен нулю.

Охлаждение и ожижение воздуха является предварительным эта-

пом его разделения. Разделению подвергается жидкий воздух (сухой на-

сыщенный пар), путем низкотемпературной ректификации, когда смесь

жидкостей О

и N

подвергается многократно повторяющимся частич-

ным испарениям и конденсации. При этом пар, находящийся в равнове-

сии с жидкостью, естественно, содержит больше вещества с низкой

температурой кипения, а жидкость соответственно обедняется низкоки-

пящей компонентой (азотом).

Принципиальная схема колонны однократной ректификации пока-

зана на рис. 4. Однократная ректификация применяется в установках

малой производительности и для получения жидкого кислорода. При

176

большой единичной производительности установки используется дву-

кратная ректификация.

Разделяемая смесь в виде жидкости, сухого насыщенного пара или

смеси пара и жидкости подается по трубопроводу 1 в среднюю часть

колонны 2. В нижней части колонны разделяемая смесь накапливается в

виде жидкости, где размещен трубчатый испаритель 3. Жидкая фаза

смеси О

и N

и стекает по тарелкам колонны вниз и за счет подвода

теплоты к элементу 3 испаряется, поднимаясь вверх колонны, и посту-

пает в конденсатор 4, в котором осуществляется отвод теплоты. Образо-

вавшаяся при этом жидкая фаза стекает вниз, контактируя с восходя-

щим потоком паров. В испарителе 3 в первую очередь начинает испа-

ряться жидкий азот, а оставшаяся в испарителе жидкость насыщается

кислородом. При этом температура кипения жидкости в испарителе

возрастает и начинает испаряться тяжелокипящая ее составляющая (ки-

слород). В конденсаторе вначале конденсируются пары кислорода и

жидкий кислород стекает вниз. Температура конденсации снижается за

счет обогащения смеси азотом.

В результате из верхней части колонны отбирается жидкий или га-

зообразный азот (соответственно N

)(2 ж

и N

)(2 г

), а из нижней части –

жидкий и газообразный кислород (О

(

) и О

(

)).

В колонне однократной ректификации удается получить чистый

кислород и разбавленный кислородом до –5...10 % азот.

177

4.2 Двойная ректификация

В колонне двойной ректификации (рис 5) можно получит чистый

кислород и чистый азот. Колонна состоит из частей высокого (ниж-

няя часть, 0,5…0,6 МПа) и низкого давления (верхняя часть,

0,13…0,14 МПа)

Рис. 5. Колонна двукратной низкотемпературной ректификации

Воздух по трубе 1 подается в нижнюю часть 2 составной колонны

(рис. 5). При входе в колонну воздух конденсируется, отдавая скрытую

теплоту парообразования на испарение азота. В результате испарения

части N

жидкая фаза обогащается кислородом до 39...40 %, и через пе-

реохладитель 9 и дроссельный вентиль 8 направляется в качестве ис-

ходной смеси в часть 4 низкого давления составной колонны. Пары N

поднимаются к испарителю 3, где конденсируются жидким кислородом,

находящимся в межтрубном пространстве. В свою очередь кислород

(О

2(ж)

) кипит за счет конденсации паров азота. Жидкий кислород, стекая

вниз, орошает тарелки высокого давления, а также частично собирается

в карманах испарителя и оттуда направляется на орошение части низко-

го давления, минуя переохладитель 7 и дроссельный вентиль 6. При

дросселировании жидкого воздуха в вентиле 8 и азота в вентиле 6 их

давление снижается. При этом

получается дополнительное количество

холода для снижения температуры и покрытия хладопотерь в верхней

части составной колонны.

В части низкого давления колонны происходит окончательное раз-

деление обогащенной до 39...40 % кислородом смеси, поступающей из

части высокого давления.

178

Газообразный азот с концентрацией 97...98 % отбирается по трубе

5, проходит через переохладитель 7 флегмы N

и переохладитель жид-

кого воздуха 9 (кубовой жидкости), где охлаждает азотную флегму и

жидкий воздух и отводится к потребителям по трубе 10.

Кислород (концентрация 99,8...99,7 %) отбирается нижней части

колонны.

На рис 6. показано, как распределяются газы при разделении

воздуха в колонне двойной ректификации. По нормальным темпера-

турам кипения их можно разделить на три группы:

1. Аргон, нормальная температура кипения которого (87,3 К)

лежит между температурами кипения кислорода (90,2 К) и

азота (77,4 К), ближе к температуре кипения кислорода;

2. Низкокипящие компоненты – неон (27,1 К) и гелий (4,2К);

3. Высококипящие компоненты – криптон (119,8 К) и ксенон

(165 К).

