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

Подождите немного. Документ загружается.

181

ширением части воздуха высокого давления в поршневом детандере и с

предварительным охлаждением воздуха высокого давления.

В установках второго типа весь перерабатываемый воздух поступа-

ет в установку под низким давлением 0,5–0,6 МПа, а покрытие холодо-

потерь через изоляцию и с продуктами разделения осуществляется с по-

мощью азотного циркуляционного криогенного цикла среднего давле-

ния (~ 3,0 МПа). Разделение ректификационного и криогенного процес-

сов позволяет при этом значительно увеличить долю продуктов разде-

ления, выводимых в жидком виде.

Очистка перерабатываемого воздуха от двуокиси углерода и паров

воды в установках двух давлений первого типа осуществляется химиче-

ским путем с применением раствора NaOH в сочетании с очисткой от

паров воды адсорбцией – для воздуха высокого давления – и с вымора-

живанием в переключающихся теплообменниках – для воздуха низкого

давления.

В установках второго типа комплексная очистка всего перерабаты-

ваемого воздуха от двуокиси углерода и паров воды осуществляется в

регенераторах.

Принципиальные схемы типовых воздухоразделительных установок

(ВРУ) представлены на рис. 7 и 8. Основным элементом таких устано-

вок служит ректификационная колонна двойной ректификации (обве-

дена штриховой линией), которая состоит из трех частей – нижней

(первой) колонны V, верхней (второй) колонны VI и конденсатора-

испарителя VII. В малых и средних установках эти аппараты объедине-

ны (рис. 7), а в крупных для удобства изготовления, монтажа и экс-

плуатации устанавливаются раздельно (рис. 8). Принцип работы этих

аппаратов в обоих случаях остается неизменным.

Нижняя (первая) колонна V (рис. 7) служит для предварительного

разделения воздуха на легкокипящий компонент (азот) и обогащенную

кислородом до 36–38 % О

жидкость. Воздух при температуре насы-

щения и давлении р

н.к

= 0,48–0,52 МПа поступает в нижнюю часть ко-

лонны (испаритель).

Таким образом, колонна V представляет собой концентрационную

часть полной ректификационной колонны. Полученные продукты раз-

деления – жидкий азот частично (другая часть его используется для

орошения нижней колонны) и обогащенный кислородом воздух полно-

стью через дроссельные вентили IX и X подаются в верхнюю (вторую)

колонну. Под давлением р

в.к.

= 0,14–0,16 МПа (нужным для преодоле-

ния гидравлического сопротивления теплообменников при выпуске

продуктов разделения из установки) происходит полное разделение

обогащенного кислородом воздуха на кислород и азот.

182

В нижней части колонны VI (конденсаторе-испарителе) собирается

кипящий кислород, откуда он может отводиться либо в газообразном

(Кг), либо в жидком (Кж) состоянии. Из верхней части колонны отво-

дится газообразный (Аг) либо жидкий (Аж) азот.

Теплопередача в конденсаторе-испарителе VII от конденсирую-

щегося в колонне V азота к кипящему в колонне VI кислороду обеспе-

чивается тем, что давление в нижней колонне выше, чем в верхней;

поэтому температура конденсации азота выше на 1,5–3 К, чем темпе-

ратура кипения кислорода.

183

Газообразные продукты разделения – кислород Кг и азот Аг из ко-

лонны поступают в теплообменник ///, в котором нагреваются, охлаж-

дая поступающий воздух. В некоторых случаях газообразный сжатый

кислород из установки получают посредством насоса жидкого кисло-

рода XI. Кислород отбирается из конденсатора в жидком виде и насосом

прокачивается под необходимым давлением (обычно до 16 или

20,0 МПа) через теплообменник III, где испаряется, нагревается и затем

подается потребителю.

Система криообеспечения в установках среднего и высокого дав-

ления воздуха чаще всего содержит в СПО детандер IV (иногда ис-

пользуется внешнее охлаждение парожидкостной компрессионной ус-

тановкой). Роль, аналогичную СОО в рефрижераторах или ожижителях,

исполняют дроссельные вентили VIII – X.

