Техническая реализация принципов разделения воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В основу технической реализации принципов разделения воздуха заложен тепловой баланс. При установившемся процессе количество теплоты, поступающей в систему, будет равна отводимой теплоте из системы при условии отсутствия тепловых потерь:

Q1 = Q2, (1)

гдеQ1 = i3-поступающая теплота в систему;Q2 = xi0 + (1 - x)·i1-отводимая теплота из системы; x- доля сжиженного воздуха;i0- энтальпия жидкого воздуха;(1 - x)·i1- количество теплоты, отводимое с уходящей через теплообменник несжиженной части воздуха, нагретого до температуры T1 при давлении p1 и имеющего энтальпию i1.

Холодопроизводительность в данном случае определяется из разностей энтальпийi1и i3, аэто фактически величина эффекта Джоуля-Томпсона

?iT =i1 ?i3 = x(i1 ?i0). (2)

Из формулы (2) можно выразить количество получаемого жидкого газа по соотношению энтальпий

х= i1 ?i3. (3) i1 ?i0

Рассмотрим тепловой баланс с учетом потерь. Балансовое соотношение (1) дополняется величинами потерь через изоляцию и потерями от недорекуперации на теплом конце теплообменника.

Q1 = Q2 + ?Q, (4)

Где ?Q = qн + qнед; qн- потери через изоляцию; qнед- потери от недорекуперации на теплом конце теплообменника.

Холодопроизводительность:

?iT = x(i1 - i0) + qн + qнед. (5)

Количество получаемого жидкого воздуха:

x = i1 ?i3 ?qн ?qнед. (6) i1 ?i0

За счет того, что тепловая потеря находится в прямой зависимости, то количество жидкого воздуха будет значительно меньше, и все будет зависеть от величин потерь через изоляцию и от недорекуперации на теплом конце теплообменника. Если говорить о потерях через изоляцию, то здесь следует отметить, что она напрямую связана с массой оборудования и варьирование этой величины имеет смысл, но это приведет к существенному увеличению габаритов и утяжелению самой установки. Теплопотери через изоляцию примерно сравнимы с потерями от недорекуперации на теплом конце теплообменника [1].

Теплообменник, изображенный на рисунке 1, имеет холодный и теплый концы. Работа теплообменника с противоточной схемой приводит к охлаждению воздуха. Недорекуперация заключается в том, что на выходе из теплообменника еще остается тот запас холода, который не используется и выбрасывается.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1 - Схема распределения температур по длине теплообменника

В качестве примера на рисунке 2 изображено, каким образом характеристики зависят от изменения абсолютного давления на входе. Холодопроизводительность с увеличением давления растет, количество жидкого воздуха тоже растет, а фактические затраты энергии падают. Т. е. увеличение давления на входе приводит к положительным эффектам. Цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере примерно повторяет дроссельный вариант, но с отличием: здесь идет отбор сжатого воздуха уже охлажденного в теплообменнике, схема функционирования при этом остается прежней. Отличие от дросселя в том, что здесь не наблюдается верхнего порогового значения давления, при котором ограничивается использование дросселя. А вот в поршневом или в турбодетандере, который используется на современных установках, этот эффект уже можно обойти. И поэтому все проектируемые в будущем и модернизированные в настоящем установки включают в себя в основном использование поршневого или турбодетандера.

Полученный жидкий воздух имеет в своем составе азот, жидкий кислород и другие примеси. На T - Sдиаграмме рисунка 2 представлен состав азотно-кислородной смеси при равных температурах и абсолютных давлениях.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 2 - Цикл высокого давления с расширением воздуха в детандере: а - схема цикла, б - цикл на T - S диаграмме, 1 - компрессор, 2 - водяной холодильник, 3 - поршневой детандер, 4 - основной теплообменник, 5 - дополнительный теплообменник, 6 - дроссельный вентиль, 7 - сосуд для жидкого воздуха, 8 - сливной вентиль.

Рассмотрим случай при давлении равной 1 кгс/см2. Верхняя кривая обозначает содержание газа, а нижняя - жидкости. Видно, что при температуре 81,4Ксодержание азота составляет 80% в паровой фазе, а кислорода- 20%, далее получаем содержание азота 48,5% и 51% кислорода. Как видно из рисунка 3 в зависимости от температуры и давления будет изменяться состав азотно-кислородной смеси.

