Системы обеспечения предприятий продуктами разделения воздуха

Обеспечения предприятий продуктами разделения воздухаосуществляется с помощью воздухоразделительных установок. Промышленные воздухоразделительные установки предназначаются для извлечения из атмосферного воздуха кислорода, азота и инертных газов – аргона, криптона, ксенона и неона – в газообразном или жидком состоянии. При этом используется метод низкотемпературной ректификации. Необходимым условием низкотемпературной ректификации является охлаждение воздуха и поддерживание низкой температуры в разделительном аппарате (Т_В = 78,7 К).

Применяемый для этих целей криогенный процесс основан на использовании разделяемого воздуха в качестве рабочего тела.

17.1. Обобщённая схема криогенного процесса сжижения воздуха

Обобщённая схема криогенного процесса сжижения воздуха изображена на рис. 17.1.

Рис.17.1. Схема установки для сжижения воздуха (а)
и процесс её работы в Т–S диаграмме (б):

I – воздушный компрессор; II – детандер; III–V – теплообменники;

VI – дроссельный вентиль; VII – отделитель жидкости; VIII – концевой холодильник

Воздух сжимается в компрессоре I до давления P₂, охлаждается в концевом холодильнике VIII компрессора до состояния 2. Количество сжатого воздуха в состоянии 2 принимаем за единицу. Дальнейшее охлаждение газа осуществляется в теплообменнике III за счёт холода обратного потока газа состояние 8. Часть газа (1–М) расширяется в детандере II до давления P₁, а вторая часть М (доля единицы сжатого газа) охлаждается в теплообменниках IV и V и дросселируется в дроссельном вентиле VI до давления P₁. При установившемся режиме работы после дросселирования образуется жидкость (y), которая отводится из отделителя жидкости. Пар возвращается в теплообменник V в количестве (М–y), проходит теплообменник противотоком (по отношению к сжатому газу) и смешивается с расширенным газом, поступившим из детандера. Суммарный поток (1–y) проходит теплообменники IV и III.

В цикле с детандером охлаждение достигается как при помощи изотермического эффекта дросселирования, так и расширения части газа в детандере с отдачей работы.

Доля жидкости y получаемая из 1 кг сжатого воздуха определяется из энергетического баланса процесса.

,

где Δi_T = i₁–i₂ изотермический дроссельный эффект; Δi_H = i₁–i₇ недорекуперация процесса теплообмена в теплообменнике; Δi_ож = i₁–i₅ разность энтальпий атмосферного и ожиженного воздуха; Δi_д = i₈–i₉ холодопроизводительность 1 кг воздуха, расширяемого в детандере; М и 1–М части расхода сжижаемого газа.

Состав сухого воздуха	% по объёму
Азот	78,09
Кислород	20,92
Аргон	0,93
Двуокись углерода	0,03
Неон	1,8·10^–3
Гелий	5,24·10^–4
Криптон	1,0·10^–4
Ксенон	8,0·10^–6
Водород	5,0·10^–5

Нормальные температуры кипения

Азот	77,35 К
Кислород	90,18 К
Аргон	87,29 К
Неон	27,09 К
Гелий	4,22 К
Криптон	119,8 К
Ксенон	165,02 К
Воздух	78,67 К

В зависимости от конкретных условий процесс сжижения может осуществляться в различных модификациях:

1. Детандер II отсутствует и через теплообменники IV и V проходит весь воздух. В этом случае М=1, охлаждение осуществляется только за счёт дроссельного эффекта (процесс Линде, точки 8 и 10 совпадают).

2. Теплообменник III отсутствует. В этом случае воздух в детандер II поступает без предварительного охлаждения (процесс Гейландта).

3. Процесс соответствует изображённому на рисунке (процесс Клода).

4. Отсутствует теплообменник V и, расширенный в детандере II воздух имеет те же параметры, что и в точке 6 (f процесс Капицы).

Каждой из четырёх модификаций соответствует оптимальное с точки зрения расхода энергии давление Р₂ сжатия воздуха. В Процессах Линде и Гейландта оно составляет 12÷20 МПа, в процессе Клода 2÷6 МПа и в процессе Капицы 0.5÷0.8 МПа. При этом чем ниже давление Р₂, тем больше доля воздуха 1–М направляется в детандер.

Дата добавления: 2015-07-25