Уравнение энергетического баланса установки:

.. .. .. . ..ТВ Д ДОП на ни изл ни к ож нас

Bh M h Q Ah Kh Bq

hGhQ       



где В – расход воздуха; А, К – соответственно выход газообразных азо-

та и кислорода.

Знаки  введены в связи с тем, что в ряде установок может выво-

диться несколько видов кислорода, азота и инертных И газов (аргон,

криптон и др.);

кож

Gh



– расход холода на ожижение продуктов, вы-

водимых в жидком виде.

184

Чем крупнее ВРУ, тем меньше относительное значение теплопри-

тока через изоляцию Вq

из

. Это позволяет уменьшать

..ТВ



– холод, по-

лучаемый от дросселирования, т. е. снижать рабочее давление воздуха

после компрессора /. Наибольшее значение р

(до 20 МПа) поддер-

живается в установках, в которых весь кислород (или часть азота)

получается в жидком виде, т. е. в таких, где потребность в холоде наи-

большая. В установках, в которых получаются только газообразные

продукты, член правой части уравнения

кож

Gh



= 0. При производи-

тельности выше 1000–1500 м

/ч кислорода давление р

может быть

снижено до предельно низкого (

..нк



0,48н-0,52 МПа), необходимого

для работы колонны двойной ректификации. Потери холода в этом

случае (установки низкого давления воздуха) покрываются в основном

турбодетандером (значения



при М



0,25 и КПД

ад



детандера,

большем 0,8 для этого вполне достаточно).

Существует так же схема двух давлений. Рассмотрим принцип ра-

боты на примере установки К

-300М.

5.1 Схема установки К

-300М

75 % поступающего воздуха, после компрессора низкого давления,

пропускается через пылеотделитель (1) и масленые фильтры (2), где

очищается от пыли и масла. Очищенный воздух подается для осушения

в абсорбер (8), после этого поступает в нижнюю часть колонны (13).

Удаление влаги и СО

осуществляется за счет вымораживания азотом

, который поступает из колонны и проходит через переохладитель

жидкого азота (11). Второй поток воздуха (25 %), сжимается до давле-

ния 8–10 МПа компрессором (3) и проходит осушение и очистку фильт-

рами (4,5,6). После очистки воздух разделяется на два потока. Первый

поток идет в теплообменник (9), где охлаждается газообразным кисло-

родом О

. Кислород отбирается из конденсатора-испарителя колонны.

Охлажденный воздух дросселируется вентилем (10) до давления

0,4–0,6 МПа и поступает в нижнюю часть колонны в виде насыщенного

пара.

185

Вторая часть воздуха высокого давления после фильтра абсорбера

(6) направляется в детандер (19), на выходе из которого приобретает

давление 0,4–0,6 МПа и температуру –105–110 °С. Этот воздух из

фильтра детандера (18) смешивается с воздухом, который поступает из

дросселя (10). Общим потоком эта смесь поступает в колонну. В колон-

не осуществляется двух кратная ректификация. Жидкий азот из

нижней

части колонны через переохлодитель (11) и вентиль (12) поступает в

верхнюю часть колонны. Жидкость из испарителя подается на фильтр-

адсорбер (12), для очистки от твердой фазы СО

и ацетилена. Очищен-

ная смесь через дроссель (14), подается в среднюю часть верхней ко-

лонны на повторную ректификацию.

В схеме предусмотрены подогреватели воздуха (16), (17), а так же

регенератор (7), для восстановления фильтров продуктами разделения

воздуха. Отбор газообразного кислорода осуществляется по трубопро-

воду (20), а жидкого по трубопроводу (21). Рекуперация воздуха осуще-

ствляется в переохлодителе азота (11), а рекуперация кислорода в теп-

лообменнике (9). Концентрация кислорода достигается до 99,5 %. На

этой установке может быть получен газообразный азот

, по трубопрово-

ду (22), но при использовании этот трубопровод нужно очищать.

В промышленных установках верхние и нижние колонны располо-

жены отдельно.

