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

Подождите немного. Документ загружается.

Воздух сжимается компрессором К, охлаждается водой в холо-

дильниках Х и по трубе 2 поступает в предварительный теплообмен-

ник ТП, где охлаждается отходящим дросселированным воздухом. По-

сле предварительного теплообменника сжатый воздух направляется в

аммиачный холодильник ТА, в котором охлаждается аммиаком, посту-

пающим из аммиачного компрессора через конденсатор аммиака. Ох-

лажденный в

аммиачном холодильнике сжатый воздух далее идет в

основной противоточный теплообменник ТО, охлаждается в нем дрос-

селированным воздухом и затем, пройдя дроссельный вентиль Др, час-

тично сжижается, накапливаясь в резервуаре С, откуда жидкий воздух

в количестве β кг сливается через кран 0. Оставшаяся несжиженная

часть холодного воздуха в количестве (1–β) кг после дроссельного

вен-

тиля Др из резервуара С отводится противотоком сжатому воздуху в

основной ТО и затем в предварительный ТП теплообменники, охлаж-

дая в них сжатый воздух, поступающий на дросселирование. Аммиач-

ный холодильник помещают между предварительным и основным теп-

лообменниками для того, чтобы полнее использовать холод отходяще-

го дросселированного воздуха.

Дополнительная затрата

энергии в аммиачной холодильной ма-

шине покрывается увеличением холодопроизводительности, которая

достигается благодаря предварительному охлаждению воздуха.

Точки, изображенные на диаграмме Т−S (рисунок 3.3), соответст-

вуют следующим состояниям воздуха:

1−перед компрессором; 2−сжатого воздуха после компрессора;

2а−сжатого воздуха при входе в аммиачный холодильник (т.е. по-

сле предварительного теплообменника);

2′−воздуха

после аммиачного холодильника;

3−воздуха перед дросселем;

4−воздуха после дросселя;

0−жидкого воздуха в сборнике;

5−парам холодного дросселированного воздуха (обратный поток)

перед основным теплообменником;

1′−обратного потока воздуха после основного (перед предвари-

тельным) теплообменником.

Составим тепловой баланс цикла.

В предварительном теплообменнике:

обратный поток в количестве (1−β) кг воздуха

отдает поступающему

воздуху холод в количестве (1− β) (i

–i

′) кДж/кг.

За счет этого холода сжатый воздух охлаждается с температуры

до температуры Т

, отдавая тепло обратному потоку в количестве

–i

2а

Уравнение теплового баланса предварительного теплообменника

имеет вид:

))(1(

1122

iiii

′

−−=

−

, (3.12)

откуда

))(1(

1122

iiii

′

−−−=

или

)()(

112112

iiiiii

′

−

+−−

′

. (3.13)

Количество холода, вносимого аммиачной установкой, равно:

−

Подставим значение

(уравнение 3.13) в последнее выражение,

получим

= )()()(

112121

iiiiii

′

−

−−

′

−

′

(3.14)

где Q

′= )(

′

−

′

− холодопроизводительность цикла с дросселиро-

ванием и предварительным охлаждением, кДж/кг;

= )(

ii −

– холодопроизводительность цикла с дросселирова-

нием без предварительного охлаждения, кДж/кг;

)(

′

−

− затрата холода на охлаждение сжижаемой части воз-

духа с начальной температуры до температуры предварительного ох-

лаждения, кДж/кг.

Таким образом, вносимый аммиачной установкой холод равен

увеличению холодопроизводительности цикла плюс количество холо-

да, затрачиваемого на дополнительное охлаждение сжижаемой части

воздуха с начальной температуры до температуры входа в основной

теплообменник.

Дальнейшее

повышение экономичности циклов с дросселирова-

нием достигается применением двух давлений воздуха: низкого поряд-

ка 0,6 МПа и высокого – 20 МПа, как с предварительным аммиачным

охлаждением обоих потоков воздуха, так и без него.

3.4 Цикл с двумя давлениями

На рисунке 3.4 показаны схема холодильного цикла с двумя дав-

лениями и его изображение на диаграмме T–S.

