1.7. Особенности современных воздухоразделительных установок (вру)

В последнее десятилетие в России и за рубежом ВРУ непрерывно совершенствовались. Начиная с 1995 г. ОАО «Криогенмаш» приступил к разработке ВРУ нового поколения на низком давлении [1]. Современные ВРУ этого типа – это установки комплексного извлечения особо чистых продуктов: кислорода, азота, аргона и в крупных установках – концентрированных смесей криптона, ксенона, неона и гелия. Оптимальным для крупных ВРУ технического кислорода является получение части продуктов в жидком виде. Для ВРУ низкого давления ОАО «Криогенмаш» разработала типоразмерный ряд (см. табл. 4.1).

Они отличаются от прошлых ВРУ новыми схемными решениями, в которых применяются: очистка воздуха на молекулярных силах (на цеолитах); непосредственное использование энергии детандирования для повышения рабочего давления воздуха и детандерного потока; очистка аргона от кислорода с помощью низкотемпературной ректификации; новые эффективные конструкции оборудования: компактные многовальные центробежные компрессоры для сжатия воздуха; скрубберы оросительного типа для охлаждения горячего воздуха после компрессора; одно- и двухслойные адсорберы блоков комплексной очистки и осушки воздуха с укороченным рабочим циклом, минимальным гидравлическим сопротивлением и умеренной температурой регенерации; крупногабаритные пластинчато-ребристые теплообменники (ПРТ); ректификационные колонны с регулярной (структурированной) насадкой, имеющей гидравлическое сопротивление в 5-7 раз меньше, эквивалентных по разделительной способности колонн с ситчатыми барботажными тарелками; турбодетандерно-компрессорные агрегаты с адиабатным КПД 87 % и выше и т.п. Все это позволило повысить степень извлечения кислорода до 98 %, аргона – до 80 % и более, снизить на 20 % энергоемкость установки и, примерно, на столько же уменьшить их массу.

Существенный прогресс достигнут в проектировании азотных установок типа Ад, производящих чистый газообразный азот под давлением 0,6 – 0,8 МПа для предприятий химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Основные усилия разработчиков этих установок направлены на повышение степени извлечения азота, его чистоты и уменьшения давления.

Жидкостные ВРУ низкого давления – новая номенклатура отечественного криогенного оборудования. Ранее жидкостные ВРУ строились на основе только циклов среднего (ЦСД) и высокого (ЦВД) давлений. При традиционной оценке по удельному расходу электроэнергии и удельной металлоемкости жидкостные ВРУ низкого давления уступают установкам среднего и высокого давлений. Однако уже в течение длительного времени в технике воздухоразделения наблюдается тенденция к понижению рабочего давления воздуха до значений, которые могут быть обеспечены более простыми и надежными винтовыми или центробежными компрессорами. Простота устройства ВРУ низкого давления, надежность в эксплуатации, возможность полной автоматизации и т.д. компенсируют проигрыш в расходе энергии.

Ведущие криогенные фирмы, как «Air Liquid» (Франция), и «Air products» (США) «Linde» (Германия) и др. выпускают стандартные ВРУ низкого давления для производства жидких продуктов, в том числе достаточно малые (100-300 кг/ч) и достаточно крупные до 3 000 кг/ч жидких продуктов.

ВРУ среднего и высокого давлений, как правило, предназначены для получения жидких и сжатых до 20 МПа продуктов разделения воздуха. Для этого требуется достаточно большая холодопроизводительность, вырабатываемая непосредственно в установке. Получение во ВРУ сжатых продуктов с помощью насосов сжиженных газов также требует компенсации возникающих при этом дополнительных затрат холодопроизводительности. Чем выше давление сжатия, тем больше удельная холодопроизводительность ВРУ, и тем большая доля продукта может быть отведена в жидком состоянии.

С созданием турбодетандеров среднего и высокого давлений в значительной мере были решены технические проблемы производства холода в таких установках. При производительности по жидким продуктам 1 000 кг/ч и более, предпочтительнее средние давления, так как при этом для сжатия воздуха можно использовать центробежные компрессоры с конечным давлением 3 – 4 МПа. Преимущества центробежных компрессоров при этом имеют решающее значение, не смотря на то, что удельная холодопроизводительность установки среднего давления меньше, чем у установки высокого давления.

По схеме цикла среднего давления воздуха (3 МПа) в сочетании с азотным циркуляционным контуром того же давления в начале 80-х годов построена установка Кж Аж Арж-6 (кислород жидкий – 6 000 кг/ч); азот – жидкий 1670 кг/ч; аргон жидкий – 290 кг/ч). Установка базируется на двух центробежных компрессорах типа К-390 (один – на воздухе, другой – на азоте), которая и сегодня является одной из наиболее экономичных установок. Её создание было обусловлено большими потребностями в жидких продуктах ракетно-космического комплекса, интенсивно развивающегося в те годы.

