2.10. Анализ результатов расчета различных криогенных циклов

Для анализа эффективности работы различных криогенных циклов сведем результаты расчета циклов в единую таблицу 2.8.

Таблица 2.8

Результаты расчета различных криогенных циклов

Криогенные циклы/ параметры	Давление в технологическом контуре, р, МПа	Температура на входе в криогенный блок, Т, К	Температура перед детандером, Т, К	Доля воздуха расширяемого в детандере, Д	Доля ожиженного воздуха, Х	Удельная работа в цикле, lц, кДж/кг	Удельный расход энергии на единицу ожиженного воздуха	Эксергетический КПД цикла, е
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Криогенный дроссельный цикл Линде	20	300	-	-	0,0384	701,82	5,077	0,0284

Продолжение таблицы 2.8

1	2	3	4	5	6	7	7	8
Криогенный дроссельный цикл с предварительным внешним охлаждением	20	300	-	-	0,0866	711,82	2,283	0,0632
Детандерный криогенный цикл высокого давления Гейляндта	20	300	280	0,55	0,192	638,07	0,923	0,156
Детандерный криогенный цикл среднего давления Клода	4,0 7,0	300 960	176 207	0,65 0,65	0,050 0,096	457,68 518,5	2,54 1,5	0,0568 0,096
Детандерный криогенный цикл низкого давления Капицы	0,6	300	130	0,7	0,0188	196,23	2,9	0,0497
Криогенный детандерный цикл двух давлений	0,6 3,0	300	130 225	1	0,205	569,26	0,771	0,187
Криогенный детандерный цикл с совмещенным циркуляционным контуром	1,7	300	175	2	0,253	910	0,999	0,146

Криогенный дроссельный цикл Линде наиболее простой и первый цикл, который был применен Линде для создания воздухоразделительной установки высокого давления. Благодаря высокому давлению, 20 МПа, примененному в этом цикле, изотермический дроссель-эффект оказался достаточно высок, чтобы доля ожиженного воздуха была на уровне 3-4 %.

Однако высокое давление вызвало и большую удельную работу в цикле, которая составила ≈ 700 кДж/кг, что привело к большим удельным расходам на единицу ожиженного продукта, более 5 кВтч/кг и низкому эксергетическому КПД = 3 %. Кроме этого, высокое давление в цикле вызывает целый ряд негативных последствий: невысокий ресурс работы, высокий уровень шума и вибраций, тяжелые регламентные работы при эксплуатации установки и пр.

Применение в криогенном дроссельном цикле предварительного внешнего охлаждения, типа, аммиачного охлаждения в первых установках или холодильной машины относительно небольшой мощности привело к существенному улучшению, практически, всех показателей установки.

Благодаря дополнительной холодопроизводительности, производимой холодильной машиной относительно небольшой мощности привело к существенному улучшению, практически, всех показателей установки: дополнительной холодопроизводительности, производимой холодильной машиной на температурном уровне Т = 270-280 К, доля выхода жидкого продукта Х увеличилась более чем в два раза и достигло 8,7 %, что привело к существенному снижению удельного расхода энергии на единицу ожиженного продукта, более чем в 2 раза, и возрастанию эксергетического КПД до 6,3 %.

Включение поршневого детандера в установку высокого давления, выполненное Гейляндтом, привело к резкому возрастанию всех основных показателей криогенного дроссельного цикла. Доля выхода ожиженного продукта Х возросла в несколько раз и достигла величины Х = 19 %, а удельные расходы энергии на единицу ожиженного продукта резко снизились и стали равны = 0,923. Эксергетический КПД вырос до 15,6 %. По циклу высокого давления Гейляндта с поршневым детандером до сих выполняются ВРУ малой производительности с выдачей жидких продуктов, однако цикл высокого давления, не смотря на свою хорошую экономичность, имеет целый ряд недостатков, о которых уже упоминалось ранее.