Рисунок 3.4 –Схема холодильного цикла с двумя давлениями

и его изображение на диаграмме T–S

Воздух сжимается в компрессоре низкого давления К

от давле-

ния Р

до давления Р

. Часть этого воздуха (М кг) поступает в теплооб-

менник низкого давления Т

, где охлаждается обратным потоком воз-

духа, а затем направляется в ректификационную колонну Кл.

Вторая часть воздуха (1–М) кг поступает в компрессор высокого

давления К

, где сжимается от давления Р

до давления Р

. Затем воз-

дух охлаждается в теплообменнике Т

и дросселируется.

Холодопроизводительность цикла:

= М(i

–i

) + (1-М)(i

–i

Раскроем скобки в правой части уравнения:

= М i

– М i

+ i

– i

- М i

+ М i

3 .

Тогда:

– i

- q

= М [(i

– i

) – (i

– i

)].

Из последнего выражения найдём долю воздуха низкого давле-

ния, заменив холодопроизводительность суммой потерь холода

= q

+ q

)()(

2131

iiii

qqii

−−−

+−−

. (3.15)

Расход энергии (в МДж) для получения 1 кг жидкого воздуха:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−+

⋅

ln)1(ln

из

βη

. (3.16)

По циклу двух давлений с промежуточным аммиачным охлажде-

нием до 228 К работают установки типа Г6800 для получения чистого

азота.

При использовании промежуточного охлаждения уменьшается

количество воздуха высокого давления. Удельный расход энергии при

этом уменьшается на 10 – 12 %.

3.5 Цикл среднего давления

с расширением части воздуха в детандере

На рисунке 3.5 изображены схема

цикла среднего давления с

расширением части воздуха в детандере (цикл Клода) и диаграмма T–S

этого цикла.

Рисунок 3.5 − Цикл среднего давления с расширением части воздуха

в детандере и его изображение на диаграмме T–S

Воздух сжимается в компрессоре К до давления 4–6 МПа и охла-

ждается в теплообменнике Т1. Выходящий из теплообменника воздух

делится на две части: одна часть в количестве (1–М) кг поступает в

детандер Д и расширяется до атмосферного давления (линия 3–4), со-

вершая внешнюю работу. При этом воздух сильно охлаждается.

Другая часть воздуха (М

кг) охлаждается в теплообменниках Т2 и

Т3 (линия 3–6), дросселируется (линия 6–7) и поступает в отделитель

жидкости О. Пары, образующиеся в количестве (М–β) кг, проходят

теплообменник Т3 и, соединившись с воздухом из детандера, поступа-

ют в теплообменники Т2 и Т1, отдавая свой холод сжатому воздуху (по

линии 8–1).

Удельная холодопроизводительность цикла равна:

= ∆i

др.

+(1–М)h

ад.

(3.17)

или q

= (i

–i

)+(1–M)(i

–i

) (3.18)

Коэффициент сжижения воздуха равен:

214321

)())(1()(

qqiiMii

−

+−−−+−

, (3.19)

где i

–i

– действительное понижение энтальпии воздуха в детан-

дере (называемое также теплоперепадом);

ад.

= i

–i

- адиабатический теплоперепад (точка 4′ лежит на пе-

ресечении адиабаты, проведенной из точки 3, и изобары Р

);

ад

′

−

– адиабатический к.п.д. детандера.

Расход энергии на сжижение 1 кг воздуха равен (в МДж):

)1(

⋅

⋅⋅−

−

⋅

ηη

βη

мадад

из

hМ

, (3.20)

где η

– механический к.п.д. детандера.

Количество холода, получаемого в цикле с детандером, зависит

от давления сжатия, температуры и количества воздуха, направляемого

в детандер. Чем ниже давление сжатия, тем более низкую температуру

должен иметь воздух перед детандером и тем большее количество воз-

духа должно направляться в него.

Как видно из рисунка 3.5, с повышением температуры воздуха

перед детандером (Т

) количество получаемого в детандере холода

увеличивается. Однако это вызывает повышение температуры после

детандера (Т

). Чем выше температура Т

, тем выше будет и темпера-

тура сжатого воздуха перед дросселированием Т

, так как нужно иметь

всегда некоторую разность температур (так называемый температур-

ный напор) между сжатым и расширенным воздухом. Это уменьшает

количество воздуха, сжижаемого при дросселировании.

