Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Борзенко,Зайцев

.pdf
Скачиваний:
24
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
1.82 Mб
Скачать

а

 

 

 

 

б

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

В колонне I

 

 

n

 

 

В колонне II

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

70

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25

 

 

 

очистка от метана

 

 

60

 

 

 

очистка от аргона

 

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

50

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

 

 

 

 

 

 

 

40

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

30

 

 

 

1

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

20

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,61

1,02

1,43

υ

55,49 92,48

129,43

υ

Рис. 6.10. Зависимость числа теоретических тарелок от флегмового числа при очистке кислорода:

1 в исчерпывающей секции; 2 в укрепляющей секции; 3 в целом для колонны

Из анализа данных следует, что при принятых условиях численного эксперимента в криогенном модуле можно получить необходимую кондицию конечного продукта разделения R2 = 0,9 моль/моль с xО2 = 0,999999 моль/моль. Это значение близко к

значению содержания кислорода в продукте, полученном при физическом эксперименте в промышленных условиях.

В табл. 6.1 приведен состав продуктов разделения, а в табл. 6.2 – расчетное число теоретических тарелок в колоннах узла ректификации для получения высокочистого кислорода с концентрацией 0,9999991 мольO2 / моль в зависимости от чистоты технического жидкого кислорода, поступающего на очистку в

206

автономный модуль. Давление в колонах I и II (см. рис. 6.4) составляет 200 и 150 кПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 6.1

 

 

 

Состав продуктов разделения колонн I и II

 

 

при υI = 1,02; nI

= 13,22; nI

 

= 3,32; υII = 88,78; nII

= 8,51; nII

 

= 37,48

 

 

 

укр

 

 

исч

 

 

укр

 

 

исч

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поток

 

 

 

 

 

 

Состав x·105, моль/моль

 

 

 

 

 

 

xN2

 

 

 

 

xAr

xCH4

 

 

 

 

xKr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D1

 

 

21,025

 

 

 

498,362

 

0,001

 

 

 

 

0,000

R1

 

 

0,533

 

 

 

131,121

 

99,981

 

 

 

 

2,000

D2

 

399,467

 

 

9467,147

 

0,000

 

 

 

 

0,000

R2

 

 

0,000

 

 

 

0,096

 

0,001

 

 

 

 

0,000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 6.2

 

 

 

Расчетное число теоретических тарелок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Число теоретических тарелок

 

 

 

Колонны

 

 

 

при объемной концентрации технического O2, %

 

 

 

 

 

 

 

99,2

 

99,5

 

 

 

 

99,7

 

Колонна I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исчерпывающая часть

 

 

2,86

 

2,86

 

 

 

 

2,86

Укрепляющая часть

 

 

12,15

 

11,57

 

 

 

 

11,57

Общее число

 

 

 

15,01

 

14,43

 

 

 

 

14,43

 

Колонна II

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исчерпывающая часть

 

 

93,87

 

71,78

 

 

 

 

67,14

Укрепляющая часть

 

 

 

13,07

 

13,07

 

 

 

 

13,07

Общее число

 

 

 

106,94

 

84,85

 

 

 

 

80,21

Вколонне I, где происходит отделение высококипящих примесей, среди которых были метан и криптон, число теоретических тарелок (как общее, так и в отдельных секциях) почти не меняется, т. е. не зависит от чистоты технического жидкого кислорода. Это объясняется тем, что в исходной смеси с разной концентрацией

кислорода концентрация метана и криптона почти не изменялась и находилась соответственно на уровне (4…5)10–4 мольCH4/моль и 1·104 мольKr / моль.

Вколонне II, где кислород в основном очищается от аргона

иазота, наблюдается значительная зависимость числа теоретических тарелок от чистоты исходной смеси. Большое число теоретических тарелок в исчерпывающей секции колонны обусловлено трудностью отделения примеси аргона от кислорода из-за того, что

207

они имеют близкие значения температуры кипения и летучести. Кроме того, по мере уменьшения в исходной смеси концентрации

кислорода в ней растет концентрация аргона и азота соответственно от 1,5·10–3 до 5,2·10–3 мольAr / моль и от 1·10–3 до 2,2·10–3

мольN2 / моль.

