3.2.3 Узел теплообмена и очистки газа вру высокого давления

В установках средней производительности для получения жидких продуктов разделения обычно используется эффективный с термодинамической точки зрения цикл высокого давления с детандером и промежуточным охлаждение газа.

Энергетические показатели этих установок во многом зависят от числа ступеней охлаждения. Включение нескольких турбодетандеров на различных температурных уровнях и использование предварительного охлаждения приводит к снижению энергетических затрат, хотя усложняет схему установки.

Поэтому вопрос о схеме включения детандера или нескольких детандеров, промежуточного охлаждения и пр. должен решаться индивидуально в каждом конкретном случае.

Так, для крупных ВРУ производительностью до 8000-10000 м³/ч воздуха обычно применяется цикл высокого давления с одним детандером и одним уровнем промежуточного охлаждения газа.

Схема (рис. 3.9) включает теплообменник-ожижитель 1, блок осушки и очистки воздуха 2 и теплообменник основной 3.

Воздух после воздушного компрессора при давлении 20-22 МПа поступает в теплообменник-ожижитель 1, где охлаждается до температуры 278-281 К. Далее воздух проходит влагоотделитель и поступает в блок очистки 2, где из него удаляются остатки влаги, диоксид углерода и углеводороды.

Основной теплообменник 3 выполнен с предварительной и основной секциями.

Очищенный воздух направляется в предварительную секцию основного теплообменника 3, после которой поступает в теплообменник 5 фреоновой холодильной установки, где охлаждается до температуры 235-240 К. Охлаждённый воздух разделяется на два потока: часть воздуха отбирается на воздушный детандер 4, а остальной поток охлаждается в нижней зоне теплообменника и после дросселирования поступает в узел ректификации.

Отбросной азот снизу вверх последовательно проходит основной теплообменник 3, теплообменник-ожижитель 1 и далее направляется на регенерацию блока очистки 2 либо выбрасывается в атмосферу.

Такая конструкция теплообменника обеспечивает оптимальную температуру воздуха перед детандером (235-240К), максимальное использование системы промежуточного охлаждения (с охлаждением всего потока воздуха); наличие предварительной секции теплообменника при соотношении прямого и обратного потоков 1:1 сокращает потери из-за недорекуперации.

Недостаток такой схемы – усложнение конструкции основного теплообменника, необходимость установки промежуточных коллекторов, увеличения габаритов аппарата и т.д.

Поэтому для жидкостных ВРУ средней производительности часто применяют упрощенную схему без предварительной секции основного теплообменника. Это существенно упрощает схему узла теплообмена и очистки газа, но одновременно приводит к уменьшению выхода жидкости.

3.2.4. Узел теплообмена и очистки газа крупной вру среднего давления для получения жидких продуктов.

Развитие космонавтики поставило перед криогенной техникой задачу разработки ВРУ производительностью 5000-10000 кг/ч жидкого кислорода, который используется в качестве окислителя ракетного топлива.

Отсутствие крупных поршневых компрессоров высокого давления определило естественное желание использовать для сжатия воздуха турбокомпрессоры среднего давления. Холодопроизводительность криогенного цикла таких схем может быть повышена путем применения несколько ступеней охлаждения. Как показывают расчеты, каждая последующя ступень охлаждения улучшает энергетические показатели цикла установки на 6-10%.

Такая схема реализована при разработке ВРУ типа КжАжАрж-5 производительностью 5 т/ч жидкого кислорода.

Установка работает по схеме двух давлений с потоком воздуха среднего давления (3.2 МПа) и азотным циркуляционным циклом среднего давления (3.2 МПа). Сжатие воздуха и азота осуществляется одинаковыми турбокомпрессорами типа К-390-111/1 производительностью 22000 м³/ч.

Необходимая холодопроизводительность установки обеспечивается несколькими ступенями охлаждения – воздушным компрессором, азотным компрессором, фреоновым охлаждением воздуха и азота, а также тремя турбодетандерами – одним на потоке воздуха и двумя на потоке азота (рис. 3.10).

Воздух после воздушного компрессора при давлении 3.2 МПа поступает в теплообменник-ожижитель 1, где охлаждается до температуры 278 К. Далее воздух проходит влагоотделитель и поступает в блок очистки 3, где из него удаляются остатки влаги, диоксид углерода и углеводороды.

Очищенный воздух охлаждается в испарителе холодильной установки 4 и направляется в основной теплообменник 5, в средней части которого разделяется на 2 потока: часть воздуха отбирается на воздушный детандер 6, а остальной поток охлаждается в нижней зоне теплообменника и после дросселирования поступает в узел ректификации.

Циркуляционный азот после азотного компрессора при давлении 3.2 МПа поступает в предварительный теплообменник 2, далее проходит испаритель холодильной установки 4 и направляется в основной теплообменник 5.

В теплообменнике 5 поток азота разделяется на две части: при температуре 200К часть азота отбирается из аппарата, расширяется в азотном детандере 7 до давления 1 МПа, возвращается в теплообменник и после охлаждения поступает в азотный детандер 8 и затем в качестве обратного потока направляется в нижнее сечение основного теплообменника.

Второй поток азота охлаждается в нижней зоне теплообменника 5, дросселируется и поступает в узел ректификации.

Схема ВРУ типа КжАжАрж-5 позволила на базе цикла среднего давления получить энергетические показатели, близкие к энергетическим показателям наиболее эффективного цикла высокого давления с детандером.