Принципиально новым для современных ВРУ среднего давления небольшой производительности является получение аргона. Особенно важным это становится для установок, которые эксплуатируются в районах, где других производителей аргона нет. Трудоемкость и нецелесообразность получения аргона на ранее выпускаемых ВРУ небольшой производительности определялись существенным усложнением технологической схемы и состава оборудования. Эти трудности в установках нового поколения решены, во-первых, реализацией новой схемы узла получения аргона полностью по методу низкотемпературной ректификации, во-вторых, применением герметичного вакуумного кожуха для холодного блока ВРУ, где размещается оборудование для получения аргона.

Общими тенденциями развития ВРУ на современном этапе является: снижение расхода электроэнергии на производство продуктов разделения воздуха; материалоемкость (особенно экономия коррозийно-стойкой стали); повышение надежности установок, автоматизация процессов управления ВРУ.

Для повышения эффективности ВРУ ведущие предприятия отрасли и зарубежные фирмы ведут большую работу по оптимизации технологических схем установок и их параметров; созданию более эффективных компрессоров, детандеров, тепло- и массообменной аппаратуры, изоляции, а также совершенствованию технологии производства и сборки. Например, по данным отечественных предприятий и зарубежных фирм, средние значения изотермических КПД турбокомпрессоров для крупных ВРУ достигает 0,7 – 0,75, адиабатные КПД турбодетандеров для этих установок составляют 0,85-0,92. Использование микропроцессорной техники для управления ВРУ дает существенную экономию электроэнергии, предотвращая неоправданные выбросы производственных продуктов в атмосферу при переменном графике их потребления. Существенное снижение материалоемкости и экономия коррозийно-стойкой стали, обеспечивает применение эффективных пластинчато-ребристых теплообменников новых типов, конденсаторов-испарителей и внедрение новых материалов.

В связи с этим на современном уровне развития криогенной техники и техники вообще проблему снижения затрат на производство продуктов разделения воздуха следует рассматривать как комплексную межотраслевую проблему. Это подтверждает отечественный опыт и опыт крупнейших зарубежных фирм, выпускающих ВРУ: «Air Liquir»(Франция); «PRAXAIR» (США), «Linde» (США, Германия); «Air products» и «Petrocarbon» (США, Англия); «British Oxyqen» (Англия), «Kobe Steel» (Япония); Rivoirа» (Италия) и др.

2. Криогенные циклы, применяемые в

воздухоразделительных установках (ВРУ)

2.1. Основные криогенные циклы, применяемые во ВРУ,

потери холода в криогенных циклах

При создании воздухоразделительных установок в первую очередь необходимо выбрать наиболее целесообразный криогенный термодинамический цикл и принять соответствующие значения его параметров, чтобы обеспечить высокую экономичность, надежность в работе и оптимальную конструкцию установки. Обоснованный выбор криогенного цикла и его параметров существенно влияет на эффективность работы и характеристики установки.

Основными криогенными циклами, применяемыми во ВРУ являются:

• криогенный дроссельный цикл;

• криогенный дроссельный цикл с предварительным внешним охлаждением;

• криогенный дроссельный цикл с несколькими ступенями промежуточного внешнего охлаждения;

• детандерные криогенные циклы, которые включают:

• цикл высокого давления Гейляндта;

• цикл среднего давления Клода;

• цикл низкого давления Капицы;

• криогенный детандерный цикл двух давлений;

• криогенный детандерный цикл с циркуляционным контуром.

Каждый их этих циклов имеет свои преимущества и недостатки и своё назначение.

Как правило, он включает систему и блок сжатия и предварительного охлаждения воздуха, блок очистки и осушки воздуха, блок производства холода, охлаждения и частичного ожижения воздуха. Первые три цикла в настоящее время применяются крайне редко, чтобы обеспечить необходимую холодопроизводительность установки, только за счет дросселирования требуется высокое давление. Приходится применять дополнительное внешнее охлаждение, которое, безусловно, увеличивает холодопроизводительность установки, но давление остается высоким. Современные тенденции к понижению давления в установке требует применять криогенные циклы с детандерами.

Рассмотрим эти основные криогенные циклы и дадим термодинамическую оценку эффективности их работы. На термодинамическую эффективность криогенных циклов в значительной мере влияют потери холода, поэтому перед рассмотрение криогенных циклов рассмотрим основные потери холода, имеющие место в криогенных циклах.