Действительно, с повышением температуры Т

линия дроссели-

рования 6–7 располагается правее, и отрезок 7–8, пропорциональный

количеству сжижаемого воздуха, уменьшается. Поэтому в циклах с

детандером каждому давлению Р

и количеству детандерного воздуха

будет соответствовать оптимальная температура воздуха Т

пред де-

тандером.

3.6 Цикл высокого давления с детандером

Холодильный цикл высокого давления с детандером, применяе-

мый для сжижения воздуха, является лишь видоизменением цикла

среднего давления с детандером. Отличие состоит в том, что в цикле

высокого давления не требуется производить предварительного охла-

ждения воздуха перед детандером до очень низких температур. Этим в

значительной мере устраняются затруднения со смазкой цилиндра де

тандера при низких температурах.

Схема цикла высокого давления с детандером и его изображение

на диаграмме T–S представлены на рисунке 3.6.

Воздух сжимается до давления 18–20 МПа компрессором К

и,

пройдя водяной холодильник Х, делится на две примерно равные час-

ти. Одна часть (М кг) направляется в детандер Д, расширяется в нем до

давления 0,1 МПа, охлаждается и поступает в основной теплообменник

ТО, где отдает свой холод другой части сжатого воздуха, поступающе-

го из компрессора. Эта часть воздуха, охлажденная в

теплообменнике

ТО, поступает в дополнительный теплообменник ТД, где охлаждается

дросселированным воздухом, а затем подводится к дроссельному вен-

тилю Др, пройдя который частично сжижается, собирается в сосуде С

и выводится через вентиль.

Несконденсировавшийся воздух направляется обратно в тепло-

обменники ТД и ТО, где отдает свой холод поступающему сжатому

воздуху.

Рисунок 3.6 – Схема холодильного цикла высокого давления

с детандером и его изображение на диаграмме T–S

Цикл высокого давления с детандером является наиболее эконо-

мичным из всех циклов для получения жидкого воздуха и характеризу-

ется наименьшей затратой энергии на получение 1 кг жидкого воздуха

по отношению к количеству перерабатываемого воздуха.

3.7 Цикл низкого давления с турбодетандером

(цикл Капицы)

Холодильный цикл, разработанный П.Л. Капицей в 1939 г., также

основан на расширении воздуха с отдачей внешней работы. Отличием

цикла П.Л. Капицы от других циклов с детандером является примене-

ние более низких давлений воздуха, поступающего в турбодетандер.

Основой этого цикла является применение воздуха низкого давления и

получение необходимого холода только за

счет расширения этого воз-

духа в воздушной турбине, называемой турбодетандером, с производ-

ством внешней работы.

Схема холодильного цикла П.Л. Капицы и изображение цикла на

диаграмме Т–S приведены на рисунке 3.7

Рисунок 3.7 – Схема цикла низкого давления с турбодетандером

и его изображение на диаграмме Т–S

Воздух сжимается в компрессоре К до давления 0,6–0,7 МПа (ли-

ния 1–2), затем поступает в теплообменник – регенератор Т, где охла-

ждается несконденсировавшимся воздухом (линия 2–3). После регене-

ратора воздух разделяется на два потока. Большая часть воздуха (около

95 %) в

количестве М кг направляется в турбодетандер ТД, в котором

расширяется до давления 0,13 МПа. Меньшая часть воздуха (1–М) кг

поступает в межтрубное пространство конденсатора С, где охлаждает-

ся и конденсируется. Жидкий воздух из межтрубного пространства

через дроссельный вентиль В дросселируется с 0,6 до 0,13 МПа и по-

ступает в сборник О. Расширенный воздух из

турбодетандера направ-

ляется в трубы конденсатора С, а оттуда в регенератор Т.

Коэффициент сжижения воздуха:

2121

)()(

qqMhii

адад

−

+−⋅+−

, (3.21)

где h

ад

– адиабатический теплоперепад;

ад

– адиабатический к.п.д. турбодетандера.

Применение в цикле воздуха низкого давления позволяет уста-

навливать регенераторы, благодаря чему значительно уменьшается

недорекуперация и не требуется предварительная осушка воздуха и

очистка его от СО

. При использовании в этом случае турбомашин для

компрессии можно получить воздух без примесей масла.

