- •Учебно-методический материал Раздел №1 «Теоретические основы криогенной техники»
- •Оглавление
- •Тема № 1. Сжатие газов Лекция №1. Назначение, содержание дисциплины. Принцип работы компрессоров и воздухоразделительных установок Учебный вопрос № 1. Назначение и содержание дисциплины
- •Учебный вопрос № 2. Роль газов в обеспечении полетов авиации
- •Учебный вопрос № 3. Назначение, классификация, характеристики и области применения компрессоров
- •Учебный вопрос № 4. Построение диаграммы s – т.
- •Групповое занятие № 1. Процессы одноступенчатого и многосту-пенчатого сжатия газов Учебный вопрос № 1. Одноступенчатое сжатие и его предел
- •Учебный вопрос № 2. Многоступенчатое сжатие.
- •Тема № 2. Очистка и осушка воздуха. Лекция №1. Очистка и осушка воздуха Учебный вопрос № 1. Необходимость очистки и осушки воздуха
- •Учебный вопрос № 2. Способы очистки воздуха
- •Групповое занятия №2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами Учебный вопрос № 1. Характеристики адсорбентов
- •Учебный вопрос № 2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами
- •Практическое занятие № 1. Адсорберы воздухоразделительных установок и взрывобезопасность. Учебный вопрос № 1. Адсорберы вру и взрывоопасность
- •Тема № 3. Расширение газов. Лекция № 1. Дросселирование газов. Учебный вопрос № 1. Сущность процесса дросселирования
- •Сжатый газ
- •Учебный вопрос № 3. Применение процесса дросселирования и влияние различных факторов на его эффективность
- •Групповое занятие № 2. Расширение газов с отдачей внешней работы. Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация детандеров
- •Учебный вопрос № 3. Общее устройство и рабочий процесс турбодетандеров
- •Учебный вопрос № 4. Сущность процесса расширения газов с отдачей внешней работы
- •Учебный вопрос № 5. Характеристика процесса расширения газов
- •Тема № 4. Глубокое охлаждение. Лекция № 1.Глубокое охлаждение и его циклы. Учебный вопрос № 1. Классификация циклов глубокого охлаждения
- •Учебный вопрос № 2. Абсорбционная холодильная установка
- •Учебный вопрос № 3. Пароэжекторная холодильная установка
- •Учебный вопрос № 4. Газовые холодильные машины
- •Групповое занятие № 2. Основные способы получения холода. Учебный вопрос № 1. Основные способы получения холода, используемые в действительных циклах глубокого охлаждения
- •Учебный вопрос № 2. Холодильные циклы с дросселированием
- •Групповое занятие № 2. Холодильные циклы с расширением воздуха в детандерах
- •Учебный вопрос № 1. Холодильный цикл среднего давления с расширением воздуха в поршневом детандере
- •Учебный вопрос № 2. Холодильный цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере
- •Учебный вопрос № 3. Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы)
- •Тема № 5. Ректификация. Лекция № 1. Процессы испарения и конденсации. Учебный вопрос № 1. Общая характеристика процессов испарения и конденсации
- •Учебный вопрос № 2. Равновесие между жидкостью и паром в системе «кислород-азот» и диаграммы её равновесного состояния
- •Групповое занятие № 1. Процесс ректификации Учебный вопрос № 1. Сущность процесса ректификации
- •Учебный вопрос № 2. Однократная ректификация бинарной смеси
- •Учебный вопрос № 3. Двукратная ректификация бинарной смеси
- •Тема № 6. Процессы и аппараты воздухораздели-тельных установок. Лекция № 1. Теплообменники. Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация теплообменных аппаратов
- •Учебный вопрос № 2. Рекуперативные теплообменники
- •Групповое занятие № 2. Конденсаторы-испарители Учебный вопрос № 1. Классификация и характеристики конденсаторов-испарителей.
- •Учебный вопрос № 2. Теплоотдача при конденсации пара
- •Учебный вопрос № 3. Теплоотдача при кипении
- •Групповое занятие № 3. Регенераторы Учебный вопрос № 1. Принцип действия регенераторов
- •Учебный вопрос № 2. Очистка воздуха от воды и двуокиси углерода в регенераторах
- •Учебный вопрос № 3. Способы обеспечения незабиваемости регенераторов
- •Практическое занятие № 4. Ректификационные колонны Учебный вопрос № 1. Назначение и состав ректификационных колонн
- •Учебный вопрос № 2. Классификация ректификационных колонн.
