Файл: Конспект лекций для студентов специальности 5В071700 Теплоэнергетика Алматы 2014 алматинский университет.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 209
Скачиваний: 8
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
разделения воздуха
План лекционного занятия: методы промышленного получения продуктов разделения воздуха.Ожижители газов. Ожижение воздуха в квазицикле Капицы.
Цель лекции: изучение процессов ожижения воздуха.
15.1 Методы промышленного получения продуктов разделения
воздуха
Воздухоразделительные установки (ВРУ) - установки для разделения воздуха на компоненты: кислород, азот, аргон, неон, ксенон, криптон.
Газовый состав воздуха на земле одинаков, за исключением углекислого газа, углеводородов и аммиака, концентрация которых на несколько (три и более) порядков меньше, чем содержание кислорода и азота.
Большинство получаемых при разделении воздуха газов представляют собой криоагенты, т. е. газы с нормальной температурой конденсации в широком интервале температур ниже 120 К. Наиболее экономичные способы их выделения их воздуха (газовой смеси) основаны на низкотемпературных методах. К низкотемпературным методам разделения можно отнести кондесационно-испарительный и в некоторых случаях адсорбционно- десорбционный метод.
79
Из конденсационно-испарительных методов в технике низкотемпературного разделения воздуха используется ректификация.
Низкотемпературная ректификация отличается от соответствующего высокотемпературного процесса тем, что для ее проведения необходима система криообеспечения.
Назначение этой системы:
- отвод теплоты из системы разделения воздуха для компенсации теплопритоков и, если это необходимо, ожижение продуктов разделения;
- обеспечение отвода теплоты в процессе ректификации из конденсатора и подвода теплоты в испарителе.
Первоначалом для существующих ВРУ были ожижители воздуха.
Первые ожижители представляли собой четырёхкаскадную систему охлаждения, с несколькими контурами охлаждения на базе аммиака, борного спирта и некоторых фракций природного газа(пропан, бутан, этан).
Первым, кто получил кислород из воздуха путем ректификации был Карл Линде в 1895 году. Он создал криогенный цикл, по которому работала установка разделения, в последующем её назвали установка Линде, а цикл разделения воздуха — цикл Линде. В данном цикле применялся изотермический дроссель эффект, который создавался за счет изотермического сжатия в компрессоре и последующего расширения через дроссельный вентиль. Установка работала по циклу высокого давления P = 10
÷ 15 МПа, с производительностью V
к
= 100 (м³ O
2
)/час и концентрацией x к
=
99,5 ÷ 99,7 % O
2
. Линде впервые создал аммиачную холодильную машину, которую в последующем включил в цикл разделения воздуха (в 1902 год).
Установка низкого давления была изобретена русским ученым Капицей в 1939 году. Установка была предназначена для получения газообразного кислорода и работала по циклу низкого давления P = 0,6 ÷ 0,7
МПа, снижение давления было достигнуто путем применения в цикле турбодетандера, а также увеличением на порядок по сравнением с циклом
Линде (от 3000 м³ воздуха в час и выше) потребляемого воздуха.
15.2 Ожижители газов
Процессы, связанные с ожижением газов, принадлежат к числу весьма энергоемких. Так, например, электрическая мощность установки производи- тельностью 1 т/ч составляет для жидкого кислорода 1200 … 1500 кВт.
Эксергетический КПД таких процессов превышает 20 … 25%, т. е. расход энергии в 4 - 5 раз больше соответствующей идеальной работы.
Характерной особенностью ожижителей в отличие от рефрижераторов является то, что это всегда открытые термодинамические системы. В таких системах вместо цикла совершается квазицикл.
Структура ожижителей газов.
80
Независимо от видовых особенностей, структура ожижителей состоит из ступеней одинакового назначения:
1) Ступень подготовки рабочего тела (СПТ)предназначена для изотермического сжатия рабочего тела при температуре окружающей среды.
Это сжатие может производиться как в одной ступени компрессора, так и в нескольких последовательно включенных ступенях с промежуточным водяным или воздушным охлаждением.
