Свит Т.Ф. Основы разделения воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации: учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

101

Дефлегматор к аппарату Кт-1000

представляет собой трубчатку из 7

медных трубок диаметром 6 мм, дли-

ной 1000 мм.

Смесь, содержащая неон, гелий и

азот, из-под крышки конденсатора по-

ступает в трубки дефлегматора 3, где

большая часть газообразного азота

конденсируется, и жидкость стекает

через гидравлический затвор обратно в

карманы конденсатора.

В межтрубное пространство де-

флегматора

через вентиль 1 подается

жидкий азот из карманов конденсато-

ра, который вызывает конденсацию

азота в трубках дефлегматора, а затем в

виде смеси пара и жидкости поступает

на верхнюю тарелку колонны. Газооб-

разная смесь, содержащая до 50 % не-

она и гелия (остальное – азот), отводит-

ся из верхней части дефлегматора через

вентиль 2 и диафрагму 4.

Количество

неоногелиевой смеси, отбираемой через

вентиль 2, должно составлять 100 л/ч.

Вентиль 1 открывают настолько, чтобы уровень жидкости в дефлегма-

торе оставался постоянным.

7.3.4 Извлечение криптона из воздуха

Для получения в агрегатах разделения воздуха криптонового кон-

центрата – смеси, содержащий 0,1–0,2 % Kr и Xe, используется газооб-

разный кислород, отбираемый из конденсатора. Содержание криптона

в этом кислороде составляет примерно 5 см

/м

. Кислород подается в

специальную криптоновую колонну, где одновременно с криптоновым

концентратом получается технический кислород. Состав криптонового

концентрата: 0,1–0,2 % (K Xe), 1–2 % (N

+Ar) и 98–99 % О

. Далее он

направляется на специальные установки для обогащения и получения

технического криптона, содержащего от 80 до 95 % (Kr+Xe).

Установка блоков для получения криптона связана с увеличением

потерь холода, а также с повышением давления в верхней и нижней

Рисунок 7.7 – Схема

воздухоразделительного

аппарата с дополнитель-

ным дефлегматором

102

колоннах воздухоразделительного агрегата, так как в криптоновой ко-

лонне и коммуникациях на линии газообразного кислорода создаются

дополнительные сопротивления. Поэтому необходимо некоторое по-

вышение давления воздуха, подаваемого в воздухоразделительный

агрегат, и, следовательно, возрастает удельный расход электроэнергии.

7.4 Контрольные вопросы

1) Опишите принципиальную схему, технологический режим и

основные показатели работы агрегата Г-6800.

2) Опишите устройство, принципиальную схему, технологиче-

ский режим и основные показатели работы воздухоразделительной

установки АКт-16-2.

3) Опишите устройство, принципиальную схему, технологиче-

ский режим и основные показатели установки Кт-12 (БР-1).

4) Назовите содержание инертных газов в воздухе (аргона, гелия,

неона, криптона, ксенона

). Как получают эти газы из воздуха?

5) Изобразите установку для получения сырого аргона из воздуха.

Назовите основные показатели процесса и состав получаемых продук-

тов.

6) Как получают неоногелиевую смесь и криптоновый концентрат

из воздуха?

103

8 ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ ВОЗДУХА

8.1 Материальный баланс колонны

двукратной ректификации

Поступающий в ректификационную колонну атмосферный воз-

дух содержит по объёму 20,9 % кислорода и 79,1 % азота (аргон отне-

сен к азоту). В результате разделения воздуха из аппарата выводятся

кислород (концентрация 95 – 99,5 %) и азот (97 – 99,9 %).

Количества поступающих в аппараты кислорода и азота с возду-

хом равны количествам этих газов, отходящих из аппарата с продукта-

ми разделения.

Введем следующие обозначения:

количество, м

перерабатываемого воздуха В

получаемого кислорода К

получаемого азота А

кубовой жидкости М

азотной флегмы Л

содержание азота, объемные (мольные) доли:

в получаемом кислороде у

в получаемом азоте у

в кубовой жидкости х

в азотной флегме х

Уравнение материального баланса нижней колонны имеет вид:

В = М + Л. (8.1)

Баланс нижней колонны по азоту:

0,791В = Мx

+ Лx

Л.

(8.2)

Решая совместно эти уравнения, находим количество кубовой

жидкости и азотной флегмы:

МЛ

хх

−

791,0

, (8.3)

104

МЛ

хх

−

791,0

. (8.4)

Уравнение материального баланса верхней колонны имеет вид:

М + Л = А + К. (8.5)

С учетом уравнения (8.1) получим:

В = А +К. (8.6)

Баланс верхней колонны по азоту:

0,791 В = Ау

+ Ку

К.