- •Учебный вопрос № 3. Конструкция ректификационных колонн промышленных установок разделения воздуха
- •Тема № 7. Контроль качества газов, применяемых в авиации Лекция № 1. Определение содержания веществ в газе. Учебный вопрос № 1. Требования к качеству газов, применяемых в авиации
- •Учебный вопрос № 2. Виды и объемы контроля качества газов, применяемых в авиации.
- •Учебный вопрос № 3. Определение содержания кислорода и азота в газовых смесях.
- •Учебный вопрос № 4. Определение содержания ацетилена, масла и вредных примесей в кислороде
- •Групповое занятие № 2. Приборы для определения влажности и качества газов, применяемых в авиации. Учебный вопрос № 1. Приборы для определения влажности газов
- •Учебный вопрос № 2. Современные методы и приборы контроля качества газов
- •Расчетные
- •Визуально
- •Инструментальные
- •Учебный вопрос № 3. Методы измерений и приборный парк
Учебный вопрос № 3. Двукратная ректификация бинарной смеси
Двукратная ректификация – это процесс разделения жидкого воздуха на кислород и азот в два этапа: вначале жидкий воздух обогащается кислородом, а затем он разделяется на жидкий кислород и газообразный азот.
Схема кислородного аппарата двукратной ректификации приведена на рис. 6. Этот аппарат состоит из двух ректификационных колонн. В нижней колонне А происходит предварительное разделение воздуха на жидкий азот и обогащенную кислородом азото-кислородную смесь. Эти жидкости исполь-зуются затем для орошения верхней колонны Б, в которой воздух окончательно разделяется на кислород и азот.
Сжатый в компрессоре и охлажденный в теплообмен-нике воздух по трубе 1 поступает в змеевик испа-рителя 3. В кубе 2 находится жидкая смесь, состоящая из 45 % кислорода и 55 % азота. В змеевике 3 воздух конден-сируется и через дроссельный вентиль 4 подается в середину колонны А. Стекая по тарелкам колонны, жидкий воздух встре-чается с поднимающимися па-рами, вследствие чего проис-ходит предварительная ректи-фикация жидкого воздуха.
Между верхней и нижней колоннами расположен конден-сатор В, состоящий из боль-шого числа вертикальных тру-бок 8, концы которых впаяны в горизонтальные трубные ре-шетки 9. Внутреннее про-странство трубок сообщается с нижней колонной, работающей под избыточным давлением 0,45÷0,55 МПа. Это давление в нижней колонне устанав-ливается самопроизвольно в соответствии с тепловой на-грузкой конденсатора.
Кислород чистый
6
Рис. 6. Схема кислородного аппарата двукратной ректификации
При данных составах пара в верхней части нижней колонны и жидкости в конденсаторе количество конденсирующихся паров азота определяется высотой уровня жидкого кислорода между трубками конденсатора (т.е. размером действующей поверхности теплопередачи в конденсаторе) и величиной давления в нижней колонне А. Межтрубное пространство конденсатора сообщается с верхней колонной Б, избыточное давление в которой не превышает 0,05 МПа; это давление обусловлено сопротивлением линий отвода продуктов разделения (кислорода и азота из колонны).
Жидкий кислород заполняет межтрубное пространство конденсатора. Поскольку избыточное давление паров азота составляет около 0,5 МПа, а паров кислорода – около 0,05 МПа, температура конденсации паров азота на несколько градусов превышает температуру жидкого кислорода. Вследствие этого азот конденсируется в трубках конденсатора и стекает в нижнюю колонну, орошая ее насадку, расположенную выше ввода жидкого воздуха из змеевика испарителя, и обеспечивает процесс ректификации на ней.