Холодопроизводительность, получаемая за счет эффекта дроссе-

лирования, составляет всего 0,8 кДж/кг, теплоперепад в турбодетанде-

ре – от 29,5 до 33,5 кДж/кг.

Температура перед турбодетандером должна поддерживаться та-

кой, чтобы после детандера воздух не был влажным (точка 4).

В цикле

низкого давления турбодетандер фактически является

основной холодопроизводящей машиной, так как холодильным эффек-

том дросселирования с давления 0,6 МПа можно пренебречь ввиду его

малой величины, по сравнению с холодопроизводительностью детан-

дера. Весь избыток производимого холода, остающийся от покрытия

потерь в окружающую среду через изоляцию и несовершенство тепло-

обмена в регенераторах, идет на ожижение

воздуха.

Использование для сжатия и расширения воздуха турбомашин

(турбокомпрессоров и турбодетандеров), характеризующихся высоким

к.п.д., позволяет строить установки для получения больших количеств

жидкого воздуха, жидкого азота или жидкого кислорода.

Цикл низкого давления существенно упрощает технологическую

схему установки и её обслуживание, а также повышает надежность

работы и взрывобезопасность установки. Поэтому

цикл низкого давле-

ния находит преимущественное применение в крупных установках для

разделения и сжижения газов.

3.8 Использование холодильных циклов

для покрытия холодопотерь в установках

В процессах разделения воздуха на кислород и азот холодильный

процесс применяется для покрытия холодопотерь, возникающих при

пуске и работе блока разделения воздуха. При получении газообразных

продуктов холодопотери слагаются из потерь холода через изоляцию и

от недорекуперации. В установках, получающих жидкий кислород,

жидкий азот или жидкий воздух, к указанным холодопотерям добавля-

ется

ещё холод, отводимый из установки с жидким продуктом, а также

потери холода с парами, получающимися при дросселировании жидко-

го продукта во время слива его из аппарата в цистерну.

Потери от недорекуперации в основном определяются устройст-

вом теплообменников и местом их расположения в схеме холодильно-

го цикла и не зависят от

величины аппарата.

Наоборот, холодопотери через изоляцию определяются поверх-

ностью кожуха аппарата, толщиной слоя и качеством изоляции; эти

потери на каждый килограмм перерабатываемого воздуха будут тем

меньше, чем больше величина аппарата.

Сумма холодопотерь от недорекуперации и в окружающую среду

для небольших блоков разделения воздуха производительностью до

150 м

/час воздуха составляет 14–17 кДж/кг перерабатываемого возду-

ха; для блоков производительностью 500–5000 м

/ч воздуха – 12,5–14,5

кДж/кг; для блоков производительностью 5000–17500 м

/ч воздуха –

11,5–12,5 кДж/кг и для блоков производительностью 25000–75000 м

/ч

воздуха – 8–10,5 кДж/кг перерабатываемого воздуха.

При получении жидкого кислорода или жидкого азота дополни-

тельное количество холода, отводимое из аппарата вместе с получае-

мым сжиженным газом, составляет около 420 кДж/кг жидкого кисло-

рода или жидкого азота. Поэтому в установках для получения жидких

кислорода и азота применяются более эффективные холодильные цик-

лы, обеспечивающие получение дополнительного количества холода

на каждый килограмм перерабатываемого воздуха.

Указанные холодопотери компенсируются затратой энергии на

сжатие воздуха в холодильном процессе до наименьшего, достаточного

для этого давления. Чем больше холодопотери, тем при более высоком

давлении сжатия приходится вести процесс.

Мы рассмотрели только основные и наиболее простые холодиль-

ные циклы. В

установках разделения воздуха, в зависимости от назна-

чения и производительности, применяются многие другие, более

сложные холодильные циклы. Они являются комбинацией или видо-

изменением основных элементарных циклов, разобранных выше.

Поскольку получение холода связано с затратой энергии, всякое

снижение холодопотерь в воздухоразделительном аппарате приводит к

снижению затрат энергии.

3.9 Сравнение холодильных циклов

В таблице 3 приведены показатели циклов сжижения воздуха, при

определении которых были приняты следующие данные:

начальная температура воздуха Т

=303 К;

суммарные потери холода 11,5 кДж/кг воздуха;

адиабатический к.п.д. детандера равен 0,8;

изотермический к.п.д. равен 0,6.