книги из ГПНТБ / Софронов А.Л. Технология связанного азота курс лекций

- 70 -

Составим энергетический баланс процесса, для чего определим статьи прихода и расхода энергии.

Приход:

1)тепло,- эквивалентное работе сжатия воздуха в компрессоре (<?*);

2)тепло, полученное воздухом в противоточном теплообменнике {в,Х

Как видно из диаграммы Т-S , Q,= i f Расход:

I) тепло, отданное воздухом в водяном холодильнике

h ~Ls ■

Приравнивая приход к расходу, получаем:

ш ш ( і г - і3) = ( і , - t j t Q , ,

9

Таким образом, холодопроизводительность воздушной холодиль­ ной малшны равна количеству тепла, отданного воздухом в водяном холодильнике, минус тепло, эквивалентное затраченной внешней ра­ боте.

По такому циклу получить жидкий воздух невозможно,так как дросселирование в данном случае не приводит к необходимому сни­ жению температуры (при дросселировании от 200 до I ат ^ = І7°С, понижение температуры, составляет всего 40°).

Для достижения низких температур, необходимых для сжижения воздуха, в цикл перед дроссельным.вентилем вводится противоточ­ ный теплообменник, охлаждаемый нескондѳнсировавшимся воздухом низкого давления.

Цикл Линде с простым дросселированием

- Схема этого цикля и его диаграмма Г- S показана на рис.14. Воздух сжимается в компрессоре до 200 ат и охлаждается в водя­ ном холодильнике до исходной температуры (линия 1-2). Сжатый воздух поступает в противоточный теплообменник, где охлаждается обратным поток« несконденсировавшегося воздуха (линия 2-3). Ох­ лажденный газ дросселируется (линия 3-4) и поступает в отдели­ тель жидкости, где отделяется сжиаеннад часть воздуха. Несжижея-

- т а ­ ны* воздух в виде сухого насыщенного пара проходит межтрубное про-

стран, *во теплообменника, отдавая свой холод встречному потоку воздуха высокого давления.

Рис.14. Цикл Линде с простым дросселированием

Составим энергетический баланс противоточного теплообменника при переработке I кг воздуха. При количестве сжиженного воздуха х холодопроизводительность цикла, т.е. необходимое для охлаждения и конденсации этого воздуха количество холода

Q = x

холодопроизводительности воздушной холодильной машины и не за­ висит от работы противоточного теплообменника.

- 72 -

Величина холодопроизводительностн любого холодильного цикла зависит только от состояния воздуха на теплом конце теплообменни­ ка. Теплообменник не влияет на холодопроизводительность установок, введение его в схему, преследует цель получения необходимых для сжижения воздуха низких температур.

Поскольку хдлодопроизводительность циклов опрет°ляется тем­ пературой воздуха на входе в противоточный теплообменник,возмож­ но ее увеличение за счет предварительного охлаждения воздуха с помощью аммиачной холодильной машины, Аммичное охлаждение повыша­ ет и экономичность установки, так как проводится на более высоком температурном уровне. Поэтому энергии на единицу вырабатываемого холода расходуется значительно меньше, чем при низких температурах.

Работа, затрачиваемая на сжижение воздуха в циклах Линде,зна­ чительно больше минимальной вследствие необратимости процессов,осуществлявдихся в теплообменнике и дроссельном вентиле. Необратимость действия дроссельного вентиля можно снизить, применив двухступенча­ тое сжатие воздуха. В этом случае основной поток воздуха сжимают до 6-7 ат , а оставшийся воздух компримируют до 200 ат.

Цикл с двумя давлениями

Схема цикла и его диаграмма Т- S показаны на рис.15. Воздух сжимается в компрессоре низкого давления А, от давления Р, до Рг .