Данные, приведенные в табл. 6.3, позволяют оценить возможности предлагаемой схемы (см. рис. 6.4) для создания автономного модуля по очистке от микропримесей жидкого или газообразного аргона в целях получения аргона особой чистоты.

Расчет чистоты конечного продукта разделения проведен при следующих данных: концентрация аргона в исходном продукте

0,9999 моль Ar / моль; содержание примесей 2·10–5 моль N2 / моль, 7·10–5 моль O2 / моль, 5·10–6 мольCH4/моль, 5·10–6 моль Ar / моль.

В колоннах I и II давление соответственно составляет 200 и 150 кПа; теоретических тарелок 56 и 9,5; флегмовое число равно 4,36 и 26,25.

 

 

 

 

 

Таблица 6.3

 

Состав продуктов разделения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Потоки

 

Концентрация, моль/моль

 

 

 

 

 

 

 

 

аргона

азота

кислорода

метана

 

криптона

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Колонна I

 

 

 

 

 

 

Дистиллят

0,9999052

2,105·10–5

7,368·10–5

7·10–8

 

Кубовый остаток

0,9998013

2·10–8

9,868·10–5

 

1·10–4

Колонна II

 

 

 

 

 

 

Дистиллят

0,9982665

3,9983·10–4

1,33367·10–3

 

Кубовый остаток

0,9999962

4,5·10–8

3,755·10–6

 

В колонне I в отбираемом верхнем продукте (дистилляте, равном 95 % объема разделяемой смеси на входе в колонну), который идет затем на вторичное разделение в колонну II, криптона практически не содержится, а концентрация метана находится на уровне 7·10–8 мольCH4/моль. Конечный продукт разделения (кубовый остаток, равный 90 % объема разделяемой смеси), отводимый из колонны II, имеет концентрацию аргона на порядок выше, чем концентрация аргона высокой чистоты, получаемого на промышленных воздухоразделительных установках (ВРУ).

Несколько большее содержание кислорода в полученном аргоне особой чистоты, чем в промышленном аргоне высокой чистоты, объясняется тем, что в исходном составе разделяемой смеси

208

n

 

100

 

80

 

 

3

60

 

 

2

40

1

 

20

 

4 9 14 υ

концентрация кислорода была принята на порядок больше, чем лимитируется стандартом на аргон, производимый на ВРУ.

При получении сверхчистого аргона увеличение его концентрации в потоке питания приводит к уменьшению числа теоретических тарелок (рис. 6.11), причем характер влияния флегмового числа на n такой же, как и при получении сверхчистого кислорода.

Рис. 6.11. Зависимость числа теоретических тарелок от флегмового числа при очистке аргона:

1 – 0,99; 2 – 0,999; 3 – 0,9999 моль Ar/моль

Учитывая то обстоятельство, что из низкокипящих примесей, содержащихся в азоте, инертные газы неон и гелий обычно не являются вредными для тех технологий, где используется азот особой чистоты, а очистка азота от микропримесей водорода может быть осуществлена не только методом низкотемпературной ректификации, в работе проанализирован лишь процесс очистки азота от высококипящих примесей оксида углерода и кислорода. Эта задача может быть решена в одноколонном автономном модуле.

Результаты проведенного анализа очистки азота показаны на рис. 6.12 в виде зависимости числа теоретических тарелок в ректификационной колонне от чистоты исходного азота и рабочего флегмового числа. При этом для всех рассчитанных режимов чистота продукционного азота составляла 0,9999999 мольN2 / моль. Давление в ректификационной колонне было принято 150 кПа, а объем

209

отбираемого азота особой чистоты составлял 95 % объема технического азота, поступающего на разделение.

