3.4. Схема и квазицикл установки высокого давления (процесс п. Гейландта)

Расчеты воздухосжижительных установок с детандерами в СПО показывают, что для достижения максимальных КПД во всех вариантах параметров необходимо поддерживать оптимальное соотношение между давлением цикла (P_m) и температурой воздуха перед детандером (Т₈).

Чем выше применяемое давление, тем выше должна быть температура Т₈ и меньше доля отводимого на детандер воздуха М. Например, при P_m  20 МПа в детандер следует отводить воздух с T₈  273 K и М  0,5.

Эту особенность заметил немецкий физик П. Гейландт. Это позволило ему в 1906 г. создать высокоэффективную установку с детандером высокого давления. Преимущество этой установки в том, что детандер работает при сравнительно высоких температурах и не требует сложной конструкции и теплоизоляции.

Схема и квазицикл такой установки приведены на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема и квазицикл воздухосжижительной установки высокого давления с высокотемпературным детандером (процесс П. Гейландта)

Рабочий процесс в этой установке протекает аналогично установке Клода: 1-2 – изотермическое сжатие; 8-10 – расширение части воздуха (М, кг) в детандере; 8-3 – охлаждение остальной части воздуха (1-М, кг) в теплообменниках СПО; 3-4 – дросселирование с P_m до P_n; 4-5-6 – сепарация влажного пара (воздуха); 6-11 – подогрев паров (воздуха) в ТО IV; 10-11 – смешивание потоков; 11-7 – регенеративный подогрев уходящего воздуха в ТО III.

Расчет производительности и КПД установки осуществляется по тем же формулам (3.10) и (3.11), с учетом изменения индексов в характерных точках схемы.

3.5. Схема и квазицикл установки низкого давления с расширением в турбодетандере (процесс п.Л. Капицы)

Если в установке Клода-Гейландта уменьшать давление сжатия P_m, то снижается и оптимальная температура начала расширения в детандере Т₈. В пределе Т₈ можно снижать до тех пор, пока воздух в конце расширения не достигнет границы насыщения, т.е. температуры Т₆.

При этом оптимальное давление P_m снизится для воздуха до 0,6–0,8 МПа. Это давление легко достижимо даже в турбокомпрессорах. Оптимальное количество воздуха, пропускаемого через детандер (М), достигает значений 92-95 % общего расхода воздуха через компрессор.

Однако реализовать такой цикл стало возможным только в 1938 г., когда академиком П.Л. Капицей был создан высокоэффективный турбодетандер с адиабатным КПД равным 0,8–0,86, надежно работающий в области близкой к кривой насыщения.

На базе этих турбодетандеров в 1943 г. были созданы первые высокопроизводительные воздухосжижительные установки (см. рис. 3.5).

Рис. 3.5. Схема и квазицикл воздухосжижительной установки низкого давления с турбодетандером (процесс П.Л. Капицы¹):

I – турбокомпрессор; II – холодильник; III – регенеративный теплообменник СПО; IV – теплообменник-ожижитель СПО; V – дроссель (СОО); VI – сепаратор; VII – турбодетандер

Рабочие процессы в установке Капицы аналогичны предыдущим:

1-2 – изотермическое сжатие; 2-8 – охлаждение в регенераторе; в точке 8 – разделение потоков (в детандер М92–95 %); 8-9 – расширение в детандере; 8-3 – охлаждение и сжижение оставшейся части (1-М) воздуха; 3-4 - дросселирование этого воздуха; 4-5-6 – разделение фаз; 6-10-7 – подогрев сбрасываемого воздуха.

Достоинства установки П.Л. Капицы:

1. Применение турбомашин позволяет создавать установки практически любой производительности.

2. Установка получается компактной, надежной, с малой металлоемкостью, хорошо уравновешенной, следовательно, более дешевой.

3. Получается абсолютно чистый воздух, без следов смазочных масел.

4. Применение низкого давления (0,5-0,7 МПа) позволяет использовать вместо рекуперативных теплообменников более эффективные теплообменники регенеративного типа.

5. Высокий КПД отдельных аппаратов и агрегатов.

Недостаток: увеличивается расход энергии на 1 кг сжиженного воздуха, так как возрастает общее количество перерабатываемого воздуха. Таким образом, удельный расход энергии в этой установке больше, чем в установках Клода и Гейландта, но с увеличением производительности их показатели сближаются. КПД установки Капицы равен примерно 13–14 %.

Достоинства и недостатки циклов высокого, среднего и низкого давлений позволили создать высокоэффективные комбинированные установки. В них используются многоступенчатое охлаждение и агрегаты с высокими КПД. В настоящее время именно такие схемы приняты при создании крупных установок с большой производительностью. Они довольно разнообразны и серийно выпускаются отечественной промышленностью [2].