В последнее время большое распространение при

186

строительстве металлургических, машиностроительных и автотрактор-

ных предприятий получили крупные установки технического кислорода

К-35-2 с блоками разделения БР-2 и БР-2м.

6 Вспомогательное оборудование воздухоразделительных

установок

6.1 Осушка воздуха

В состав кислородной станции (установки) входят: поршневые

компрессоры, турбокомпрессоры и детандеры; кислородные и азотные

насосы для подачи жидких кислорода и аргона под давлением; блоки

разделения (БР), включающие ректификационные колонны; фильтры

для очистки исходного сырья от пыли и масла; элементы осушки и

очистки воздуха от диоксида углерода; разного рода теплообменники.

Наличие в исходном сырье пыли, влаги и диоксида углерода не

предусматривается существующими технологиями разделения воздуха.

Поэтому до подачи воздуха на промышленную установку его подверга-

ют очистке от пыли и диоксида углерода и осушке. Очистку от пыли

производят в фильтрах насадочного типа (кольца Рашига, смоченные в

масле) или сухих фильтрах с пористой насадкой, а также в электро-

фильтрах.

Глубокая осушка достигается адсорбционным способом на селико-

геле, активном глиноземе, синтетических цеолитах СаА, MgA. NaA или

природных цеолитах, а также вымораживанием с помощью азота из ос-

новной установки разделения (воздух после компрессора проходит че-

рез теплообменники рекуперативного типа). В первом теплообменнике-

ожижителе воздух охлаждается до +5°С, за счет чего удаляется до 95 %

влаги. Во втором теплообменнике – вымораживателе он охлаждается

до – 40ºС и основная часть оставшейся влаги превращается в лед, кото-

рый откладывается на поверхности. Затем теплообменник продувается,

и лед с его поверхности удаляется.

Наиболее современным способом очистки воздуха от СО

, удовле-

творяющим минимуму энергозатрат, является адсорбционный на синте-

тических цеолитах СаА и MgA.

Осушка перерабатываемого воздухоразделительными установками

воздуха осуществляется либо вымораживанием в основной аппаратуре

установки, размещаемой в блоке разделения (регенераторы, переклю-

187

чающиеся теплообменники), либо в специальных блоках адсорбцион-

ной осушки (рис. 10).

Рис. 10. Схема блока адсорбционной осушки.

1,2 – адсорберы; 3 – фильтр-влагоотделитель; 4, 5 – фильтры;

6 – щит приборов; 7 – электронагреватель; 8 – терморегулятор;

9 – предохранительный клапан; 10–18 – вентили; 19 – диафрагма

В качестве адсорбента в блоках осушки используется активный

глинозем по ТУ ГХТ 65-53, обеспечивающий при температуре + 20 °С

осушку до точки росы – 64 °С, что соответствует остаточному количе-

ству влаги 0,005 г/м

(объем воздуха в кубических метрах отнесен к

давлению и температуре, при которых происходит осушка). Примене-

ние в качестве адсорбента силикагеля, позволяющего при +20 °С полу-

чить остаточную влажность 0,03 г/м

(температура точки росы – 52 °С),

ограничено его малой механической прочностью.

Адсорбционный способ применяется также для осушки некоторых

продуктов разделения, в частности кислорода.

6.2 Очистка воздуха от двуокиси углерода

Очистка воздуха от двуокиси углерода в установках низкого давле-

ния проводится непосредственно в блоке разделения: вымораживанием

на насадке регенераторов, в переключающихся теплообменниках и в

низкотемпературных адсорберах.

Установки высокого и среднего давления до последнего времени

снабжались оборудованием для химического удаления двуокиси угле-

рода из перерабатываемого воздуха. Воздух промывался водным рас-

188

твором едкого натра (NaOH). Для осуществления реакции поглощения

двуокиси углерода

2Na0H + CO



+ H

требуется затратить на 1 кг двуокиси углерода около 1,82 кг чисто-

го едкого натра.