(8.7)

Отсюда количества кислорода и азота, выходящих из ректифика-

ционной колонны, составят:

уу

КА

⋅

−

791,0

, (8.8)

уу

КА

⋅

−

791,0

. (8.9)

Расход воздуха на 1 м

получаемого кислорода равен:

791,0

−

уу

. (8.10)

С повышением концентрации выходящего из аппарата азота

уменьшаются потери кислорода. Производительность аппарата по ки-

слороду увеличивается.

105

Поэтому при регулировании работы ректификационной колонны

всегда стремятся достичь наибольшей чистоты отходящего азота с це-

лью повышения количества получаемого кислорода.

В таблице 8.1 приводится выход кислорода из 1 м

воздуха, а в

таблице 8.2 – расход воздуха на получение 1 м

кислорода, вычислен-

ные для различных концентраций продуктов разделения.

Таблица 8.1 – Выход кислорода из 1 м

воздуха (м

)

в зависимости от концентрации отходящих продуктов

Концентрация

азота, %

Концентрация кислорода, %

100 99,5 99,0 98,5 98,0

100 0,209 0,210 0,211 0,212 0,213

99 0,201 0,202 0,203 0,204 0,205

98 0,193 0,194 0,195 0,196 0,197

97 0,184 0,185 0,186 0,187 0,188

96 0,176 0,177 0,178 0,179 0,180

95 0,167 0,168 0,169 0,170 0,171

Таблица 8.2 – Расход воздуха на 1 м

кислорода (м

)

в зависимости от концентрации отходящих продуктов

Концентрация

азота, %

Концентрация кислорода, %

100 99,5 99,0 98,5 98,0

100 4,78 4,76 4,74 4,72 4,70

99 4,97 4,95 4,93 4,90 4,80

98 5,18 5,16 5,13 5,10 5,08

97 5,44 5,40 5,38 5,35 5,32

96 5,68 5,65 5,62 5,59 5,56

95 5,99 5,95 5,92 5,88 5,85

106

8.2 Тепловые расчеты воздухоразделительных установок

8.2.1 Баланс холода

Баланс холода для воздухоразделительного аппарата складывает-

ся только из внешних потерь холода q

и холодопроизводительности

применяемого холодильного цикла q

, т.е.:

= q

. (8.11)

Определение холодопроизводительности цикла изложено в раз-

деле 3. Там же указывалось, что потери холода при установившемся

процессе получения газообразных продуктов разделения воздуха скла-

дываются из потерь через изоляцию q

и потерь от недорекуперации q

= q

+ q

(8.12)

В случае получения жидких продуктов к этому прибавляются по-

тери холода с жидкими продуктами:

= q

+ q

ж.

(8.13)

Для более точного подсчета холодопотерь в установке необходи-

мо составить тепловой баланс вохдухоразделительной установки в це-

лом.

При общем количестве перерабатываемого в аппарате воздуха В

(кг/ч) и часовых количествах получаемых азота и кислорода заданных

концентраций – А и К потеря холода от недорекуперации составит:

iiAiiK

ААКК

)()(

′′

−

′

′′

−

′

, (8.14)

где i

и i

− энтальпии азота и кислорода при температуре воз-

духа на входе в теплообменник и давлении продуктов на выходе из

теплообменника, кДж/кг;

и i

− энтальпии азота и кислорода при температуре и давле-

нии азота и кислорода на выходе из теплообменника, кДж/кг.

Потеря холода в окружающую среду q

принимается по опытным

данным.

107

Для определения энтальпий азота и кислорода при различных

давлениях и температурах удобно пользоваться диаграммами I – lgP

(рисунок 8.1).

Рисунок 8.1 – Диаграмма I – lgP

На диаграмме нанесены сетки изотерм (T = const), адиабат (S =

const), изохор (V = const). Обозначения одинаковых процессов на ри-

сунке 8.1 такие же, как на рисунке 2.5.

Примеры расчета по диаграмме I – lgP приведены в конце раздела

(примеры 8.5 – 8.8 и 8.13

8.14).

Уравнение теплового баланса теплообменника в цикле с простым

дросселированием имеет вид:

+ q

= q

+ q

(8.15)

где q

и q

– соответственно, количество тепла, принимаемого

кислородом и азотом от воздуха, кДж/кг;

= K(i

−i

), (8.16)

= A(i

−i

), (8.17)

108

– количество тепла, передаваемое воздухом в теплообменнике

азоту и кислороду, кДж/кг.

= В(i

−i

); (8.18)

– приток тепла (потери холода) извне в теплообменнике через

изоляцию.

Обычно считают, что q

= (0,1÷0,2)Вq

где q

– общие потери холода через изоляцию всего аппарата,

кДж/кг воздуха.

