Технология неорганических веществ и минеральных удобрений (стр. 3 )

2.  Ожижительные циклы применяются для получения жидких азота, кислорода, водорода, метана, гелия. Следует указать, что понятие «цикл» применимо к замкнутым круговым процессам, когда система возвращается к начальному состоянию. Это в известной мере относится и к газоразделительным циклам.

3.  Циклы газоразделительных установок. В процессе разделения газовой смеси необходимо охлаждение смеси до сухого насыщенного состояния и последующая конденсация смеси.

По принципу работы (по способу охлаждения) циклы глубокого охлаждения газов можно разделить на три категории:

1.  Циклы с применением эффекта дросселирования. К этой категории относятся циклы с однократным дросселированием, с двумя давлениями воздуха, с циркуляцией воздуха среднего давления и варианты этих циклов с промежуточным аммиачным охлаждением.

2.  Циклы с применением адиабатного расширения и отдачей внешней работы.

3.  Комбинированные циклы с дросселированием и расширением газа в детандере.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные циклы сжижения воздуха.

На рис.1. показана схема цикла с однократным дроселлированием и изображение этого цикла в координатах Т-S. Воздух сжимается вкомпрессоре высокого давления, охлаждается в холодильнике компрессора (линия 1-2), затем поступает в теплообменник, где охлаждается обратными потокоми кислорода и азота (линия 2-3) и поступает в колонну двухкратной ректификации, кислород и азот поступают в теплообменник, охлаждая встречный поток воздуха. Выход кислрода и азота из теплообменника показан на диагармме Т-S точкой 1'. Цифрами 1-4 обозначены точки процесса, характеризующие состояние воздуха и продуктов разделения.

Рис.1. Цикл разделения воздуха с однократным дросселированием (цикл Линда) (а) и его изображение на диаграмме Т-S (б)

К - компрессор, Х - холодильник, П – теплообменник, В - дроссельный вентиль, О - отделитель жидкости.

Принципиальная схема установки цикла среднего давления с расширением части воздуха в детандере показа на рис.2.

Цифрами 1-6 обозначены точки процесса, характеризующие состояние воздуха и продуктов разделения – кислорода и азота. Воздух сжимается в компрессоре, охлаждается в холодильнике компрессора (линия 1-2), затем поступает в первый по ходу теплообменник, где охлаждается встречным потоком кислорода и азота до температуры Т3 (линия 2-3). Кислород и азот выходят из теплообменника (точка 1'), а воздух (точка 3) делится на два потока. Один поток поступает в поршневой детандер, где расширяется с отдачей внешней работы до давления нижней колонны 0.6 МПа (линия 3-5'), а остальная часть воздуха с учетом к. п.д. детандера (линия 3-5) поступает во второй по ходу теплообменник, где охлаждается встречным потоком кислорода и азота (линия 3-4), после чего дросселируется до давления 0.6 МПа и поступает вместе с воздухом из детандера в нижнюю колонну. Получаемый в верхней колонне под давлением 0.13МПа кислород и азот направляются в теплообменник, где охлаждают встречный поток воздуха, и затем выводятся из установки (точка 1').

Академик Капица создал высокоэффективный активно-реактивный турбодетанд, работающий по принципу низкого давления. На основе этого принципа построены все крупнотоннажные установки для разделения воздуха. На рис. 1.3 показана схема цикла низкого давления и его изображение на диаграмме Т-S.

Рис.2. Цикл разделения воздуха среднего давления с расширением части воздуха в поршневом детандере (а) и его изображение на диаграмме Т-S (б)

Рис.3. Цикл низкого давления с турбодетандером (цикл Капицы) (а) и его изображение на диаграмме Т-S (б)

К - компрессор, П-теплообменник, ТД - турбодетандер, С-конденсатор, О - сборник

При работе по этому циклу воздух сжимается в компрессоре К до давления Р = 0.6-0.7МПа, затем поступает в теплообменник - регенератор П, где охлаждается несконденсировавшимся воздухом (линия 2-3). После теплообменника-регенератора воздух разделяется на два потока. Большая часть воздуха (94%) в количестве (1-М) кг направляется в турбодетандер ТД, в котором расширяется до давления Р = 0.15 МПа. Меньшая часть воздуха (М кг) поступает в межтрубное пространство конденсатора С, где охлаждается и конденсируется. Жидкий воздух из межтрубного пространства через дроссельный вентиль В дросселируется с 0.6 до 0.3 МПа и поступает в сборник О. Расширенный воздух из турбодетандера направляется в трубы конденсатора С, а оттуда в теплообменник - регенератор П.

Коэффициент сжижения воздуха

β = (i1 – i2) + (1 – М) h0η0 – (q2 – q1)/ i1 – i0 (1.2.2.1)

где h0 – адиабатический теплоперепад; η0 – адиабатический к. п.д. детандера; i1, i2 – энтпльпия поступающего в установку воздуха, воздуха после сжатия и охлаждения.

