Разделение воздуха

Газообразный кислород из верхней колонны, из конденсатора азотной колонны и испарителя-конденсатора общим расходом от 3 300 до 5 600 м3/ч проходит подогреватель кислорода (АТ1), подогревается до температуры от минус 178 ˚С до минус 176 ˚С и поступает в кислородные змеевики регенераторов. Из регенераторов нагретый кислород направляется в общий коллектор.

Жидкий кислород с расходом 150 м3/ч отбирается из верхней колонны и направляется в змеевики регенераторов, где происходит его газификация и нагрев до плюсовых температур. После регенераторов кислород высокого давления через вентиль выдается потребителям.  

5. Конструкция и режим работы основного аппарата

      Диаметр колонн определяется величиной потоков пара и жидкости, поднимающихся и сливающихся в аппарате. Высота разделительного аппарата определяется расстоянием между ректификационными тарелками на каждом из участков колонны, различающихся гидродинамическими условиями работы, числом тарелок на каждом из этих участков, а также высотой других конструктивных элементов. В современной воздухоразделительной технике применяются ситчатые тарелки. Ситчатая тарелка представляет собой лист с пробитыми в нем кругами, щелевидными или просечными треугольными отверстиями размером 2-15 мм. Пар, проходящий в отверстия, барботирует через слой жидкости, которая стекает через переливные патрубки. Скорость пара в отверстиях 10-12 м/с. Ситчатые тарелки работают также и в провальном режиме, тогда переливные устройства на тарелке отсутствуют, а жидкость стекает в отверстие навстречу пару. Отверстия в тарелках, работающих в провальном режиме, несколько крупнее, чем в переливных. Ситчатые тарелки просты по конструкции и эффективны. Число тарелок на каждом из участков определяется исходя из числа так называемых теоретических тарелок, которые находятся графически (или аналитически) с помощью диаграмм равновесных состояний жидкость – пар для разделяемых смесей и коэффициента эффективности разделительного действия тарелки. Последний является функцией многих факторов и определяется для расчётных условий исходя из опытных данных. При этом необходимо иметь в виду, что в связи с изменением количества жидкости и пара по высоте участка колонны, а также давления и температуры меняется гидравлические условия работы тарелок на участке при условии, что размеры тарелок на участке и расстояние между тарелками на нём остаются неизменными. Поэтому размер тарелок и расстояния между ними на каждом участке определяются исходя из условий работы наиболее нагруженного по жидкости и пару сечения. Разделение воздуха происходит при двукратной ректификации, т. е. две колонны смонтированы в одну. но колонны имеют немного разные конструктивные размеры.

Колонна нижняя:

Диаметр аппарата 1 800 мм, толщина стенки 6 мм. Высота 6 300 мм. Колонна имеет 18 ситчатых тарелок с размером отверстий 0,9 мм с шагом 3,25 мм.

Колонна верхняя:

Диаметр аппарата 2 200 мм, толщина стенки 2 мм. Высота 9 130 мм. Колонна имеет 41 ситчатую тарелку с размером отверстий 0,9 мм  и 1 мм при шаге
3,25 мм. Расстояние между тарелками в нижней части 110 мм, с 31-й тарелки – 130 мм. Ввод детандерного потока на 31-ю тарелку, кубовой жидкости – на 34-ю. В верхней части имеет дополнительную азотную колонну диаметром 700 мм с толщиной стенки 2 мм. В колонне 17 ситчатых тарелок.

В качестве конструкционного материала для изготовления ректификационных колонн применена сталь марки 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72. Это высоколегированная сталь, но для более эффективной защиты колонны от коррозии ее покрывают двумя слоями антикоррозионной краски.

6. Автоматизация

Процесс ректификации относится к основным процессам химической технологии. Показателем эффективности его является состав целевого продукта. Ректификационная установка является сложным объектом управления со значительным временем запаздывания, с большим числом параметров, характеризующих процесс, многочисленными взаимосвязями между ними, распределённостью их т.д.

Трудность регулирования процесса объясняется также частотой и амплитудой возмущений. Возмущениями являются изменения начальных параметров исходной смеси, тепло- и хладоносителей, изменения свойств теплопередающих поверхностей, отложение веществ на стенках и т.д.

Выбор средств автоматизации (таблица 3)

Таблица 3

В таблице 3 приведены средства автоматизации, применённые для регулирования процесса лишь в нижней и верхней ректификационных колоннах. Но схема автоматизации всей установки воздухоразделения намного шире.

Наиболее важные параметры технологического режима регулируют и поддерживают с помощью регуляторов расхода, уровня, температур и концентраций, которыми оснащена воздухоразделительная установка. В частности, по температуре в средней части регенераторов регулируют потоки воздуха в каждом регенераторе, с помощью регуляторов уровня поддерживаются уровни в конденсаторах-испарителях и т.д. Правильное регулирование обеспечивает длительную и стабильную работу установки в экономичном режиме.