Рис.І5. Цикл с двумя давлениями

Часть этого воздуха в количестве(М)кг поступает в теплообменник низкого давления П 1, где охлаждается обратным потоке»! несжгаенного воздуха, а затем направляется в ректификационную колонну Д. Вто­ рая часть воздуха в количества (і-М)а-? поступает в компрессор вы-

- 73 -

соного давления Кг , где сжимается от давления Pz до ß . Затем воз­ дух охлаждается в теплообменнике Пг и дросселируется в ректификаци­ онную колонну.

Общая необратимость в этом процессе меньше, чем цикл с прос­ тым дросселированием, где вся масса воздуха расширяется до конеч­ ного давления. Вследствие этого затрата работы в двухступенчатом цикле меньше, чем в одноступенчатом, приблизительно на 30$.

Цикл Клода

Вцикле Клода необратимость дроссельного вентиля уменьшается

врезультате расширения части газа в поршневом детандере с совер­ шением внешней работы. Из-за технических трудностей (затруднена смазка при низкой температуре) в детандере удается расширять толь­ ко часть воздуха и притом до температуры более высокой, чем та, которая устанавливается после редукционного вентиля. Схема процес­

са и диаграмма Т- S приведены на рис. 16.

Рис.16. Цикл Клода

Воздух сжимается в компрессоре Л до давления 40-60 ат, после1 чего охлаждается в теплообменнике nt . Выходящий из теплообменника воздух разделяется на две части: одна часть в количестве (І-М)ягпо­ ступает в детандерѣ и расширяется до атмосферного давления (ли­ ния 3-4); другая часть воздуха (А7) кз. охлаждается в теплообменни­

- 74 -

ках /72 и П3 (линия 3-6), после чего дросселируется (линия 6-7) и поступает в отделитель жидкости О . Пары, образующиеся в.количест­ ве (М - х )к г , проходят теплообменник /7j и затем, соединившись с воздухом из детандера, поступают в теплообменники Пг и /7;.

Расход работы в цикле Клода примерно тот же, что и в двухсту­ пенчатой машине Линде. Основной недостаток процесса - низкий к.п.д. детандера (не более 0,1-0,2).

Цикл Капицы

В 1937 г. в Советском Союзе впервые был получен жидкий воздух на установке низкого давления (6-7 ат ), работающей по схеме ака­

Рис.17. Цикл низкого давления

компрессоре К до давления 6-7 ат, затем поступает в теплообмен­ ник (генератор), где охлаждается нескондѳнснровавшимся воздухом (линия 2-3). После теплообменника воздух разделяется на два пото­ ка. Большая часть воздуха (около 31%) в количестве ( 1 - М ) к г на­ правляется в турбодетандер ТД , в котором расширяется до давления 1,3 ат. Меньшая часть воздуха ( М)кг поступает в межтрубное про­ странство конденсатора С, где охлаждается и конденсируется.Жидкий воздух из межтрубного пространства через дроссельный вентиль в дросселируется с 6 до 1,3 ат и поступает в сборник#. Расширен­ ный воздух из турбодетандера направляется в трубное пространство конденсатора С , а оттуда - в теплообменник П.

- 75 -

По экономичности цикл Капицн не уступает циклам высокого дав­ ления вследствие высокого к.п.д. турбодетандера (0,8). Турбодетан­ дер конструкции Капицы представляет собой одноступенчатую реактив­ ную турбину со скоростью вращения ротора 40-60 тыс.об/мин. Сжатый воздух через направляющие сопла поступает на лопатки рабочего коле­ са и выходит через центральную часть ротора. На одном валу с турбо­ детандером устанавливается турбокомпрессор.

Охлаждение воздуха в турбодетандере происходит за счет изоэнтропного, изэнтральпического эффектов, а также за счет преодоления центробежной силы.

По сравнению с циклами высокого давления цикл Капицы облада­ ет следующими преимуществами:

1. Применение в цикле воздуха низкого давления позволяет ус­ танавливать вместо теплообменников регенераторы (насадочные аппа­ раты), благодаря чему значительно уменьшается недорекуперация и не требуется предварительная очистка воздуха от Нг Ои СОг •

2.Вследствие меньшего конечного давления дросселирования снижаются потери холода при выпуске из системы жидкого воздуха.