Остальная часть жидкого азота (концентрация 94–97 %) собирается в карманах 7 конденсатора и через азотный дроссельный вентиль 11 подается на орошение верхней тарелки колонны Б. В ту же колонну, примерно на уровне 2/3 ее высоты, через кислородный дроссельный вентиль 6 подается жидкая азото-кислородная смесь (кубовая жидкость) из куба 2. В результате ректификации в верхней колонне, в межтрубном пространстве конденсатора собирается жидкий кислород концентрации 99,5÷99,8 %. Пары его частично поднимаются вверх по колонне и участвуют в процессе ректификации, в частично отводятся по трубе 10 в теплообменник и затем направляются в газгольдер готового продукта. Азот концентрации 97–98 % собирается в верхней части колонны Б и по трубе 12 через теплообменник удаляется в атмосферу.
Благодаря тому, что в верхнюю часть колонны аппарата двукратной ректификации подается почти чистый жидкий азот, отходящий азот (при достаточном орошении верхней тарелки) содержит не более 2-3 % кислорода. Следовательно, потери кислорода с азотом значительно меньше, чем в аппаратах однократной ректификации, и процесс разделения воздуха при двукратной ректификации более экономичен.
Воздушный дроссельный вентиль ставят после змеевика куба нижней колонны и пропускают через него весь воздух. Конденсируясь в змеевике, воздух одновременно испаряет часть кубовой жидкости, образуя пары для ректификации на тарелках, расположенных ниже уровня ввода воздуха в колонну. Жидкий воздух, стекая вниз, несколько обогащается кислородом (примерно 45 %), что соответственно уменьшает количество азота в кубовой жидкости, а это дает возможность увеличить количество азота, подаваемого в верхнюю колонну, и тем улучшить в ней процесс ректификации. Змеевики в кубе колонны устанавливаются только в воздухоразделительных аппаратах небольшой производительности, работающих с использованием воздуха высокого давления.
Змеевика в кубе колонны может и не быть. В этом случае, воздух после теплообменников по трубе 1 (рис. 7) поступает к дроссельному вентилю 2, в котором давление понижается до давления в нижней колонне 3, а затем непосредственно в куб 4 колонны. При дросселировании воздух частично сжижается и собирается в кубе 4 нижней колонны, образуя жидкость, обогащенную кислородом до 35–39 %. Эта жидкость по трубе 5 подается через кислородный дроссельный вентиль 6 на дальнейшую ректификацию в верхнюю колонну. Туда же подается через дроссельный вентиль 7 жидкий азот из карманов конденсатора 8. Часть воздуха из куба поднимается в виде пара и подвергается ректификации на тарелках 9 нижней колонны при соприкосновении со стекающей жидкостью.
В крупных аппаратах с циклами низкого давления змеевики в кубе нижней колонны не ставятся. Воздух низкого давления в этом случае сжимается до давления в нижней колонне и вводится в нее над поверхностью жидкости в кубе в состоянии сухого насыщенного пара.
В установках высокого и среднего давления для получения жидкого и газообразного кислорода, работающих по холодильным циклам с использованием детандеров, воздух после детандера вводится также непосредственно в куб нижней колонны.
В зависимости от конкретных условий использования аппаратов ректификации в установках разделения воздуха схемы аппаратов, изображенных на рис. 6 и 7 могут претерпевать те или иные изменения.
8
7
9
9
1
6
5
2
4
Рис. 7. Схема нижней колонны без змеевика
в кубе колонны
Эти изменения могут быть вызваны следующими причинами:
уменьшением высоты воздухоразделительного аппарата;
требованиями получить наряду с кислородом чистый азот и другие компоненты воздуха;
стремлением снизить расход энергии на процесс ректификации.
Уменьшение высоты аппарата достигается установкой колонны высокого давления 1 рядом с колонной низкого давления 3. При этом используются два конденсатора-испарителя: один (2) устанавливают над колонной высокого давления, а другой (4) – под колонной низкого давления. Часть кубовой жидкости подается через дроссельный вентиль в конденсатор колонны высокого давления. Пары кубовой жидкости из конденсатора
направляются в середину колонны низкогодавле-ния. Однако при этом уменьшается количество флегмы в колонне низко-го давления, и с отходя-щим азотом теряется зна-чительное количество кислорода. Приведенная на рис. 8 схема нашла применение в установках небольшой производи-тельности, в которых расход энергии не имеет решающего значения.
А
2
3
1
R N
К
4
В
Рис. 8. Схема воздухоразделительного аппарата с распо-
ложением колонны высокого и низкого давления
на одном уровне