Разделение воздуха

3.1 Глубокое охлаждение воздуха.

Для получения глубокого холода может быть использовано изоэнтальпическое (эффект Джоуля-Томсона) или изоэнтропическое (с совершением внешней работы) расширение газа.

Если при постоянной температуре Т сжать реальный газ от начального давления Рн до давления Рк, а затем снизить его давление до первоначального Рн путём расширения (дросселирования) через устройство, создающее сопротивление (вентиль, диафрагма), без совершения внешней работы и теплообмена с окружающей средой, то конечная температура газа Т понизится вследствие затраты внутренней энергии его на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия. Очевидно, что расширение идеального газа в этих условиях будет происходить  без изменения внутренней энергии и его температура при расширении останется постоянной.

Поэтому, чем больше отклонение реального газа от идеального состояния, то есть чем больше разность ∆Р = Рк – Рн, тем значительнее понижение его температуры при расширении ∆Т = Т1 – Т2 (так называемый дроссель-эффект газа). В табл. Приведены значения дроссель-эффекта воздуха при его расширении до атмосферного давления (Рн) при различных давлениях сжатия Рк для двух начальных температур воздуха (Т1) (таблица 2)

Таблица 2

Из данных таблицы следует, что использовать для сжижения воздуха только дросселирование нецелесообразно, так как понижение температуры при этом невелико. Расчёты, например, показывают, что для конденсации воздух должен быть сжат до Рк = 45 ГПа, что технически неосуществимо. Поэтому на практике принцип дросселирования всегда сочетается с теплообменом – охлаждением сжатого воздуха. Однако даже в этом случае понижение температуры ∆Т составляет всего 0,1 – 0,3 градуса на атмосферу (0,1 МПа) и холодильный эффект невелик.

Значительно более эффективным является расширение предварительно сжатого в изотермических условиях воздуха с совершением внешней работы. В этом случае расширение протекает в адиабатических условиях, без теплообмена с окружающей средой в поршневой или турбинной машине (поршневом или турбодетандере). При таком процессе разность ∆Т и холодильный эффект, создаваемый детандером, в несколько раз выше, чем при дросселировании. Применение детандера не исключает того, что часть воздуха дросселируется. Тогда суммарное понижение температуры определяется как:

∆Т = ∆Тдет + ∆Тдрос

где: ∆Тдет - понижение температуры за счёт расширения воздуха в детандере,

        ∆Тдрос - дроссель-эффект.

Холодильный эффект, создаваемый детандером, в технике называется холодильным циклом. Холодильный цикл – замкнутый процесс последующего сжатия и расширения газа, который сопровождается его нагреванием и охлаждением. Существует 3 холодильных цикла:

3.1.1. Холодильный цикл с однократным дросселированием воздуха – цикл Линде,

рис 1 цикл Линде

К – компрессионный агрегат, Х – холодообменник, Др – дроссельный вентиль, С – сепаратор

3.1.2. Холодильный цикл среднего давления с расширением воздуха в детандере – цикл Клода,

рис 2 Цикл Клода

1 – высокотемпературный холодообменник, 2 – низкотемпературный холодообменник, 3 – детандер

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          3. Холодильный цикл низкого давления с расширением воздуха в детандере – цикл Капицы.

Рис 3 Цикл Капицы

ТК – компрессионный агрегат, ПХ – предварительный холодообменник, Д – детандер, О – ожижитель, Др дроссельный вентиль

3.2 Ректификация жидкого воздуха.

Разделение воздуха сопровождается уменьшением энтропии и поэтому требует

затраты внешней работы. Для равновесного обратимого процесса она равна:

–А = ∆Н – Т0∆S

где: А – внешняя работа на разделение компонентов воздуха,

        ∆Н – изменение энтальпии системы,

        ∆S – уменьшение энтропии системы.

Внешняя работа в подобном процессе при получении кислорода чистотой 99% составляет 0,074 кВт ∙ ч/нм3 газа. В реальном необратимом процессе разделения воздуха вследствие потерь холода в окружающую среду и гидравлического сопротивления аппаратуры расход энергии на разделение воздуха значительно выше и составляет не менее 0,5 кВт ∙ ч/нм3 газа.

При этом расход энергии тем выше, чем больше чистота выделяемых азота и кислорода. Существенное значение для расхода энергии на разделение воздуха имеют потери холода в процессе. С уменьшением потерь расход энергии снижается. Это может быть достигнуто интенсификацией охлаждения за счёт применения более эффективных теплообменников и регенераторов и снижением потерь холода в окружающую среду путём увеличения мощности установок.

4. Описание технологической схемы

Технологический процесс получения азота и кислорода включает глубокое охлаждение воздуха с последующей двукратной ректификацией.

Установка разделения воздуха КА-5 представляет собой комплекс технологического оборудования с трубопроводами, смонтированный внутри герметичного кожуха. Свободное пространство внутри кожуха заполнено теплоизоляционным материалом (минеральной ватой). Установка азотоводяного охлаждения, электро- и пароподогреватели, а также испарители жидкого кислорода и быстрого слива находятся вне кожуха блока. Установка работает по схеме низкого давления.

Воздух с расходом от 22 000 до 34 000 м3/ч с давлением от 0,44 до 0,51 МПа и температурой не более 50 ˚С через задвижку поступает в воздушный скруббер
(СБ), где при работе установки азотоводяного охлаждения проходит дополнительное охлаждение.

После воздушного скруббера (СБ) воздух направляется в регенерационную группу (РГ), состоящую из двух пар одинаковых регенераторов. Проходя по каменной (базальтовой) насадке регенераторов, воздух охлаждается до температуры насыщенных паров (от минус 173˚С до минус 167 ˚С) и одновременно, в определенных зонах по высоте регенератора, очищается от примесей влаги, диоксида углерода и значительной части углеводородов.

