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

Подождите немного. Документ загружается.

19) Опишите схему холодильного цикла высокого давления с де-

тандером и изображение цикла на диаграмме T – S.

20) Вычислите теоретическое количество жидкого воздуха и

удельный расход энергии в цикле высокого давления с детандером.

В расчете примите: Р

=0,1 МПа; Т

=300 К; Р

=18 МПа;

М=0,5; к.п.д. детандера 0,65, потери холода 12,5 кДж/кг.

21) Дайте сравнительную характеристику основных холодильных

циклов.

4 РАЗДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХА МЕТОДОМ

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ РЕКТИФИКАЦИЯ

4.1 Минимальная работа разделения воздуха

Воздух представляет собой простую физическую смесь азота, ки-

слорода и аргона.

Абсолютное давление каждого газа, входящего в состав смеси,

пропорционально содержанию этого газа в смеси. Если, например,

принимать, что воздух состоит только из азота и кислорода (аргон от-

несен к азоту), то его объёмный состав будет: 79,1 % N

и 20,9 % О

Тогда парциальные давления азота и кислорода в воздухе (при общем

давлении смеси 0,1 МПа) равны соответственно: 0,0791 и 0,0209 МПа.

При разделении воздуха на кислород и азот нужно каждый из

этих газов сжать от его парциального давления до общего давления

смеси. Сумма работ изотермического сжатия каждого компонента от

его парциального давления до давления

смеси является теоретической

(минимальной) работой разделения газовой смеси на её составные час-

ти:

pRTА

1,0

min

∑= , (4.1)

где р

–объемная доля компонента n в смеси, доли единицы;

R – универсальная газовая постоянная (8,314 кДж/(кмоль·град));

Т – температура, К.

Минимальная работа, необходимая для разделения воздуха при

температуре 290 К (кДж/кмоль), равна:

1235)

0791,0

1,0

ln791,0

0209,0

1,0

ln209,0(290314,8

min

=+⋅=А .

Отсюда, расход энергии равен:

05,0

105,24

1235

min

⋅

=N МДж/м

где 24,5 – мольный объём воздуха при 290 К и 0,1 МПа, м

/моль.

Действительный расход энергии в воздухоразделительных уста-

новках значительно выше теоретического, так как для предварительно-

го сжижения воздуха перед его разделением на составные части и воз-

мещения потерь холода в этих условиях приходится сжимать воздух в

компрессоре до значительно более высоких давлений.

4.2 Зависимость между составами жидкого воздуха и пара над ним

Процесс разделения жидкого воздуха на кислород и азот основан

на использовании зависимости, существующей между составом жид-

кости и пара над нею.

Рисунок 4.1- Зависимость между равновесными содержаниями

кислорода (азота) в жидкости и паре при различных

давлениях

На рисунке 4.1 приведены зависимости между равновесным со-

держанием кислорода в жидкости и паре над нею при различных дав-

лениях. Так, например, при давлении 0,1 МПа пары над жидким возду-

хом, содержащим 21 % О

, будут содержать только 6,3 % кислорода

(точка А). Чтобы содержание кислорода в парах отвечало содержанию

его в атмосферном воздухе, т.е. составляло 21 %, необходимо иметь

жидкость, содержащую около 52 % О

(точка Б).

С повышением давления количество кислорода в парах увеличи-

вается. Так, при давлении 0,6 МПа равновесные пары над жидким воз-

духом будут содержать уже 10 % О

(точка В). Таким образом, при

повышении давления, при котором происходит процесс испарения

жидкой азото-кислородной смеси, различие между составами пара и

жидкости уменьшается.

При нагревании жидкого воздуха без отвода паров в первую оче-

редь из него испаряется азот, который имеет более низкую температу-

ру кипения. Наряду с азотом, из жидкого

воздуха будет также испа-

ряться и кислород, но в меньшей степени. Поэтому в жидкости всегда

будет содержаться больше кислорода, чем в парах, а в парах – больше

азота, чем в жидкости. Другими словами, азот, как более летучая часть,

в большем количестве переходит в пары, а кислород, как менее лету-

чая, остается преимущественно

в жидкости. Такой процесс происходит

до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное состояние между

жидкостью и паром, соответствующее температуре и давлению в дан-

ный момент.

По мере обогащения кислородом жидкой фазы температура кипе-

ния её повышается; эта температура тем выше, чем выше давление,

при котором происходит кипение жидкого воздуха.

Если на горизонтальной оси откладывать содержание азота (в

объёмных процентах), а на вертикальной – температуру кипения жид-

кости при постоянном давлении, то можно построить температурные

диаграммы кипения жидкой азото-кислородной смеси (рисунок 4.2).

Нижние кривые показывают изменение состава жидкости при

данном давлении в зависимости от температуры (или температуры ки-

пения смесей в зависимости

от их состава), а верхние – изменение рав-

новесного состава пара над кипящей жидкостью.

Например, паровая фаза при давлении 0,1 МПа содержит 79,1 %

и 20,9 % О

, т.е. соответствует по составу атмосферному воздуху

(точка А). По диаграмме находим , что температура кипения жидкости

в этом случае равна 81,4 К (-191,8

С), и жидкость содержит 48,5 % N

и 51,5 % О

(точка Б на диаграмме).