Рисунок 3 - Диаграмма смеси при равных температурах и абсолютных давлениях

Рассмотрим процесс ректификации воздуха. Ректификация - процесс разделения жидкого воздуха на жидкий кислород и газообразный азот, осуществляемый в специальных аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Сущность процесса ректификации состоит в том, что образующуюся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим содержанием кислорода.

Через змеевик в резервуаре пускается теплый газ, как изображено на рисунке 4. В паровом пространстве, будет скапливаться газообразный азот, прежде всего за счет того, что температура кипения азота меньше, чем температура кипения кислорода.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 4 - Процесс ректификация воздуха

Упрощенная схема ректификационной колонки представлена на рисунке 5.

Если задать содержание кислорода в ряде емкостей 60%, 50%,40%, 30% и 21%, и пропускать пар сквозь резервуары, то все время будет выделяться чистый азот, а в емкость будет стекать чистый жидкий кислород.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 5 - Схема процесса многократного испарения и конденсации жидкого воздуха

На практике же блок ректификации несколько сложнее. Схема организации может быть разной, но смысл остается тем же.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 6 - Схемы аппаратов однократной ректификации: а - для получения кислорода, б - для получения азота; 1 - ректификационные колонны, 2 - тарелки, 3, 9 - трубы для отвода кислорода и азота, 4 - труба для подвода сжатого воздуха, 5 - куб колонны, 6 - змеевик испарителя, 7 - дроссельные вентили, 8 - труба для подачи жидкого воздуха на верхнюю тарелку, 10 - насадка (или тарелка), 11 - карманы конденсатора, 12 - конденсатор

ректификация тепловой воздух

На рисунке 6 приведены две конструкции ректификационных тарелок. Первый вариант - это сетчатая схема, но также есть и колпачковая. Принцип работы у них примерно один и тот же, эффективность каждой конструкции определяется организацией гидродинамического режима на этих тарелках. Вводится такое понятие как коэффициент обогащения тарелки. Коэффициент обогащения тарелки - отношение действительного увеличения содержания более летучего компонента в паре (азота) при прохождении его через тарелку к теоретическому, определяемому по равновесному состоянию. На практике количество тарелок обычно увеличивается и поэтому вводится средний к.п.д. Средний к.п.д. - отношение числа теоретических тарелок к числу фактических тарелок колонны. К.п.д. зависит от уноса капель жидкости поднимающимися парами и от характера движения жидкости на тарелке. Стремятся к тому, чтобы движение было организованным, близким к ламинарному, а не вихревым.

Таким образом, технология разделения воздуха по небольшому обзору состоит из следующих этапов: Сжатие воздуха > Осушка и очистка воздуха от двуокиси углерода и углеводородов(это специальный процесс, который необходим для избежания пожароопасных ситуаций, потому что накопление двуокиси очень серьезно осложняет работу механических подсистем, типа детандера и углеводородов, что может привести к разрушению в результате взрыва этой установки. Это специальное мероприятие, которое осуществляется в отдельном блоке, способы осушки и очистки различные) > Охлаждение до температур насыщения и образования жидкой фазы (флегмы) > Разделение методом низкотемпературной ректификации с отбором продуктов. Эти составляющие должны присутствовать в любой воздухоразделительной установке, в том числе и установке высокого давления [2].

На рисунке 7 видны колонны нижние и верхние, подсорбер для очистки воздуха, детандер, разные приемные емкости для готовых продуктов. Схема очень сложна и имеет большое количество теплообменников различного назначения. Эта схема не является устоявшейся, она может быть модернизирована. Для этого необходимо изучение отдельных составляющих процессов, происходящих в ее элементах. Без этого модификация, улучшение производительности и увеличение эффективности невозможно.