2) Ступень предварительного охлаждения (СПО)предназначена для предварительного охлаждения рабочего тела в регенеративном теплообменнике обратным потоком охлажденного рабочего тела.
3) Ступень основного охлаждения (СОО)обеспечивает ожижение рабочего тела. Основными вариантами СОО являются два: дроссельный и
детандерный. Первый из них отличается высоким удельным расходом электроэнергии иприменяется в установках малой производительности.
Значительно экономичнее вариант с расширением воздуха в детандере.
4) Ступень использования охлаждения (СИО)включает сепаратор, позволяющий выводить из установки ожиженное рабочее тело, а пар возвращать в систему.
15.3 Ожижение воздуха в квазицикле Капицы
Более экономичным является ожижитель воздуха, в котором используется дополнительное охлаждение в СПО при помощи детандеров.
В 1939 г. академик П. Л. Капица разработал квазицикл, в котором за счет расширения воздуха в детандере удалось перейти на низкое давление.
Если в квазицикле Линде сжатие осуществляется до 10 … 20 МПа, то в квазицикле Капицы – до 0.5 … 0,7 МПа.
Первым преимуществом низкого давления является использование турбомашин для сжатия и расширения воздуха. Однако это стало возможным только после того , как П. Л. Капица разработал специальный турбодетандер, позволяющий получить и в области, близкой к состоянию насыщения, адиабатный КПД, равный 0,80 … 0,86.
Вторым преимуществом низкого давления является возможность применения вместо теплообменников-рекуператоров более выгодные теплообменники–регенераторы, в которых одновременно с теплообменом происходят и процессы массообмена, т. е. осушка и очистка воздуха от диоксида углерода, паров масел. Кроме того, применение регенераторов позволяет сделать установку более компактной и снизить эксплуатационные расходы.
Схема ожижителя Капицы и изображение квазицикла в Т, s-диаграмме приведены на рисунке 15.1 а и б соответственно.
81
Рисунок 15.1 – Схема ожижения воздуха в квазицикле Капицы и ее изображение в Т, s – диаграмме
Воздух сжимается в турбокомпрессоре I от давления до давления и охлаждается до температуры окружающей среды в охладителе II (процесс 1 – 2). Затем воздух направляется в регенеративный теплообменник III, где охлаждается обратным потоком воздуха (процесс 2 –
8).
После этого сжатый воздух разделяется на две части. Первая в количестве М = 0,90 …0,95 поступает в турбодетандер VII. Вторая часть (1 –
М) газа проходит через теплообменник-охладитель VI, где она конденсируется (процесс 8 – 3) и после дросселирования (процесс 3 – 4) в дросселе IV направляется в отделитель жидкого воздуха V. Полученная жидкость в количестве у отводится из отделителя, а оставшийся воздух вместе с воздухом, поступившим после расширения (процесс 8 – 6) из детандера, направляется в теплообменники VI и III, где нагревается до температуры Т
7
(процесс 6 – 7) и выводится в атмосферу.
Количество получаемого жидкого воздуха на единицу воздуха, поступающего в CПТ, можно получить из уравнения энергетического баланса аналогично квазициклу Линде:
у = ( ΔhТ – Δh
п
– q
из
+ МΔh
д
) / ( q
ож
– Δh
д
), (15.1) где МΔh
д
- холодопроизводительность детандера.
82
Удельный расход электроэнергии на 1 кг ожиженного воздуха определяется затратами работы в компрессоре с учетом работы, возвращаемой детандером:
N
э
= [l
из
/( η
изк
∙ η
эмк
) – МΔh
Д
∙η
эмд
] / у, (15.2) где l
из
- изотермическая работа компрессора;
η
эмд
, η
эмк
– электромеханические КПД компрессора и детандера;
η
изк
- относительный изотермический КПД компрессора.
Из формулы (14.2) видно, что для увеличения у и уменьшения N
э
долю
М направляемого в детандер воздуха следует принимать возможно большей.
Однако максимальное значение М ограничено минимальной разностью температур ΔТ m-n = 3 … 5 К в регенеративном теплообменнике.
В противном случае возрастают потери теплоты от недорекуперации в регенеративном теплообменнике, что приводит к снижению у.