Отрезок АБ показывает разность между содержанием азота в

жидкой и паровой среде. Наибольшее значение эта разность имеет в

том случае, когда в жидкости содержится 30–40 % азота.

С повышением давления разность между содержаниями азота в

жидкости и паре уменьшается.

Отсюда следует, что процесс разделения воздуха наиболее вы-

годно вести при возможно более низком давлении.

Рисунок 4.2 – Диаграмма кипения жидких смесей

кислорода с азотом при различных давлениях

4.3 Ректификация воздуха

Для разделения жидкого воздуха на жидкий кислород и газооб-

разный азот производят многократное, последовательное испарение

жидкости и конденсацию её паров с помощью стекающей сверху жид-

кости (флегмы). Такой процесс называется ректификацией.

Испарение и конденсация – обратимые процессы. При испарении

1 кг жидкости затрачивается теплота, называемая скрытой теплотой

испарения.

При конденсации 1 кг полученного

пара, при условии отсутствия

потерь тепла в окружающую среду, это тепло вновь выделяется в виде

скрытой теплоты конденсации.

Если пропустить кислород через слой жидкости, состоящей из

смеси азота и кислорода, то кислород сконденсируется. Это произой-

дёт потому, что жидкая смесь имеет более низкую температуру, чем

температура сжижения паров кислорода, так как

в смеси имеется ещё и

жидкий азот. При конденсации кислорода выделяется скрытая теплота

конденсации. Так как скрытая теплота конденсации кислорода и скры-

тая теплота испарения азота примерно одинаковые, то из жидкости

испарится количество азота, примерно равное количеству сконденси-

ровавшегося кислорода.

Описанное явление конденсации кислорода в кислородо-азотной

жидкости с одновременным

испарением из неё преимущественно азота

используется в процессе ректификации.

Сущность процесса ректификации воздуха и состоит в том, что

образующуюся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь

из азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим содержа-

нием кислорода. Поскольку эта жидкость содержит больше азота, она

имеет более низкую температуру, чем проходящий через

неё пар. Это

вызывает конденсацию кислорода из пара, обогащение кислородом

жидкости и испарение из неё азота, т.е. обогащение азотом паров над

жидкостью.

Рассматриваемый процесс испарения жидкости и конденсации

пара проводится путем непосредственного соприкосновения пара и

жидкости. Он повторяется много раз, пока не получится газ, состоящий

почти из одного азота,

и жидкость, содержащая почти чистый кисло-

род.

4.4 Устройство ректификационной колонны.

Принцип работы и технологический режим

В современных крупных агрегатах ректификация жидкого возду-

ха происходит в колоннах двукратной ректификации. Схема такой ко-

лонны показана на рисунке 4.3.

Аппарат состоит из двух ректификационных колонн: нижней А и

верхней Б. В нижней колонне происходит предварительное разделение

воздуха на жидкий азот и обогащенную кислородом азото-

кислородную смесь. Эти жидкости служат для

орошения верхней ко-

лонны, в которой происходит окончательное разделение воздуха на

кислород и азот.

Сжатый компрессором и охлажденный воздух по трубе 1 идет в

змеевик 2 испарителя (куба) 3. В кубе нижней колонны находится

жидкая смесь, содержащая 35–40 % кислорода. В змеевике 2 воздух

конденсируется. Затем он через дроссельный вентиль 4 подается в се-

редину колонны А.

Стекая по тарелкам колонны, жидкий воздух

встречается с поднимающимися парами, благодаря чему осуществля-

ется процесс предварительной ректификации жидкого воздуха.

Между верхней и нижней колоннами расположен конденсатор.

Он состоит из большого количества вертикальных трубок 5, концы

которых впаяны в горизонтальные трубные решетки 6. Внутреннее

пространство трубок сообщается с нижней колонной, работающей под

давлением 0,55–0,65 МПа

. Это давление в нижней колонне устанавли-

вается само собой, в соответствии с количеством паров азота, конден-

сирующихся в трубках. При данных составах паров в верхней части

нижней колонны и жидкости в конденсаторе количество конденси-

рующихся паров азота определяется высотой уровня жидкого кислоро-

да между трубками конденсатора (т.е. размером действующей

поверх-

ности теплопередачи в конденсаторе) и величиной давления в нижней

колонне.

Межтрубное пространство конденсатора сообщается с верхней

колонной, давление в которой не превышает 0,15 МПа.

Давление в верхней колонне зависит от сопротивления трубопро-

водов, теплообменников, регенераторов и арматуры и обычно находит-

ся в пределах 0,13–0,15 МПа. При этом давлении температура кипения

кислорода равна

примерно 93–94 К. Следовательно, чтобы происходи-

ла конденсация азота, в нижней колонне необходимо создать давление,

соответствующее температуре конденсации азота (96–97 К), т.е. обес-

печивающее перепад температур порядка 3 К. Такая температура кон-

денсации азота соответствует давле-

нию 0,6 МПа, которое обычно и под-

держивается в нижней колонне.

