Контрольные вопросы и задания:

1. Как формулируется закон Дальтона?

2. Как формулируется закон Рауля?

3. Что такое коэффициент разделения?

4. Что такое процесс ректификации?

5. Что представляет собой ректификационная колонна?

6. Объясните принцип действия ректификационных тарелок.

7. Что такое коэффициент обогащения?

8. Что такое средний коэффициент полезного действия тарелки?

9. Объясните принцип действия колонны однократной ректификации.

10. В чем отличие аппарата однократной ректификации для получения чистого кислорода и чистого азота?

11. Изобразите принцип действия колонны двукратной ректификации.

10. Теплообменные аппараты криогенных установок

10.1. Особенности теплообменника в криогенных системах

Схемы криогенных циклов построены на принципах регенерации теплоты и обязательно включают один или несколько теплообменных аппаратов. В криогенных теплообменниках необходимо обеспечивать малую разность температур потоков, что может быть достигнуто только при высокой интенсивности теплообмена. Криогенные системы работают при температурах гораздо более низких, чем температура окружающей среды, поэтому требуется применение специальной теплоизоляции с малой теплопроводностью.

К другим особенностям теплообмена, характерных для криогенных систем, относятся: перенос теплоты через «тепловые мосты», а также нестационарные процессы теплообмена в регенераторах с переключающимися потоками.

Особенность теплообменных процессов при криогенных температурах состоит в значительном изменении теплофизических свойств криоагентов и конструкционных материалов криогенных установок. Для криогенных систем типична ситуация, когда состояние рабочего вещества близко к критическому. При этом изменение физических свойств становится особенно значительным. Даже небольшие колебания температуры могут приводить к изменению теплофизических и термодинамических свойств в несколько раз. Это существенно усложняет методы расчета процессов теплообмена.

В криогенных системах имеют место фазовые превращения многокомпонентных смесей. Особенности теплообмена при фазовых переходах многокомпонентных смесей часто используются при расчетах криогенных теплообменных аппаратов.

Несмотря на указанные особенности, расчеты процессов теплообмена основываются на классической теории теплообмена. Результатом расчета процессов теплообмена в криогенных системах является решение дифференциального уравнения теплопроводности для различных граничных условий.

Дифференциальное уравнение теплопроводности имеет общий вид:

. (117)

Уравнение (117) описывает процессы теплопереноса в любых системах, исключением являются жидкий гелий, свойства которого описываются на основе квантовой теории.

10.2. Теплообменные аппараты, их классификация и виды теплообменных поверхностей

По принципу действия криогенный теплообменники можно подразделить на две основные группы:

1. регенераторы - аппараты, в которых теплообменивающиеся потоки попеременно омывают одну и ту же поверхность и массу, аккумулирующую и отдающую теплоту; условия теплообмена в таких аппаратах нестационарны;

2. рекуператоры - аппараты, в которых теплообменивающиеся потоки разделены поверхностью теплообмена; тепловой поток обычно постояннен и перпендикулярен движению теплоносителя, условия теплообмена чаще всего стационарны.

Наибольшее применение нашли регенераторы в воздухоразделительных установках (ВРУ). В ВРУ регенераторы предназначены для охлаждения сжатого воздуха до температуры насыщения и одновременной его сушки и очистки от двуокиси углерода и других примесей, вымерзающих из воздуха на теплообменной поверхности. Регенераторы работают в режиме полной самоочистки. Обратный поток газа во время так называемого «холодного дутья» полностью сублимирует, десорбирует и выносит из регенератора все примеси, осевшие на поверхности насадки.

По конструкции регенераторы отличаются видом используемой в них насадки, а именно различают регенераторы с алюминиевой гофрированной насадкой (рис. 37) и регенераторы с базальтовой насадкой.

Регенераторы с алюминиевой насадкой состоят из рядов дисков, скрученных из гофрированных алюминиевых лент. Такой диск называется галетой (рис. 38). Насадка, состоящая из уложенных друг на друга дисков, разделяется на три зоны: верхнюю, среднюю, нижнюю. В верхней (теплой) зоне регенератора установлены диски с большим относительным свободным объемом, нижней (холодной) зоне регенератора установлены диски с наименьшим свободным объемом. Гофрированная лента в дисках уложена таким образом, что образуются каналы для прохода воздуха.

У регенераторов с базальтовой насадкой конструкция несколько сложнее: для улучшения прохода воздуха внутри корпуса размещают ряды трубок, а в межтрубное пространство засыпают базальтовую крошку размером зерен 812 мм.

Расход энергии при использовании регенераторов, как правило, несколько выше (5-8 %), чем, если бы в установках использовались теплообменники рекуперативного типа, однако конструктивная и технологическая простота, большой ресурс работы, высокая надежность, особенно в условиях сильно загрязненного воздуха, вытеснили другие теплообменники в воздухоразделительных установках средней и крупной производительности.

Рис. 37. Регенератор с алюминиевой дисковой насадкой: 1, 4, 6 - решетки верхняя, средняя и нижняя; 2 - насадка алюминиевая; 3 - корпус; 5 - насадка каменная; 7 - опорное кольцо; 8 - шпилька нажимная

Рис. 38. Диск насадки (галета), свернутый из двух алюминиевых гофрированных лент с прорезями

Конструкции теплообменников рекуперативного типа мало отличаются от теплообменников, используемых в холодильной технике.

Виды теплообменников представлены на рис 39.

Рис. 39. Принципиальные схемы теплообменников,

применяемых в криогенных системах:

а - труба в трубе; б - пучок труб в трубе; в - из спаянных трубок; г - прямотрубный

с сегментными перегородками; д - прямотрубный без перегородок; е - витой;

ж - пластинчато-ребристый; з - матричный