16 Лекция №16. Системы производства и распределения продуктов
разделения воздуха
План лекционного занятия:низкотемпературная ректификация воздуха.Однократная ректификация. Двукратная ректификация.
Цель лекции: изучение процессов низкотемпературной ректификация воздуха.
16.1 Низкотемпературная ректификация воздуха
Охлаждение и ожижение воздуха являются предварительным этапом его разделения, осуществляемого в процессе низкотемпературной ректификации.
Ректификация - это процесс разделения жидких смесей при помощи одновременно и многократно повторяемых частичных процессов испарения и конденсации. Воздух в первом приближении можно рассматривать как бинарную смесь, состоящую из азота и кислорода. Температура кипения и конденсации смеси зависит не только от давления, как для чистых компонентов, но и от состава смеси. Температура кипения азота Та = 77,4 К ниже температуры кипения кислорода Тк = 90,19 К при давлении р = 0,1МПа.
Поэтому чем больше в смеси азота, тем ниже будет температура ее кипения.
Другой характерной особенностью бинарных смесей является то, что пар, находящийся в равновесии с жидкостью, всегда содержит больше вещества с низкой температурой кипения, чем жидкость.
Процесс разделения жидкого воздуха производится в ректификационных колоннах однократной и двукратной ректификации.
83
16.2 Однократная ректификация
Воздухоразделительные аппараты однократной ректификации применяются в установках малой производительности и в установках для производства жидкого кислорода.
На рисунке 16.1 показана схема воздухоразделительной установки с однократной ректификацией воздуха. Для простоты на схеме показан ожижитель Линде, но точно также может быть использован и любой другой ожижитель.
При разделении воздуха часть процесса ожижения, протекающего в отделителе жидкости и дросселе (отмечена штриховой линией), осуществляется совместно с процессом ректификации. Сжатый в компрессоре
I и охлажденный в охладителе II воздух после регенеративного теплообменника III (точка 3') поступает в дроссельный вентиль IV через змеевик VI , расположенный в нижней части ректификационной колонны V .
В змеевике сжатый воздух дополнительно охлаждается и ожижается, так как температура его кипения выше температуры в нижней части колонны
(испарители), где давление над жидкостью 0,14 ... 0,16 МПа.
Полученный жидкий воздух (точка 3) дросселируется до давления в колонне (точка 4) и флегма подается на верхнюю тарелку колонны.
Таким образом, змеевик служит как бы продолжением теплообменника
III.
Рисунок 16.1 - Схема воздухоразделительной установки с однократной ректификацией воздуха
84
Рассматриваемая ректификационная колонна является оттгонной
(исчерпывающей). Она представляет собой нижнюю часть полной колонны, расположенную под уровнем питания.
Верхняя укрепляющая
(концентрационная) часть, необходимая для получения технически чистого легкокипящего вещества (в данном случае азота), отсутствует. Поэтому из колонны (точка 6) отводится не чистый азот, а пар. Равновесный жидкому воздуху в точке 4.
Так как полное равновесие не достигается, то практически пар, отходящий из колонны, является загрязненным азотом, содержащим около 10
...12% кислорода. Поток загрязненного азота отводят через регенеративный теплообменник противотоком по отношения к поступающему воздуху.
В испарителе колонны собирается труднокипящее вещество (в данном случае кислород), которое может быть отведено либо в жидком (точка 5), либо в газообразном виде (точка 8).
Колонна играет также роль отделителя жидкости, и количество отводимого кислорода будет определяться тем же уравнением, что и количество жидкости в ожижителе Линде. В колонне однократной ректификации можно получить до 2/3 кислорода, содержащегося в воздухе, так как около 1/3 его теряется с азотом.
16.3 Двукратная ректификация
Двукратная ректификация позволяет получить практически чистые продукты разделения – азот и кислород. Применяется она в установках большой производительности и осуществляется в ректификационных колоннах, каждая из которых может состоять из нескольких аппаратов. Эти колонны вместе с вспомогательным оборудованием располагаются в отдельном теплоизолированном помещении, называемом блоком разделения.