Газообразный азот конденсируется в

трубках конденсатора за счет холода

испаряющегося жидкого кислорода,

получаемого в верхней колонне, и сте-

кает вниз, орошая нижнюю колонну

выше места ввода жидкого воздуха из

испарителя, тем самым, обеспечивая

процесс ректификации.

Остальная часть

жидкого азота,

имеющего концентрацию 94% –97 %,

собирается в карманах 7 конденсатора

и через дроссельный вентиль 8 подает-

ся на орошение верхней тарелки ко-

лонны Б. Примерно на уровне 1/3 вы-

соты верхней колоны через дроссель-

ный вентиль 9 в верхнюю колонну

подается жидкая азото-кислородная

смесь из куба нижней колонны.

В результате процесса ректифи-

кации в

верхней колонне в межтруб-

ном пространстве конденсатора соби-

рается жидкий кислород концентрации

99,5–99,8 %. Пары его частично под-

нимаются вверх по колонне и участ-

вуют в процессе ректификации, а час-

тично по трубе 10 отводятся в качестве

готового продукта. Азот с концентра-

цией 97–98 процентов собирается в

верхней части колонны Б и удаляется

из

неё по трубе 11.

Подача воздуха в нижнюю ко-

лонну может производиться и без

применения змеевика в кубе колонны.

В этом случае (рисунок 4.4 ) воздух по

трубе 1 поступает к расширительному

вентилю 2, в котором давление воздуха

понижается до давления в нижней ко-

Рисунок 4.3 – Колонна

двукратной ректификации

воздуха

лонне 3. При дросселировании воз-

дух частично сжижается и собирает-

ся в кубе 4 нижней колонны, образуя

жидкость, обогащенную кислородом

до 35–36 %. Эта жидкость по трубе 5

подается через дроссельный вентиль

6 на дальнейшую ректификацию в

верхнюю колонну. Туда же подается

через азотный дроссельный вентиль

жидкий азот из карманов конденса-

тора 8. Основная часть воздуха после

вентиля 2 поднимается в виде паров,

подвергаясь ректификации на тарел-

ках 9 нижней колонны при сопри-

косновении со стекающей по ним

жидкостью. При наличии змеевика в

кубе нижней колонны воздушный

расширительный вентиль ставят по-

сле змеевика и пропускают через него

весь воздух.

Конденсируясь в змеевике, воз-

дух одновременно испаряет часть кубовой жидкости. Образуются

па-

ры, необходимые для процесса ректификации на тарелках, располо-

женных ниже уровня ввода воздуха в колонну.

Змеевики в кубе колонны применяются только в воздухораздели-

тельных установках сравнительно небольшой производительности и

работающих с использованием воздуха одного высокого давления. В

крупных агрегатах, использующих циклы с воздухом низкого давле-

ния, змеевики не ставятся.

Воздух в этом случае сжимается до давле-

ния нижней колонны и вводится в неё над поверхностью жидкости в

кубе колонны в состоянии сухого насыщенного пара.

Продукты разделения воздуха из нижней колонны подаются в

верхнюю колонну в жидком виде, а отводятся из верхней колонны

обычно в виде газов. Исключение составляют случаи получения

жид-

кого кислорода или жидкого азота, когда продукт отводится в виде

жидкости за счет добавочного количество холода, получаемого в де-

тандере.

Холод отбираемых из нижней колонны продуктов разделения пе-

редается обратно в нижнюю колонну через поверхность конденсатора

Рисунок 4.4 – Схема нижней

колонны без змеевика

испарителя

и используется для конденсации азота и образования флегмы, оро-

шающей нижнюю и верхнюю колонны.

Поднимающиеся из конденсатора пары кислорода имеют запас

тепла, необходимый для процесса ректификации в верхней колонне.

Таким образом, тепловой баланс ректификационного аппарата замыка-

ется сам на себя, и теоретически для осуществления процесса ректи-

фикации воздуха ввода тепла извне

не требуется.

Ректификационная колонна представляет собой вертикальную

цилиндрическую обечайку, снабженную внутри горизонтальными пе-

регородками (тарелками) специального устройства. Для небольших

колонн диаметром до 250 мм иногда применяются насадочные колон-

ны; насадка − из отрезков медных или томпаковых трубочек размером

10×10×0,15 мм.

Ректификационные тарелки делаются обычно ситчатыми или

колпачковыми. Ситчатая тарелка состоит

из латунного листа толщиной

0,8−1 мм, в котором в шахматном порядке на расстоянии 3,25 мм друг

от друга пробиты отверстия диаметром 0,8−0,9 мм. На 1 м

размещает-

ся 110000 таких отверстий.

В колпачковых тарелках имеются отверстия, покрытые колпачка-

ми. Схема устройства ректификационных тарелок показана на рисунке

4.5.

а – для ситчатых тарелок; б – для колпачковых тарелок. 1 – ситчатая

тарелка; 2 – переливные стаканы; 3 – колпачковая тарелка; 4 - колпачки

Рисунок 4.5 – Схема устройства ректификационных тарелок

Каждая тарелка обогащает кислородом

поступающую на нее

жидкость и понижает содержание в ней азота.