3. Общие принципы проектирования вру.

Проектирование ВРУ включает построение её принципиальной схемы, термоди­намический расчет, анализ и оптимизация цикла установки и отдельных её элементов, подбор и расчет основного и вспомогательного оборудо­вания и т.д.

Расчет ВРУ заключается в решении системы уравнений материальных и энергетических балансов всей установки и ее отдельных узлов.

Для этого необходимо располагать данными о термодинамических свойствах ве­ществ, описанием процессов в основном и вспомогательном оборудовании, а также данными об эффективности аппаратов и машин.

Эффективность оборудования характеризуется температурными и концентрацион­ными напорами, гидравлическими сопротивлениями аппаратов и КПД машин.

Разработка ВРУ начинается с составления её принципиальной схемы, которая зависит от состава, количества и агрегатного состояния продуктов разделения. Необходимо отметить, что указанные параметры взаимосвязаны и определённым образом влияют друг на друга.

На выбор криогенного цикла ВРУ существенное влияние оказывает производительность, а на выбор узла ректификации – состав продуктов разделения.

Так, для ВРУ низкого давления схема узла ректификации ограничивает долю детандерного потока величиной D£0.3 кмоль/кмоль. Поэтому циклы низкого давления могут применяться только в установках большой производительности, где удельные потери хо­лода из-за теплопритоков через изоляцию невелики. Конструкция узла теплообмена этих установок во многом определяется составом продуктов разделения воздуха.

Аналогично в установках среднего давления агрегатное состояние продуктов разделения определяет состояние воздуха на входе в нижнюю колонну и, соответст­венно, схему отбора детандерного потока.

Установки одинакового назначения можно проектировать по различным схемам. В любом случае разрабатываемая установка должна удовлетворять техническим требованиям и по­ложительно отличаться технико-экономическими показателями. В основе выбора схем ВРУ должен лежать принцип оптими­зации.

Процесс проектирования ВРУ включает определение трех основных элементов схемы:

- криогенного цикла;

- узла теплообмена и очистки газа;

- узла разделения (ректификации).

3.1. Выбор криогенного цикла вру.

Криогенный цикл предназначен для обеспечения длительной бесперебойной работы установки.

Удельные затраты холода любой криогенной установки для разделения (ожижения) газовых смесей в общем случае могут быть определены зависимостью:

где: П_i cp_i ΔT_i - потери холода из-за недорекуперации вы­ходящих потоков; П-доля потока, cp- изобарная теплоемкость потока, i и n – соответственно номер и количество потоков;

S- потери холода, обусловленные теплопритоками через изоляцию;

- холод, выводимый с жидким продуктом;

S- потери холода, обусловленные наличием в установке насоса сжиженного

газа (НСГ), т.е. потери из-за недоиспользованного дроссель-эффекта сжатого газа, тепла трения и т.д.

Для покрытия этих затрат и применяются криогенные циклы, холодопроизводитель­ность которых должна соответствовать имеющимся потерям, т.е. . Нарушение этого равенства в любую сторону ведет к изменению режима работы установки.

Задачей криогенного цикла ВРУ является покрытие затрат, т.е. как , так и недопустимо.

Для производства холода в криогенной технике обычно используются компрессор, детандер и посторонние источники холода (например, холодильные установки, газовые холодильные машины) и т.д.

В общем случае:

,

где: - изотермический дроссель-эффект компрессора;

D – доля детандерного потока;

- действительная холодопроизводительность детандера;

- холодопроизводительность посторонних источников холода.

Тогда энергобаланс любой криогенной установки может быть запи­сан в следующем виде:

.

С увеличением единичной мощности агрегатов уменьшается величина поверхности наружного кожуха на 1 кмоль перерабатываемого воздуха и, соответственно, уменьшаются теплопритоки через изоляцию (рис. 3.1). Поэтому увеличение единичной мощности ВРУ приводит к существенному снижению удельного расхода энергии на разделение.

Поэтому ВРУ существенно зависит от количества перерабатываемого воздуха, агрегатного состояния и состава продуктов разделения, наличия вспомогательного оборудования (насосов, дополнительных колонн) и т.д.