3.Значительно уменьшаются потери холода, связанные с рабо­ той детандера (трение, утечка воздуха через сальники).

По циклу низкого давления с турбодетандером в СССР работают крупные азотокислородные установки ЕР-6 и БР-9.

Разделение воздуха

Установки для разделения воздуха и получения чистого азота необходимы для заводов, получающих азотоводородную смесь посред­ ством разделения коксового газа и при производстве водорода элект­ ролизом воды.

Технологический кислород применяется в азотно-туковой промыш­ ленности при переработке природного и попутного газов и газифика­ ции топлив. Для получения азота обычно применяют холодильные цик­ лы с двумя давлениями и промежуточным аммиачным охлаждением, а также установки низкого давления с расширением части воздуха в турбодетандерах.

Направляемый на переработку воздух имеет следующий состав

- 77 -

где 24,5 - мольный объем воздуха при 290°К и I ат (м3/моль).Знак минус показывает, кто энергия должна быть подведена со стороны.

Разделение воздуха с минимальными затратами работы может быть осуществлено при полной обратимости процессов, протекающих

вразделительных аппаратах. Работа действующих установок всегда сопряжена с большей или меньшей необратимостью практически всех процессов тепло- и массообмена. Поэтому затраты энергии в промыш­ ленных установках всегда больше минимально необходимых.

Следует учитывать, что расход энергии на разделение газовых смесей

взначительной степени определяется

чистотой получаемых продуктов. При разделении газов на фракции затраты работы всегда меньше, чем при полу­ чении чистых компонентов.

.Зля разделения газовых и жидких смесей в настоящее время промышлен­ ное применение получили следующие ме­ тоды:

при различных температурах.

Экспериментально определенные Доджем и Денбаром кривые рав­ новесия системы кислород - азот показаны на рис.18. Как видно из рисунка, с повышением давления разница составов жидкой и паровой фаз уменьшается. Она полностью исчезает при критическом давлении.

Рассмотрим изменение состава жидкого воздуха в процессе его перегонки по равновесной диаграмме жидкость - пар, построенной для атмосферного давления (рис.19).

Точка I на диаграмме соответствует составу жидкого воздуха (20,9$ ф . Сообщим системе такое количество тепла, которое при-

- 78 -

ведет к началу испарения воздуха, а температура его останется практически неизменной. В этом случае в равновесии с жидким воз­ духом будет находиться пар с содержанием 6,2# кислорода (точка І)

Поскольку в паре содержится больше азота, чем в жидкости, жидкость в процессе испа­ рения будет обедняться азотом и обогащать­ ся кислородом. При простой перегонке жид­ кого воздуха в паре в конце процесса бу­ дет содержаться газообразный воздух с содержанием 20,9# кислорода (точка Й , а в

Рис.19. Диаграмма равмохе,г быть использована для разделения

новесия системы кисловоздуха на чистые компоненты, так как со­

род - азот в координа­ гласно равновесной диаграмме в ходе про­ тах Г-х(/>= I ат)

цесса возможно получение лишь бесконечно

фмалых количеств азота, содержащего 6,2# кислорода и жидкости, обогащенной кислородом (50,2#(7г). При перегонке с отводом пара равновесие в системе не устанавливается, поэтому в последней бес­ конечно малой капле жидкости может быть долучен чистый ‘кислород.

ной колонны, и отдает свое тепло кипящей жидкости. Охлажденный воздух дросселируется до атмосферного давления, сжижается и на­

Г 79 -

правляется на орошение верхней тарелки колонны. Таким образом в колонне осуществляется противоток жидкости, стекающей сверху вниз, и пара, поднимающегося снизу вверх. Ha/z-ю тарелку ректификацион­ ной колонны поступает холодная жидкость с (.п - І)-й тарелки и бо­ лее нагретый пар с (/? + І)-й тарелки. На тарелке система стремит­