Детандерный криогенный цикл среднего давления, разработанный Клодом во Франции еще в начале 19-го столетия, также широко применяется до сих пор при разработке ВРУ среднего давления. По этому циклу в НПО «Кислородмаш» г. Одесса был разработан целый ряд ВРУ средней производительности по производству как газообразных под давлением, так и жидких продуктов разделения воздуха. однако по сравнению с циклом высокого давления он уступает ему по ряду показателей и экономичности. Доля выхода ожиженного продукта Х в этом цикле при давлении = 4 МПа составляет всего 5 %. В связи с этим существенно выросли и удельные расходы энергии на единицу ожиженного продукта до 2,5 кВт.ч/кг и значительно снизил эксергетический КПД установки и составил всего 6 %.

Для повышения доли ожиженного продукта Х в этом цикле давление после компрессора повышают до 7,0 МПа, что существенно улучшает показатели установки: доля выхода жидкого продукта Х = 0,096, а удельный расход энергии на единицу ожиженного продукта = 1,5 кВтч/кг. Однако применяемый оппозитный поршневой компрессор по своим габаритам и весу значительно превосходит турбокомпрессор, который в настоящее время стал применяться в этом цикле при давлении 3-3,5 МПа.

Детандерный криогенный цикл низкого давления Капицы с точки зрения получения жидких продуктов значительно уступает циклу высокого давления по своей экономичности. Доля выдачи жидкого продукта в нем составляет всего 2-3 % и, как следствие, высокий удельный расход энергии на единицу ожиженного продукта. Но цикл низкого давления разрабатывался и применяется до сих пор для других целей – для получения технологического и технического газообразного кислорода и чистого газообразного азота. И в этом смысле он не заменим. Применение в нем турбокомпрессора и эффективного турбодетандера по своим массогабаритным и эксплуатационным показателям приводит к значительному превосходству цикла среднего, и цикла высокого давлений.

Цикл низкого давления в последнее время настолько стал привлекательным, что при соответствующей модернизации этого цикла он может прекрасно работать в режиме получения жидких продуктов разделения воздуха.

Доказательством этому является криогенный детандерный цикл двух давлений и криогенный детандерный цикл низкого давления с совмещенным циркуляционным контуром.

В криогенном детандерном цикле двух давлений, практически, независимо друг от друга работают два цикла. Один цикл низкого давления, который является технологическим, и полностью повторяет цикл низкого давления Капицы. Он предназначен для проведения процесса низкотемпературной ректификации воздуха и получения кислорода, азота и аргона. Другой холодопроизводящий циркуляционный контур, главным назначением которого является производство холода. Правильное сочетание этих двух контуров позволяет с высокой эффективностью получать как газообразные, так и жидкие продукты разделения воздуха.

При использовании первого контура при давлении 0,6 МПа на турбокомпрессоре и второго контура при давлении 3,0 – 3,5 МПа тоже на турбокомпрессоре позволяет увеличить долю выхода жидких продуктов до 20 % и выше, что резко улучшает основные показатели установки. Удельный расход энергии на единицу выхода жидких продуктов в этом контуре составляет 0,75 – 0,8 кВтч/кг, и эксергетический КПД достигает = 18 – 19 %, что выше, чем в установках высокого давления.

Недостатком этого цикла является относительная сложность как схемного решения, так и применяемого оборудования. Два турбокомпрессора и два турбодетандера, применяемые в этом цикле, существенно усложняют установку.

Для упрощения, как схемного решения, так и применяемого оборудования в НТК «Криогенная техника» г. Омск под руководством профессора Бумагина Г.И. была предложена и разработана ВРУ малой и средней производительности для выдачи жидких продуктов, построенная по циклу низкого давления с применением совмещенного циркуляционного контура [5,6,7,8]. Этот цикл базируется на применении одного двухступенчатого винтового компрессора и одного турбодетандер-компрессорного агрегата (ТДКА) (рис. 2.7).