7. Изменения, введенные в проект

В данном дипломном проекте предлагается внести изменение в технологическую схему производства жидкого кислорода. Заменить 2 старых насоса кислорода марки ЦН-230АМ на новые марки НкпМ2 6/10. Преимущество этих насосов состоит в том, что они потребляют меньше электроэнергии, и они имеют меньшие габаритные размеры.

Экономический эффект после внедрения новшества приведен в разделе “Расчет технико-экономических показателей”.

        7 Материальный и тепловой расчёт

Исходные параметры, принимаемые при расчёте установки:

Разность температур в теплообменных аппаратах. Средний перепад температур на тёплом конце регенераторов: у азотных ∆Та = 4 град; у кислородных ∆Тк = 4 град. Температурный напор в конденсаторе ∆Тк  = 2,2 град.

Холодопотери в окружающую среду принимаем исходя из рекомендаций, приводимых в работе [37], q3 = 1,0 ккал/нм3 в. Они распределены следующим образом: в колонне низкого дав­ления с конденсаторами q3к н-д = 0,4 ккал/нм3 в; в колонне высо­кого давления q3к.в д = 0,2 ккал/нм3 в; в азотных регенераторах q3ар= 0,28 ккал/нм3 в; в кислородных регенераторах q3к р = 0,07 ккал/нм3 в; в детандерном теплообменнике q3д т = 0,02ккал/нм3в; в переохладителе азотной флегмы q3п а ф = 0,01 ккал/нм3 в; в пере­охладителе кубовой жидкости q3п к ж = 0,01 ккал/нм3 в; в подогрева­теле азота q3п а = 0,01 ккал/нм3 в.                                                                                          Сопротивления аппаратов и коммуникаций (на основании пред­варительной оценки) принимаются: регенераторов, включая органы переключения и коммуникации, на обратном потоке 0,2 атм; верх­ней колонны, переохладителей жидкого азота и кубовой жидкости и коммуникаций 0,2 атм; нижней колонны 0,1 атм; на прямом потоке от компрессора до нижней колонны (регенераторы с орга­нами переключения и коммуникации) 0,25 атм; на пути воздуха от колонны высокого давления до турбодетандера (промывные та­релки, детандерный теплообменник, арматура и коммуникации) 0,1 атм.

Исходя из принятой величины сопротивлений, получаем, что давление в нижней части верхней колонны составит 1,4 ата. При­нимаем давление после турбодетандера 1,35 ата.

  Коэффициент полезного действия машин. Изотермический к. п. д. турбокомпрессора 0,6. Адиабатный к. п. д. турбодетан­дера 0,75.

Потери воздуха. Потери воздуха при переключениях регене­раторов и на продувки 0,05 нм3/нм3 в.

7.1  Определение доли воздуха, направляемой на турбодетандер

Уравнение, характеризующее баланс холодопроизводительности установки и потерь холода, будет иметь вид

γн в ∆iТв + Vдγн.вηадh0 =  Аγн аcра∆Та + kγн к срк∆Тк  +  q3 

В этом уравнении  кроме ранее принятых введены такие обо­значения: γн в , γн к и

γн а — удельный вес воздуха, азота и кисло­рода в нормальных условиях; ∆iТв — изотермический эффект дрос­селирования воздуха между начальным и конечным его давлением при расчетной температуре окружающей среды в ккал/кг; Vд — доля воздуха, поступающая на турбодетандер, в нм31нм3 в; ηад — адиабатный к. п. д. турбодетандера; h0 — адиабатный перепад энтальпий в турбодетандере в ккал/кг; А — количество отходящего азота в нм3/нм3 п. в.; К — количество получаемого кислорода в нм3/нм3п.в.; ср и сРк — удельные теплоемкости азота и кислорода при постоян­ном давлении в их состоянии на выходе из регенераторов в ккал/кг∙град.

В рассматриваемом случае при расчете процесса разделения воздух можно рассматривать как бинарную смесь азота и кислорода, относя аргон к азоту.

Нам пока неизвестно удельное количество кислорода и азота, получаемое из разделяемого воздуха. Поэтому уравнение (1) представим в таком виде:

l,293∆iТв + Vд 1,293 ηадh0 =  1,293cрв∆Тр + q3     

где срв — удельная теплоемкость воздуха при  параметрах  азота  и   кислорода   на

выходе    из     регенераторов  (сРв = 0,241   ккал/кг ∙ град); ∆Тр – средний   перепад

температур между потоками  на  теплом конце  регенераторов.                     

При составлении уравнения условно считаем, что кислород и азот в регенераторы поступают после смешения.

Давление воздуха после турбокомпрессора устанавливается ис­ходя из давления азота в конденсаторе и сопротивлений на прямом потоке от компрессора до колонны высокого давления, включая сопротивление этой колонны.

Давление воздуха после турбокомпрессора устанавливается ис­ходя из давления азота в конденсаторе и сопротивлений на прямом потоке от компрессора до колонны высокого давления, включая сопротивление этой колонны.