Удельные затраты энергии в автономном модуле прежде всего зависят от параметров циркуляционного контура, свойств рабочих веществ и температурных напоров в конденсаторах колонн I и II. На рис. 6.13 показана зависимость удельных затрат энергии при использовании во флегмообразующем контуре воздуха или азота от величины флегмового числа в колонне II при различных значениях температурных напоров в нижнем конденсаторе-испарителе этой колонны.

n

80

70

1

60

2

50

3

40

30

3

4

5

6

7

υ

Рис. 6.12. Зависимость числа теоретических тарелок от флегмового числа при очистке технического азота с объемной концентрацией азота:

1 – 97,0 %; 2 – 99,0 %; 3 – 99,5 %

210

N, кВт·ч/кг O2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,35

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T = 5 K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,20

 

 

 

 

 

 

 

 

3 K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,10

 

 

 

 

 

 

 

 

1 K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,05

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

υ

45

65

85

105

125

Рис. 6.13. Зависимость удельных затрат энергии от флегмового числа колонны II, циркуляционного потока и разности температур: 1 воздух; 2 азот

Как показал анализ, увеличение флегмового числа выше 5–6 практически не вызывает существенного уменьшения числа теоретических тарелок независимо от исходной концентрации азота. При меньших значениях флегмового числа значительно возрастает число теоретических тарелок в колонне, которые могут обеспечить требуемую чистоту продукционного азота. Несмотря на то что при малых значениях флегмового числа циркуляционный флегмообразующий поток уменьшается, габаритные размеры ректификационной колонны значительно возрастут. Одновременно с увеличением числа ректификационных тарелок возрастет и гидравлическое сопротивление колонны, что потребует сжатия технического азота, подаваемого на разделение, до более высокого давления.

211

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Архаров A.M., Марфенина И.В., Микулин Е.И.

Криогенные системы. Т. 1. Основы теории и расчета. – М.: Машиностроение, 1996. – 576 с.

2.Теплофизические свойства неона, аргона, криптона и ксенона /Под ред. В.А. Рабиновича. – М.: Изд-во стандартов, 1976. –

636 с.

3.Термодинамические свойства азота /В.В. Сычев, А.А. Вассерман, А.Д. Козлов и др. – М.: Изд-во стандартов, 1977. – 352 с.

4.Термодинамические свойства воздуха /В.В. Сычев, А.А. Вассерман, А.Д. Козлов и др. – М.: Изд-во стандартов,1978. – 346 с.

5.Термодинамические свойства гелия-4 /В.В. Сычев, А.А. Вас- серман, А.Д. Козлов и др. – М.: Изд-во стандартов,1984. – 307 с.

6.Термодинамические свойства кислорода /В.В. Сычев, А.А. Вас- серман, А.Д. Козлов и др. – М.: Изд-во стандартов,1981. – 312 с.

7.Теплофизические свойства криопродуктов /Л.А. Акулов, Е.И. Борзенко, В.Н. Новотельнов, А.В. Зайцев. – СПб.: Политехника,

2001. – 243 с.

8. Справочник по физико-техническим основам криогеники /М.П. Малков, И.Б. Данилов, Л.Г. Зельдович, А.Б. Фрадков; Под ред. М.П. Малкова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 432 с.

9.Николаев С.Н., Спиридонов Г.А. Уравнения состояния для расчета термодинамических свойств водорода и дейтерия. – М., 1986. – 17 с. – Деп. в ВНИИЦ МВ 22.08.80, 2420.

10.Борзенко Е.И. Статика и динамика элементов криогенных систем. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1988. – 212 с.

11.Новотельнов В.Н., Суслов А.Д., Полтараус В.Б.

Криогенные машины. – СПб.: Политехника, 1991. – 335 с.

12.Рид Р., Праунец Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. – Л.: Химия, 1982. – 702 с.

13.Архаров A.M., Беляков В.П. и др. Криогенные системы. Т. 2. Основы проектирования аппаратов, установок и систем. – М.: Машиностроение, 1999. – 719 с.

14.Способ получения кислорода высокой чистоты: А.с. 757817

СССР, МКИ F 25 J 3/04.

15.Архаров И.А. Перенос теплоты и массы в криогенных

212

аппаратах нового поколения газоразделительных установок. Автореф. дис. на соискание ученой степени д-ра техн. наук. – М.: МГТУ им. М.Э. Баумана, 2005. – 368 с.

16.Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Перов В.Л.

Математические основы автоматизированного проектирования химических производств. – М.: Химия, 1979. – 320 с.

17.Оносовский В.В. Моделирование и оптимизация холодильных установок. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1990. – 206 с.

18.Новотельнов В.Н., Суладзе С.В. Анализ распределения температур потоков в теплообменном аппарате сателлитного гелиевого рефрижератора. – Л.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1985. – С. 15–

17.