Аппараты для щелочной очистки воздуха от двуокиси углерода

разделяют на декарбонизаторы и скрубберы. Очистка в скрубберах

(рис.10) эффективнее.

При соединении до 90–95 % щелочи с СО

очищенный воздух по-

сле двухскрубберной установки содержит СО

до

23 3

(15 20) 10 /см м





воздуха.

Химическая очистка воздуха от двуокиси углерода несовершенна и

сопряжена с необходимостью строительства специальных сооружений

для очистки сточных вод от щелочи. Поэтому воздухоразделительные

установки высокого и среднего давления последних выпусков снабжа-

ются оборудованием для комплексной адсорбционной очистки перера-

батываемого воздуха от двуокиси углерода и паров воды на синтетиче-

ских цеолитах.

Рис. 11 Схема скрубберной установки для очистки воздуха

от диоксида углерода.

1, 2 – скрубберы; 3 – бак для щелочи; 4, 5 – центробежные насосы;

6 – щелочеотделитель; 7 – подогреватель; 8–16 – вентили

По конструкции блоки комплексной очистки не отличаются от

блоков осушки. В результате адсорбции содержание двуокиси углерода

189

в воздухе уменьшается до 1,5–2 см

/м

, а температура точки росы водя-

ных паров снижается до –70 °С.

Температура, необходимая для нормальной работы заполненных

цеолитами адсорберов (5–8 °С), обеспечивается охлаждением перераба-

тываемого воздуха либо путем использования отбросного азота с помо-

щью теплообменника-ожижителя или системы азотно-водяного охлаж-

дения, либо с помощью компрессорной холодильной установки.

6.3 Оборудование системы азотно-водяного охлаждения воздуха

Дополнительное охлаждение воздуха для улучшения условий рабо-

ты адсорбционных блоков осушки и комплексной очистки, а также теп-

лообменников блока разделения может быть достигнуто путем исполь-

зования низкой температура и малой относительной влажности отброс-

ного азота (рис. 12).

Рис. 12. Схема системы азотно-водяного охлаждения воздуха (АВО) для ус-

тановок низкого давления.

1 – концевой холодильник компрессора; 2 – воздушно-водяной скруббер;

3 – азотно-водяной скруббер; 4, 5, 14 – водяные насосы; 6 – водо-водяной

теплообменник; 7 – вентиль на линии подачи воды в среднюю часть воздушного

скруббера; 8 – вентиль на линии слива теплой воды в станционный коллектор

безнапорного слива охлаждающей воды; 9 – вентиль на линии подачи

в азотно-водяной скруббер воды из станционного коллектора охлаждающей

воды; 10 – вентиль на линии подачи химочищенной воды для подпитки;

11 – влагоотделитель; 12 – воздухораздедительная установка;

13 – воздушный компрессор

190

В качестве хладоносителя при этом применяется вода: она охлаж-

дается при испарении в процессе тепломассообмена с отбросным азотом

в азотно-водяном скруббере, а затем используется для охлаждения воз-

духа в воздушно-водяном скруббере (на установках низкого давления)

или в кожухотрубном теплообменнике (на установках высокого и сред-

него давления).

6.4 Оборудование для очистки от инертных газов

Очистка сырого аргона от кислорода осуществляется методом ка-

талитического гидрирования в установках типа УТА-5А. Очищенная от

кислорода аргоно-азотная смесь закачивается в баллоны либо подверга-

ется дальнейшей очистке от азота для получения чистого аргона.

Очистка технического аргона от азота осуществляется методом

низкотемпературной ректификации непосредственно в воздухораздели-

тельной установке или установке типа БРА-2 (рис. 13). Установка рабо-

тает по схеме высокого давления; холодопотери компенсируются за

счет дроссель-эффекта сжатого технического аргона и воздуха высокого

давления.

Рис. 13. Технологическая схема установки для очистки аргона от азота БРА-2.

1 – теплообменник; 2 – верхний конденсатор;

3 – ректификационная колонна; 4 – адсорбер; 5 – нижний конденсатор;

6 – охладитель жидкого аргона; 7 – аргонныв насос