Обобщенная структурная схема математического моделирования ВРУ представлена на рисунке 8. Это схема состоит из последовательного цикла обработки воздушной смеси и из переведения в различные термодинамические состояния.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 7 - Технологическая схема АКДС-70М. 1 - влагоотделитель, 2 - баллон блока очистки (2 шт.), 3 - электроподогреватель блока очистки и блока разделения, 4 - фильтр (2 шт. или 1 шт. в зависимости от модификации), 5 - наполнительная рампа - для заправки баллонов азотом или кислородом, 6 - теплообменник-ожижитель, 7 - основной теплообменник, 8 - первая колонна, 9 - вторичный конденсатор, 10 - емкость - конденсатор, 11 - вторая колонна, 12 - переохладитель, 13 - насос сжиженных газов, 14 - емкость, 15 - детандерный теплообменник, 16 - детандерный фильтр, 17 - поршневой детандер, 18 - наполнительная воздушная (рампа станции СКДС)

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 8 - Обобщенная структурная схема математического моделирования ВРУ

Необходимые исходные данные представлены в виде перечня теплофизических характеристик, геометрических характеристик, либо штатного оборудования, которое будет применяться при проектировании. Далее идет расчет технологической схемы - это задача охлаждения и задача ректификации, сюда же относятся тепловые и гидравлические расчеты устройств, теплофизические свойства веществ. После следует компоновка узлов соединенных между собой. Необходимы проведения тепловых и гидравлических расчетов этих схем на основе всех теплофизических характеристик. Именно это является основой для успешного функционирования ВРУ.

Основным элементом, где происходят теплопотери, снижающие производительность является теплообменик, имеющий широкое применение.

Особенности:

1. Влияние разности температур и температурного уровня на работу теплообменных аппаратов. Здесь имеется ввиду, что передача теплоты от теплого теплоносителя к холодному осуществляется при новом качестве температур. Речь идет не про обычные температуры, которые находятся выше 0 єС, а про криогенные температуры. Такая температура приводит к тому, что необходимо затрачивать дополнительную работу для компенсации энергетических потерь вследствие необратимых процессов теплообмена. Для обычных теплообменников это работа небольшая, а для криогенных может достигать до 30%.

?T = TA - TБ; (7)

?ST O. = Q / TБTATБ АТ; (8)

lT.O = TO.C?ST.O-удельная работа, которую необходимо совершить для компенсации энергетических потерь вследствие необратимости процесса теплообмена.

2. Гидравлические потери и их влияние на криогенные теплообменники.

Полные потери давления:

?p = ?pн + ?pоб, (9)

Где ?pн, ?pоб- потери прямого и обратного потоков.

Действительное отношение давлений:

pн/pк = (pн - ?pп)/( pк + ?pоб), (10)

гдеpн,pк, - давление на входе и выходе установки.

Удельная работа, совершаемая для компенсации потерь давления:

l?p = TO.C(?Sn + ?Sоб), (11)

где ?Sn , ?Sоб - приращение энтропий вследствие потерь давления.

Превышение потери давления в теплообменнике ведет к снижению холодопроизводительности и снижению количества получаемого воздуха.

3. Изменение свойств веществ при низких температурах и их влияние на теплообмен.

Рисунок 9

Диаграмма иллюстрирует, что с точки зрения теплообмена происходит в различных областях.

Область I при нормальных температурах, достаточно высоких и достаточно низких давлениях. Это область газообразного состояния, для которой справедливы обычные формулы теплопередачи (изменение свойств незначительно). Для расчета теплообменного оборудования в этом диапазоне температур можно применять классические формулы, которые широко известны во всех учебниках.

Область II газообразного и жидкого состояния близкого к критическому (изменение свойств существенно). Там, где получен разжижающий эффект, где используются теплообменные гомогенные аппараты, должно учитывать то, что изменение свойств при незначительном изменении температуры и давления будет очень существенным. Это повлияет на конечные характеристики расчета теплообмена.

Область III двухфазного состояния, в которой теплопередача происходит при конденсации и кипении (противоречивые данные о теплоотдаче). Теплоотдача усложняется, так как здесь есть межфазные переходы, т.е. конденсация и испарение.

Область IV околокритическая (свойства меняются резко). Для этой области классические уравнения теплообмена непригодны (теплоотдача может резко увеличиваться или уменьшаться, или даже колебаться). Если взять какой-нибудь канал, среда движется за счет вязкостного трения о стенки и за счет теплообмена, при этом происходит естественное изменение не только профиля, но и существенное отличие тепловых характеристик в среде потока, а также в пограничном слое, если мы находимся в условиях общекритической точки.

Литература

1. Глизманенко Д.Л. Получение кислорода. -М.: Химия, 1972.

2. Архаров А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Криогенные системы: учебник для вузов: в 2 т. // Основы теории и расчета. М.: Машиностроение, 1996. Т. 1. 467 с.

Размещено на Allbest.ru