Лекция 17

4. Технические процессы низкотемпературного

разделения газовых смесей

4.1. Газовые смеси и их свойства

Большинство применяемых в промышленном производстве газов в чистом виде в природе не встречаются. Поэтому их получение связано с процессами разделения исходных смесей. Например:

- кислород О₂, азот N₂, аргон Ar, неон Ne, криптон Kr, ксенон Xe – получают из воздуха;

- водород Н₂, дейтерий D₂ – из технологических газов (коксового газа, синтезгаза аммиака, водяного газа);

- гелий Не, метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀ – из природного или нефтяного газа;

- углекислый газ СО₂ – из дымовых газов и т.д.

Все методы разделения этих газов основаны на использовании тех или иных отличий в свойствах входящих компонентов.

О сновным промышленным методом разделения является конденсационно-испарительный метод. Он основан на использовании различия в составах равновесных паровой и жидкой фаз смеси. Как правило, это метод низкотемпературной ректификации, так как большинство приведенных выше веществ являются криоагентами (T_s  120 К). В любом случае, нормальная температура кипения этих веществ T_s ниже температуры окружающей среды Т_о.с (см. рис. 4.1).

Рис. 4.1. Шкала температур кипения газов

(из состава воздуха) при нормальном давлении Р = 0,1 МПа

Этот метод, как уже указывалось, требует предварительного сжижения исходных газов.

В первом приближении жидкий воздух можно рассматривать как бинарную смесь – азот-кислород (так как содержание других газов мало). Азот и кислород взаиморастворимы в любых соотношениях, что соответствует свойствам бинарных смесей.

Бинарные смеси имеют две особенности:

1. У простого вещества температура кипения постоянна при данном давлении. В отличие от него, температура кипения бинарной смеси будет зависеть еще и от ее состава. Чем больше в ней вещества с более низкой температурой кипения, тем ниже и температура кипения смеси.

Та же закономерность и для процессов конденсации.

2. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью (равновесный пар), всегда содержит больше вещества с более низкой температурой кипения (легко кипящей жидкости). Это так называемый закон Коновалова.

Отобразим некоторые процессы, протекающие в бинарной смеси, на , Т-диаграмме (см. рис. 4.2).

Рис. 4.2. Т, -диаграмма зависимости температур кипения и конденсации бинарного вещества от его концентрации

Пусть у нас имеется смесь двух веществ А и К (азот и кислород). По оси ординат диаграммы отложены температуры кипения веществ при Р = 0,1 МПа; Т_а – температура кипения азота (77,4 К); Т_к – температура кипения кислорода (90,18 К). По оси абсцисс отложена объемная концентрация вещества А в смеси – _а. Легкокипящей жидкостью смеси является вещество А.

Нижняя кривая (линия кипения) относится к составу жидкости. Верхняя кривая (линия конденсации) – к составу сухого насыщенного пара. Между ними находится область влажного пара.

Возьмем какой-то объем жидкости, находящейся в состоянии точки 1: температура – Т₁; концентрации веществ – _а = 0,25 и, следовательно, _к = 0,75.

Если эту жидкость нагревать, то кипение наступит в точке 2, т.е. при температуре Т₂. Состав насыщенных паров при этом будет соответствовать точке 2". При дальнейшем нагреве смеси (Т₃ и Т₄) количество жидкости будет уменьшаться, а состав ее будет соответствовать точкам 3' и 4'. Количество пара будет увеличивается и его состав будет соответствовать точкам 3" и 4". В точке 5 вся жидкость превратится в пар исходного состава жидкости.

Этим свойством смесей можно воспользоваться для их разделения. Для этого надо только отводить продукты испарения (или конденсации). Такой процесс называют фракционированным испарением (или конденсацией).

Недостаток способа: разделение не полное, нельзя получить чистые продукты. Используется он лишь для обогащения смеси одним компонентом.

Д авление влияет на температуру кипения смесей так же, как и на температуру кипения отдельных компонентов: с увеличением давления она возрастает. Но расстояние между кривыми кипения и конденсации при этом уменьшается (см. рис. 4.3).

Рис. 4.3. Диаграммы зависимостей температур кипения и конденсации бинарной смеси от давления

На диаграмме продемонстрированы процессы фракционированного испарения (конденсации) смеси, протекающие при различных давлениях. Здесь ₀ – начальная концентрация бинарного раствора; ₁, ₂, ₃ – концентрации равновесных паров над кипящей (конденсирующейся) жидкостью при давлениях среды соответственно 0,1; 1,0; 2,0 МПа; при этом ₃ ₂ ₁.

Видно, что для улучшения процесса обогащения целесообразнее использовать более низкие давления.