19.Григорьев В.А., Крохин Ю.И. Тепло- и массообменные аппараты криогенной техники. – М.: Энергоиздат, 1982. – 311 с.

20.Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. Кипение криогенных жидкостей. – М.: Энергия, 1977. – 288 с.

21.Боранбаев Н., Марфенина И.В., Шевцов А.В. Результаты исследования фазового равновесия жидкостьпар системы криптонксенон: В трудах МВТУ. Криогенная техника и кондиционирование. – М., 1984. – С. 107–115.

22.Глебов И.А., Данилевич Я.Б., Шахтарин В.Н.

Турбогенераторы с использованием сверхпроводимости. – Л.: Наука,

1981. – 231 с.

23.Вулис Л.А. Термодинамика газовых потоков. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1950. – 304 с.

24.Бухарин Н.Н. Моделирование характеристик центробежных компрессоров. – Л.: Машиностроение, 1983. – 214 с.

25.Епифанова В.И. Компрессорные и расширительные турбомашны радиального типа. – М.: Машиностроение, 1984. – 374 с.

26.Серов Е.П., Корольков Б.П. Динамика парогенераторов. –

М.: Энергия, 1972. – 416 с.

27.Кириллин В.А., Шейндлин А.Е., Шкильрайн Э.Э.

Термодинамика растворов. – М.: Энергия, 1980. – 181 с.

28.Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии:

В2 ч. – М.: Мир, 1989. – Ч. 1. – 301 с.; Ч. 2. – 360 с.

29.Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. Т. 1. / Под ред. В.И. Епифановой и Л.С. Аксельрода. – М.: Машиностроение, 1973. – 471 с.

213

30.Наринский Г.Б. Ректификация воздуха. – М.: Машиностроение, 1978. – 248 с.

31.Кортиков B.C., Сурина B.C. Проектный расчет на ЭВМ

ректификационных колонн воздухоразделительных установок / Применение вычислительной техники в решении экономических и научно-технических задач. – М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1969. – С. 70–

74.

32.Головко Г.А. Криогенное производство инертных газов. – Л.: Машиностроение, 1983. – 416 с.

33.Техника низких температур /Под ред. Е.И. Микулина, И.В. Марфениной, А.М. Архарова. – М.: Энергия, 1975. – 511 с.

34.Выделение дейтерия из водорода методом глубокого охлаждения /М.П. Малков, И.Б. Данилов, Л.Г. Зельдович, А.Б. Фрадков. – М.: Госатомиздат, 1961. – 151 с.

35.Акулов Л.А. Установки для разделения газовых смесей. – Л.: Машиностроение, 1983. – 216 с.

36.Расчет криогенных установок /Л.А. Акулов, Е.И. Борзенко, С.С. Будневич, Г.А. Головко; Под ред. С.С. Будневича. – Л.: Машиностроение, 1979. – 367 с.

37.Анисимов И.В., Бодров В.И., Покровский В.Б.

Математическое моделирование и оптимизация ректификационных установок. – М.: Химия, 1975. – 215 с.

38.Кафаров В.В., Ветохин В.И., Бояринов A.M.

Программирование и вычислительные методы в химии и химической технологии. – М.: Наука, 1972. – 487 с.

39.Холланд Ч.Д. Многокомпонентная ректификация. –

М.: Химия, 1969. – 347 с.

40.Борзенко Е.И., Будневич С.С. Производство сверхчистых газов криогенными методами. Расчет процесса /Тепломассообменные процессы в системах холодильной техники и свойства рабочих веществ: Межвузовский сб. науч. трудов. – СПб.: СПбТИХП, 1993. –

С. 12–20.

41.Borzenko E.I., Akulov L.A. The analysis of account of the rectification process at production of superpure nitrogen in the independent cryogenic module. Cryogenics 2002, Praha, Czech Republic, 2002. – P. 71– 79.

42.Будневич С.С., Савченко Ю.А., Шурубцов В.Н.

Получение азота особой чистоты низкотемпературной

214

ректификацией// Холодильная техника. – 1992. – 9–10.С. 29.

43. Budnevich S.S., Borzenko E.I. Production of superclean gases by cryogenic methods: Process calculation. Cryogenics, 1996, – V. 36. – 8. – P. 635–638.

215