После подстановки в уравнение (8.15) уравнений (8.16–8.18) по-

лучим уравнение теплового баланса теплообменника в виде:

K(i

−i

) + A(i

−i

) = B(i

−i

) + 0,1Bq

. (8.19)

8.2.2 Уравнение теплового баланса воздухоразделительной

установки

В установках с простым дросселированием для получения газо-

образных продуктов уравнение теплового баланса можно представить

в виде:

∆i

др

= А

рА

∆

+ K

∆

+ Bq

(8.20)

где В, К и А – количества перерабатываемого воздуха и продук-

тов его разделения (кислорода и азота) в м

;

– плотность при н.у. воздуха, азота и кислорода,

соответственно, кг/м

;

∆i

др

– эффект дросселирования, кДж/кг;

∆

t – разность температур на теплом конце теплообменника (от не-

дорекупрации),

С;

– потери холода, кДж/кг воздуха.

В расчетах принимают:

∆

t =

∆

;

рК

рА

рВ

= 1,304 кДж/(м

⋅

С)

(для двухатомных газов объемные теплоёмкости при давлении 0,1

МПа равны).

После преобразования уравнения (8.20) получим:

109

∆

др

рВ

∆

t + q

. (8.21)

В цикле высокого давления с дросселированием по уравнению те-

плового баланса определяют величину рабочего давления.

Порядок расчета:

задаются величинами

∆

t и q

и из уравнения (8.21) вычисляют эф-

фект дросселирования

∆

др

прВВ

др

qtс

+⋅

∆

Так как

∆

др

= i

−i

, то при известной температуре воздуха Т

на

входе в воздухоразделительную установку определяют энтальпию воз-

духа высокого давления i

= i

−

∆

др

Зная величину i

, по диаграмме T–S для воздуха находят рабочее

давление Р

(см. пример 8.3).

Применение поршневого детандера в холодильном цикле среднего

давления позволяет снизить рабочее давление до 1,6–3,0 МПа (при по-

лучении продуктов разделения при атмосферном давлении) и до 5 МПа

(при получении кислорода под давлением).

Уравнение теплового баланса:

∆

др

+ В

дет

ад

= В(

рВ

∆

t + q

), (8.22)

где h

ад

– понижение энтальпии воздуха при адиабатическом рас-

ширении, кДж/кг;

ад

– адиабатический к.п.д. детандера;

дет

– количество детандерного воздуха, м

В расчетах цикла среднего давления с расширением части воздуха

в детандере задаются величиной В

дет

= (0,8 – 0,9)В и по уравнению те-

плового баланса определяют рабочее давление воздуха методом после-

довательного приближения.

Цикл низкого давления применяется в крупных воздухораздели-

тельных установках для получения газообразных продуктов разделе-

ния. Рабочие давление 0,55–0,65 МПа. Количество детандерного воз-

духа составляет: В

дет

= (0,22 – 0,28) В.

110

Уравнение теплового баланса имеет такой же вид, как и в цикле

среднего давления с детандером, т.е. уравнение (8.22).

Искомой величиной также является расход воздуха, направляемо-

го в детандер, В

дет

. Найдя её, проверяют возможность осуществления

процесса ректификации при принятых концентрациях продуктов раз-

деления.

8.2.3 Тепловой баланс колонны двукратной ректификации

С целью определения состояния воздуха, поступающего в ректи-

фикационную колонну, составляют внешний тепловой баланс колонны.

Уравнение теплового баланса ректификационной колонны, не

имеющей переохладителя для кубовой жидкости и азотной флегмы,

имеет вид:

= Ai

+ Ki

– Bq

. (8.23)

Для колонны с переохладителем:

= Ai

+ Ki

– Bq

+ Q

пер

, (8.24)

где Q

пер

– тепловая нагрузка переохладителя жидкости, кДж.

Из уравнения теплового баланса определяют энтальпию воздуха

, а по ней – его состояние (т.е. долю жидкого воздуха).

Внутренний тепловой баланс ректификационной колонны состав-

ляют для определения тепловой нагрузки конденсатора и змеевика в

испарителе нижней колонны (если он есть).

Тепловая нагрузка конденсатора (Q

конд

) может быть найдена из

уравнения теплового баланса верхней или нижней колонны.

Тепловой баланс верхней колонны (без переохладителя) имеет

вид:

+ Лi

+ Q

конд

= Аi

+ Ki

- Bq

, (8.25)

с переохладителем:

+ Лi

+ Q

конд

= Аi

+ Ki

- Bq

+ Q

пер.

, (8.26)

где Q

пер

– тепловая нагрузка переохладителя, кДж;

и i

– энтальпии кубовой жидкости и азотной флегмы;