Применение в цикле воздуха низкого давления позволяет устанавливать регенераторы, благодаря чему значительно уменьшается недорекуперация и не требуется предварительная осушка воздуха и очистка его от СО2.

1.2.3 Разделение воздуха

Теоретически минимальная работа для разделения воздуха определяется как сумма работы изотермического сжатия каждого компонента от его парциального давления до давления смешения.

Lmin= mRT S pn ln 1/pn (1.2.3.6)

pn –парциальное давление компонентов n в смеси, ат;

mR- универсальная газовая постоянная, равная 8.314кДж/(кмоль град);

Т - температура,0К

Для разделения на кислород и азот, сжиженный воздух подвергается ректификации. В современных агрегатах ректификация жидкого воздуха происходит в колоннах двукратной ректификации. Число тарелок ректификационной колонны зависит от требуемой чистоты продуктов разделения. Используемый для сжижения и разделения воздух должен быть осушен, очищен от пыли, углекислоты и других примесей. Содержание пыли в воздухе должно быть не более 0.02 г/м3. Забор воздуха для разделительных установок производится вне территории предприятия, что обеспечивает большую его чистоту. Тщательная очистка от механических примесей необходима, так как они вызывают преждевременный износ компрессоров и регулирующей арматуры разделительных установок.

Для очистки воздуха от пыли служат самоочищающиеся фильтры с передвигающимися фильтрующимися сетками, матерчатые и суконные фильтры рукавного типа. Более тонкая очистка воздуха производится в масляных фильтрах, которые представляют собой камеры, состоящие из ряда кассет, заполненных кольцами Рашига. Периодически кассеты вынимают из камеры и промывают керосином, после чего снова погружают в сосуд с маслом и вставляют в камеру.

Содержание влаги в воздухе зависит от атмосферных условий. Необходима тщательная осушка воздуха, так как лед, образовавшийся при конденсации и последующем замерзании паров воды, забивает оборудование. Осушка воздуха производится следующими способами:

1. Путем адсорбции на силикагеле, содержание воды после него должно быть не более 0.03 г/м3 (точка росы -52 0С), на цеолитах – влажность снижается до 0.005 г/м3 (точка росы -640С). Регенерация адсорбента производится азотом, нагретым до 170-1800С при осушке силикагеля и 245-2700С при осушке цеолитом. Цеолиты применяются и для очистки воздуха от углекислоты, аргона.

2. Вымораживанием. В крупных разделительных установках вода вымораживается из воздуха в регенераторах. Воздух в регенераторах охлаждают до минусовой температуры. При температуре до 00С на холодной поверхности насадки регенератора влага воздуха конденсируется в виде воды, при температуре до -300С конденсируется переохлажденная вода. Для удаления осевшей влаги в регенератор в обратном направлении пропускают теплый сухой азот или кислород.

Газообразный диоксид углерода при глубоком охлаждении воздуха переходит в твердое состояние и оседает в теплообменниках, на тарелках ректификационной колонны, испарителях и т. д. Это приводит к нарушению технологического режима работы разделительных установок. Поэтому тщательная очистка воздуха от диоксида углерода имеет важное значение для нормальной работы разделительной установки. Очистка воздуха от углекислоты проводится или в скрубберах, орошаемых раствором гидроокиси натрия или в регенераторах, где углекислота вымораживается, отлагаясь на холодной насадке регенератора при прохождении через него воздуха и затем уносится обратным потоком кислорода или азота в период отогрева регенератора. Регенератор снабжен или насадкой в виде дисков из свернутой по спирали гофрированной алюминиевой ленты или в качестве насадки таких регенераторов применяется кусковой базальт или гранит. В регенераторы сверху вниз под давлением Р=6атм подается воздух (прямой поток), а через каждые 3-9 минут – кислород или азот (обратный поток) под давлением
Р=1.1-1.2атм. Чтобы предотвратить забивку (замерзание) регенератора, необходимо обеспечить удаление обратным потоком газа, всех примесей, накапливающихся на насадке. Чем больше отношение объема обратного потока газа к объему прямого потока и меньше разница температур между потоками, тем полнее происходит самоочистка регенератора. Большое значение для безопасной работы имеет очистка воздуха от ацетилена. Накопление больших количеств ацетилена может привести к взрыву. Вследствие малого парциального давления ацетилен не выделяется из воздуха в теплообменниках и регенераторах.

В настоящее время для получения чистого азота и технологического кислорода применяются воздухоразделительные установки различного типа. В РФ применяются установки низкого давления типов БР-6 или БР-9 Характеристика установок для получения азота и кислорода приведена в таблице

Типы установок	Производительность, м3/ч	Количество перерабатываемого воздуха, м3/ч
Высокого давления	Низкого давления	99.998% N2	92.98% O2	99.5% O2
КТ-3600	1030	19000	3600
БР-5		30000	4700	300
БР-6		43000	15000	7800	160
БР-9		84000	16000	12500	3500
БР-2		160000	23800	11000

На большинстве предприятий азотной промышленности в основном применяются агрегаты БР-6, работающие по принципу низкого давления (цикл Капицы).