Основная часть воздуха после регенераторов поступает в нижнюю колонну (КЛ2).

Небольшая часть воздуха с расходом 300 м3/ч после регенераторов направляется на подогрев продуктов разделения (обратных потоков) в переохладитель-подогреватель грязного азота (ПП1), переохладитель-подогреватель чистого азота (ПП2), подогреватель кислорода (АТ1) и в испаритель-конденсатор (ИП), где конденсируется и стекает в куб нижней колонны.

В нижней колонне (КЛ2) часть воздуха подвергается предварительному разделению с получением грязной азотной флегмы с массовой долей кислорода не более 2% и кубовой жидкости с массовой долей кислорода 39 %. Остальная часть воздуха после трех промывных тарелок с расходом от 7 000 до 9 000 м3/ч отводится из нижней колонны на турбодетандер.

После этого воздух разделяется на два потока. Один из потоков с расходом от 3 400 до 4 500 м3/ч направляется в змеевики регенераторов в качестве «петлевого» потока, обеспечивая нормальный температурный режим регенераторов, очистку воздуха от вредных примесей и незабиваемость регенераторов. «Петлевой» поток, выйдя из змеевиков регенераторов с температурой от минус 120 ˚С до минус 140 ˚С, смешивается со вторым потоком и поступает в один из турбодетандеров.

        Небольшая часть петлевого потока, пройдя трубки змеевика по всей длине регенераторов, нагревается до плюсовых температур и направляется для питания системы переключения регенераторов, системы контроля и пневмоуправления, а также используется для проведения периодических отогревов узлов агрегата и регенерации адсорбента в адсорберах.

В турбодетандере воздух расширяется с отдачей внешней работы, в результате чего охлаждается до температуры не менее минус 186 ˚С и через задвижку направляется на 30-ю тарелку верхней колонны (КЛ1).

Кубовая жидкость из нижней колонны с расходом около 10 350 м3/ч поступает адсорбер кубовой жидкости (Р), где очищается от взрывоопасных примесей и направляется в секцию кубовой жидкости переохладителя-подогревателя грязного азота (ПП1). В переохладителе-подогревателе кубовая жидкость переохлаждается за счет холода потока грязного азоа, а затем дросселируется на 34-ю тарелку верхней колонны.

Получаемый в нижней колонне грязный газообразный азот поступает в межтрубное пространство конденсатора (КН1), где основная его часть конденсируется за счет испарения в трубном пространстве жидкого кислорода, и стекает в карман нижней колонны. Из кармана нижней колонны часть грязной азотной флегмы используется на орошение нижней колонны, а вторая часть с расходом до 9 150 м3/ч отводится в переохладитель-подогреватель грязного азота (ПП1). Здесь флегма переохлаждается за счет холода потока отбросного грязного азота и подается в мерник, а затем на 41-ю тарелку верхней колонны. Периодически часть жидкого азота подается на заполнение сосудов Дьюара.

Часть газообразного азота с расходом 3 000 м3/ч отбирается из межтрубного пространства основного конденсатора и направляется в азотную колону (КЛ3), предназначенную для получения чистого азота.

Получаемый в азотной колонне чистый газообразный азот с объемной долей кислорода не более 0,0005% поступает в межтрубное пространство конденсатора азотной колонны (КН2), где конденсируется на наружной поверхности трубчатки за счет испарения кислорода в трубном пространстве, и стекает в карман азотной колонны, а затем на орошение тарелок колонны. Часть этой флегмы с расходом
1 050 м3/ч отбирается из кармана в переохладитель-подогреватель чистого азота
(ПП2), где переохлаждается и подается на орошение азотной части верхней колонны.

Из куба азотной колонны отбирается грязная азотная флегма с расходом около
1 950 м3/ч и после переохлаждения в переохладителе-подогревателе грязного азота подается в мерник верхней колонны на орошение.

В верхней колонне происходит окончательное разделение воздуха на чистый азот с объемной долей кислорода не более 0,0005 % (5 ррм), технический кислород с объемной долей кислорода не менее 98,0 % и грязный азот с объемной долей кислорода не более 8 % .

Чистый азот с расходом 1 000 м3/ч проходит переохладитель-подогреватель чистого азота (ПП2), где подогревается сначала в секции переохлаждения, а затем в секции подогрева до температуры минус 176 ˚С — минус 178 ˚С и поступает в азотные змеевики всех регенераторов.

Грязный отбросной азот из верхней колонны проходит переохладитель-подогреватетль грязного азота (ПП1), где последовательно подогревается в секции переохлаждения грязной азотной флегмы, секции переохлаждения кубовой жидкости и секции подогрева до температуры минус 175 ˚С — минус 177 ˚С и поступает на насадку всех регенераторов.

Проходя по насадке, отбросной азот нагревается до температуры на 3 ˚С ниже температуры входящего в блок воздуха и одновременно удаляет с насадки все примеси, вымерзшие на ней в период прямого воздушного дутья. После регенераторов отбросной азот направляется в азотный скруббер (при работе АВО), или же сбрасывается в глушитель с последующим выбросом в атмосферу.

Жидкий кислород из куба верхней колонны поступает на испарение в основной конденсатор (КН1) и в виде пара возвращается в колонну. Часть жидкого кислорода с расходом 2 150 м3/ч из основного конденсатора подается для испарения в конденсатор азотной колонны (КН2).

С целью создания проточности конденсатора азотной колонны жидкий кислород с расходом 135 м3/ч подается в трубное пространство испарителя-конденсатора (ИП), где основная часть этой жидкости испаряется.