Применение и в основном технологическом, и циркуляционном контуре одного давления после винтового компрессора 1,0 -1,3 МПа и дожатия в компрессорной ступени ТДКА до 1,7 МПа приводит к выходу доли ожиженного продукта до Х = 0,253, что снижает удельный расход энергии на единицу жидкого продукта до ≈ 1,0 кВтч/кг, эксергетический КПД данной установки находится на уровне = 15 %. Это несколько ниже, чем в установках двух давлений, но выше, чем в установках высокого и среднего давлений. Выбор того или иного цикла определяет конструктор, который при разработки установки должен правильно оценить все негативные и положительные стороны выбранного цикла.

3. Физические основы разделения воздуха методом

низкотемпературной ректификации

3.1. Особенности применения криогенных циклов

в воздухоразделительных установках

Основным методом разделения воздуха на составляющие компоненты в современной технике является метод низкотемпературной ректификации, на основе которого строятся современные ВРУ. Для проведения низкотемпературной ректификации воздуха его необходимо предварительно охладить до температуры конденсации, при давлении процесса ректификации и частично ожижить. Для этого применяют различные криогенные циклы, рассмотренные в главе 2. При рассмотрении этих циклов процесс ректификации в разделительных колоннах условно заменялся сосудом С с долей сжиженного воздуха, откуда она отводится или в качестве жидкого продукта в количестве Х при ожижительном режиме, или испаряется при температуре за счет подвода тепла от низкотемпературного источника тепла при рефрижераторном режиме работы. Величина в этом случае является холодопроизводительностью рассматриваемого криогенного цикла. И то и другое справедливо, если к рассматриваемому криогенному циклу, вместо сосуда С в криогенный цикл включить разделительные колонны, где протекает процесс низкотемпературной ректификации воздуха на его составляющие компоненты.

В случае ожижительного режима работы из установки выводится не условная доля Х ожиженного воздуха, а жидкие продукты разделения воздуха: жидкий кислород, жидкий азот и жидкий аргон, но их суммарное количество, примерно, равно доли Х ожиженного воздуха.

При ректификационном режиме работы из установки выводятся газообразные продукты разделения воздуха: кислород, азот, аргон и редкие газы, а холодопроизводительность , вырабатываемая криогенной установкой, должна покрывать все потери холода, имеющие место в установке: от теплопритоков из окружающей среды , от недорекуперации газов на теплом конце теплообменника , от адсорбции газов в блоке очистки и осушки и другие потери, связанные с выдачей продуктов разделения воздуха из установки, например потери в жидкостном насосе в случае выдачи продуктов разделения воздуха под давлением.

Однако соединение криогенного цикла с блоком ректификации воздуха не всегда совпадает с оптимальной работой того или иного криогенного цикла. Например, применение криогенного цикла низкого давления к процессу ректификации воздуха не позволяет в современных технологических схемах ВРУ увеличить долю отбираемого газа (воздуха) на детандер более чем на 0,2-0,3, в то же время в отдельном криогенном цикле и ожижительном, и рефрижераторном режимах работы её можно довести до 0,8, что существенно увеличивает холодопроизводительность данного криогенного цикла. Поэтому технологическую схему ВРУ необходимо строить таким образом, чтобы процессы ректификации воздуха в разделительных колоннах позволяли проводить работу криогенного цикла с максимальной холодопроизводительностью, что позволяет увеличить выход продуктов разделения воздуха и снизить удельные расходы энергии на единицу продукции. Поэтому для оптимального построения технологической схемы ВРУ необходимо хорошо знать физические процессы ректификации воздуха в разделительных колоннах, и в зависимости от назначения ВРУ и её режима работы, правильно применить тот или иной криогенный цикл, при котором расход энергии на единицу продукции будет минимальным, а термодинамический или эксергетический КПД будет максимальным.