1.5. Основные элементы и блоки вру

Не смотря на большое различие ВРУ по производительности и применяемому давлению, все ВРУ содержат одни и те же основные элементы и блоки:

• блок сжатия и предварительного охлаждения воздуха;

• блок осушки и очистки воздуха от влаги, углекислоты и примесных углеводов;

• криогенный блок, служащий для производства холода, охлаждения и частичного ожижения воздуха;

• блок разделения воздуха на его составляющие компоненты: кислород, азот и аргон, - методом низкотемпературной ректификации;

• для крупных установок – специальный блок для извлечения из воздуха чистого аргона и редких газов – криптона и ксенона;

• блок наполнения, хранения и распределения продуктов разделения воздуха;

• блок управления ВРУ.

Каждый из этих блоков имеет свое назначение.

• Блок сжатия и предварительного охлаждения воздуха предназначен для изотермического сжатия воздуха при температуре окружающей среды до определенного давления. Главными его элементами являются компрессор с его промежуточными и конечными холодильниками – теплообменниками, азотно-водяными скрубберами и оросительными воздушными скрубберами, в которых происходит охлаждение сжатого воздуха, по возможности близкому к изотермическому, так как при изотермическом процессе сжатия воздуха затрачивается наименьшая работа. При этом, чем ниже будет температура воздуха после сжатия, тем меньше будет необратимых потерь в установке.

Сжатие воздуха производится в компрессорных агрегатах самого различного типа в зависимости от необходимого давления и их производительности в турбокомпрессорах, поршневых, винтовых и других компрессорах. Компрессорные агрегаты являются основными потребителями электроэнергии или тепловой энергии при приводе от паровой турбины. Одна из основных задач правильного выбора компрессорного агрегата – это наименьшие затраты энергии на сжатие воздуха, с минимальными шумовыми и вибрационными характеристиками.

• Блок очистки и осушки воздуха необходим для надежной работы машин и аппаратов при низших температурах. Известно, что в атмосферном воздухе, кроме механических примесей, содержатся пары воды (влага), двуокись углерода 0,03 %, закись азота и углерода и примеси углеводородов (см. таблицу 1.1).

Для создания нормальных условий работы низкотемпературных ВРУ необходимо очистить воздух от этих примесей. При низких температурах и влага, и углекислота начинают вымораживаться на поверхностях теплообменных аппаратов и проточной части машин, - детандеров, «забивая» их рабочие поверхности и элементы, что недопустимо для нормальной работы установки. Требуется создание надежных систем для осушки и очистки воздуха от этих примесей.

В низкотемпературной технике известно несколько способов очистки и осушки воздуха и газов от примесей, но все они подразделяются на два метода: химический и физический.

Данные эффективности различных методов осушки газов и воздуха приведены в таблице 1.5 [5].

Таблица 1.5

Зависимость точки росы осушенного воздуха от способа осушки

Способ осушки	Точка росы, оС	Способ осушки	Точка росы, оС
Поглощение: Хлористым кальцием	- 14	Вымораживание: предварительным аммиачным охлаждением	- 40
Едким натром	- 19
Едким калием	- 58
Адсорбция: Силикагелем	- 52
Активным глиноземом	- 64
Цеолитами	- 70

Как видно из табл. 1.5 наиболее эффективным способом осушки является осушка с помощью адсорбентов на цеолитах.

Химический метод очистки газов и воздуха основан на свойствах ряда веществ при определенных условиях вступать в химическую реакцию с химически активными примесями. Эти методы нашли широкое применение в низкотемпературной технике на ранней стадии разработки ВРУ. Например, химическая очистка воздуха от СО₂ осуществляется путем его взаимодействия с водным раствором NaОН или КОН. Очистка аргона и водорода от кислорода О₂ производится методом каталитического гидрирования и т.д. Все эти методы достаточно хорошо и полно отражены в литературе [1, 2,4,10,11].