Соответственно неон и гелий, поступающие в нижнюю колон-

ны, не конденсируются, а вместе с паром поднимаются по колонне и

концентрируются под крышкой конденсатора-испарителя. Отсюда они

отводятся с азотом в виде неоно-гелиевой смеси, служащей сырьем

для получения неона. Аргон вместе с жидкостью испарителя поступа-

ет в верхнюю колонну, где накапливается в ее средней части между ки-

слородом и азотом. Отсюда отводится аргонная фракция, содержащая

179

аргон в смеси с кислородом и небольшой примесью азота; она служит

исходным продуктом для получения чистого и технического аргона.

Криптон и ксенон при температурах, существующих в колонне,

остаются в жидкости и накапливаются в жидком кислороде, откуда

(если жидкий кислород не отбирается) переходят в газообразный ки-

слород. После промывки в специальной криптоновой колонне их содер-

жание в криптоно-ксеноновом концентрате возрастает примерно до 0,2 %

(остальное кислород). Этот концентрат используется для извлечения

криптоно-ксеноновой смеси, которая затем разделяется на криптон и

ксенон.

5 Промышленные воздухоразделительные установки

Воздухоразделительные установки в зависимости от назначения и

производительности различаются по организации криогенного процесса

и подразделяются на установки высокого, среднего, низкого давления и

установки двух давлений воздуха.

Установки высокого и среднего давления предназначаются для по-

лучения небольших количеств кислорода и азота – количество перера-

батываемого воздуха не превышает 1000 м

/ч (для установок высокого

давления с поршневым детандером –7000 м*/ч). В этих установках при-

меняются следующие криогенные процессы:

высокого давления (давление перерабатываемого воздуха от

9,0 до 22,0 МПа);

высокого давления с поршневым или турбодетандером (давле-

ние перерабатываемого воздуха от 9,0 до 20,0 МПа);

среднего давления с поршневым или турбодетандером (давле-

ние перерабатываемого воздуха от 3,0 до 5,0 МПа).

Установки высокого и среднего давления с поршневым или турбо-

детандером используются для получения газообразных продуктов раз-

деления. Для получения одного из продуктов разделения в жидком виде

используются установки высокого давления.

В разделительных аппаратах применяется однократная и двукрат-

ная

ректификация. Как правило, в качестве полезно используемого

продукта получается только один из основных компонентов воздуха

(кислород или азот). Одновременное получение чистых кислорода и

азота в одной колонне достигается при выпуске в атмосферу аргонной

фракции из колонны низкого давления разделительного аппарата.

Инертные газы в этих установках обычно не извлекаются.

180

Очистка перерабатываемого воздуха от двуокиси углерода и паров

воды осуществляется следующими способами:

1) поглощением двуокиси углерода с помощью раствора щелочи

(каустика) в сочетании либо с адсорбционной осушкой, либо с вымора-

живанием паров воды в переключающихся теплообменниках, охлаж-

даемых жидкими аммиаком или фреоном

2) комплексной адсорбционной очисткой от двуокиси углерода и

паров

воды на синтетических цеолитах с предварительным охлаждени-

ем очищаемого воздуха отбросным азотом или с использованием фрео-

новой холодильной установки.

Криогенные процессы высокого и среднего давления используются

также в транспортных воздухоразделительных установках.

Установки низкого давления применяются для получения значи-

тельных количеств продуктов разделения (количество перерабатывае-

мого воздуха от 6000 до сотен тысяч кубических

метров в час). С рос-

том производительности удельные холодопотери установки уменьша-

ются и становится возможным осуществление криогенного процесса

путем расширения части перерабатываемого воздуха (или получаемого

в ректификационной колонне азота) в турбодетандере.

Этот метод организации криогенного процесса основывается на

использовании избытка флегмы в верхней части колонны низкого дав-

ления аппарата двукратной

ректификации для разделения в ней допол-

нительного количества воздуха (до 20–30 % количества воздуха, пере-

рабатываемого установкой).

Для установок низкого давления характерно комплексное разделе-

ние воздуха с получением большого числа различных продуктов (тех-

нический и технологический кислород, чистый азот, аргон и другие

инертные газы).

Очистка всего перерабатываемого воздуха от двуокиси углерода и

паров воды осуществляется вымораживанием этих примесей в регене-

раторах или реверсивных теплообменниках с возгонкой и удалением их

выходящими из установки потоками продуктов разделения.

Установки двух давлений применяются двух типов: средней произ-

водительности – для получения газообразных продуктов разделения

(количество перерабатываемого воздуха от 2000 до 20 000 м

/ч) и боль-

шой производительности – для получения кислорода или азота в жид-

ком виде (от 5000 кг/ч и выше).

В установках первого типа используется холодильный процесс

двух давлений – низкого (~ 0,6 МПа) и высокого (от 9,0 до 18,0 МПа) с

расширением части азота низкого давления в турбодетандере или с рас-