К физическим методам очистки воздуха и газов от примесей относятся вымораживание и адсорбция. Метод вымораживания подробно изложен в [11]. Сравнительно мало работ опубликовано по использованию адсорбционной очистки газов и воздуха от примесей, но который находит все большее применение в современной низкотемпературной технике, как наиболее эффективный. Например, адсорбционная осушка воздуха с помощью цеолитов, типа NaX и др. позволяет осушить воздух до точки росы (-70 ^оС), что не удается химическими методами и вымораживанием.

• Главным назначением криогенного блока во ВРУ является производство холода, охлаждение и частичное ожижение воздуха. Криогенный блок представляет собой машины и устройства (включая компрессор) производящие холод и различного рода теплообменные аппараты. Основными машинами и устройствами, производящих холод в современных ВРУ – это компрессорные агрегаты, дроссельные устройства (дроссельные вентили), расширительные машины – детандеры и холодильные машины. Каждые из этих машин и устройств производят холод на соответствующем температурном уровне, обеспечивая суммарную холодопроизводительность установки.

Под холодопроизводительностью установки , измеряемой в Вт или кВт, понимается произведение

,

(1.1)

где - расход хладагента или криоагента (в т.ч. воздуха) в единицу времени (секунду); - перепад энтальпий криоагента или хладагента.

Холод производится в результате расширения газа или воздуха в расширительной машине – детандере или изотермического дроссель-эффекта или внешнего охлаждения.

Как видно из (1.1) количество холода (холодопроизводительность установки) можно получить и регулировать как расходом криоагента , так и разностью энтальпий , которая определяется в основном разностью давлений при расширении газа и давлением в установке после компрессора.

Применяются множество самых различных криогенных циклов, систем и установок для обеспечения необходимой холодопроизводительности ВРУ. В качестве криоагента применяются воздух, азот или, стстемвке после компрессора. энтальпий .., которая определяется в основном разность другие хладагенты при различных давлениях (низком – до 2 МПа; среднем – 3,0 – 7,0 МПа и высоком – 18,0 – 20,0 МПа). Все они имеют свои преимущества и недостатки. Правильный выбор необходимой криогенной системы обеспечивает минимальный расход энергии на единицу продукции, хорошие массогабаритные характеристики и лучшие условия эксплуатации и безопасной работы ВРУ.

• Блок разделения охлажденного и частично ожиженного воздуха предназначен для разделения воздуха на основные его составляющие: кислород, азот и аргон, - методом низкотемпературной ректификации. При этом продукты разделения воздуха в зависимости от назначения установки могут выдаваться как в газообразном состоянии под атмосферным давлением, необходимым для технологического процесса, или под высоким – в баллонах с давлением 15 МПа и выше, так и в сжиженном состоянии.

Блок разделения содержит ректификационные колонны одну или две: нижнюю и верхнюю (при производстве кислорода и азота), - между которыми расположен конденсатор-испаритель, теплообменники-переохладители и дроссельные устройства, а также несколько ректификационных колонн – две или три при производстве аргона.

От конструкции ректификационных колонн, правильного выбора их высоты и диаметра, количества и конструкции ректификационных тарелок и межтарельчатого расстояния, или высоты и формы регулярных насадок и правильной их укладки в колонне зависит чистота и количество продуктов разделения воздуха: кислорода, азота и аргона.

• Блок наполнения, хранения и распределения продуктов разделения служит для выдачи продуктов разделения воздуха при необходимых состоянии и параметрах: в жидком или газообразном состоянии. Он содержит различного рода емкости сосуды, типа газгольдеров, реципиентов, наполнительной рампы с баллонами, а также сосуды со специальной низкотемпературной изоляцией для хранения, транспортировки и выдачи сжиженных продуктов: кислорода, азота, аргона.

При выдачи продуктов разделения воздуха под давлением в этот блок входит также специальный компрессорный цех, для сжатия кислорода или азота до определенного давления или жидкостные насосы для подачи жидких продуктов под давлением.

Все эти перечисленные элементы и блоки требуют правильного их выбора и соединения в единую принципиальную схему, которая определяет эффективность работы всей установки и основные ее характеристики: количество продуктов разделения, удельный расход энергии на единицу продукции, массогабаритные характеристики, продолжительность рабочей компании, эксплуатационную надежность и безопасность работы, потребительские качества и стоимость.