Основным элементом установки двукратной ректификации (см.рисунок
16.2) служит ректификационная колонна (обведена штриховой линией), которая состоит из трех частей - нижней колонны V, верхней колонны VI и конденсатора-испарителя VII . В малых и средних установках эти аппараты объединены, а в крупных для удобства изготовления, монтажа и эксплуатации устанавливаются раздельно. Нижняя колонна служит для предварительного разделения воздуха на легкокипящий азот и обогащенную кислородом (до 36
... 38%) жидкость. При температуре насыщения и давлении 0,48 ... 0,52 МПа воздух поступает в нижнюю часть колонны (испаритель). Таким образом, колонна V представляет собой концентрационную часть полной ректификационной колонны.
Одна часть полученного азота используется для орошения нижней колонны, другая через дроссельный вентиль IX подается в верхнюю колонну.
Сюда же полностью подается обогащенный кислородом воздух из нижней колонны.
85
Рисунок 16.2 - Схема воздухоразделительной установки с двукратной ректификацией воздуха
Под давлением 0,14 ... 0,16 МПа, необходимым для преодоления гидравлического сопротивления теплообменников при выпуске разделения из установки, происходит полное разделение обогащенного кислородом воздуха на азот и может отводиться либо в газообразном (К
г
), либо в жидком (К
ж
) состоянии. Из верхней части колонны VI отводится газообразный (А
г
) или жидкий (А
ж
) азот.
Теплопередача в конденсаторе-испарителе VII от конденсирующегося в колонне V азота к кипящему в колонне VI кислороду обеспечивается тем, что давление в нижней колонне выше на 1,5 ... 3,0 К, чем температура кипения кислорода. Газообразные продукты разделения - кислород К
Г
и азот А
г из колонны поступают в теплообменник III, в котором нагреваются, охлаждая поступающий воздух.
В некоторых случаях газообразный сжатый из установки получают посредством насоса жидкого кислорода XI. Кислород отбирается из конденсатора-испарителя в жидком виде и насосом прокачивается под необходимым давлением (до 16 или 20 МПа) через теплообменник III, где испаряется, нагревается и подается к потребителю.
Система криообеспечения содержит в СПО детандер IV, в СОО - дрос- сельные вентили VIII ... X.
86
16.4 Классификация воздухоразделительных установок
Воздухоразделительные установки различают по производительности, давлению и составу продуктов разделения. В маркировке установок приняты обозначения: А - азот, К - кислород технологический, Кт - кислород технический, Ар - аргон, ж - жидкий (кислород, азот или аргон). Цифра в маркировке обозначает количество основного продукта в тыс. м./ч (первая буква в марке установки соответствует основному продукту). Например, установка АК-0,135 предназначена для получения газообразного азота (135 м./ч) и технологического кислорода.
Воздухоразделительные установки по производительности делят на три группы:
- малой производительности (30 ... 300 м/ч) для получения кислородачистотой 99,2 ... 99,5%, в которых применяется высокое (10 ... 20
МПа) и среднее (3 ... 5 МПа) давление;
- средней производительности (300 ... 400 м./ч) для получения кислорода чистотой 95 ... 98%, в которых могут применяться либо два давления - высокое, низкое (0,5 ... 0,8 МПа), либо только низкое давление;
- большой производительности (более 4000 м./ч) для получения кислорода чистотой 95 ... 98%, в которых применяется низкое давление.
В состав воздухоразделительных установок входит следующее оборудование: поршневые и турбинные компрессоры и детандеры; кислородные и аргонные насосы, ректификационные колонны, теплообменники, устройства автоматического регулирования и защиты, блоки очистки воздуха.
17
Лекция №17. Системы технического водоснабжения
промышленных предприятий
План лекционного занятия: назначение системы технического водоснабжения промышленных предприятий СТВПП. Классификация систем водоснабжения. Схемы систем производственного водоснабжения. Состав систем технического водоснабжения промышленного предприятия.
Цель лекции: изучение схем производственного водоснабжения.
17.1 Назначение СТВПП
Техническая вода является одним из наиболее распространенных видов энергоносителей. Она используется в технологических процессах и в хозяйственно-бытовых целях практически на всех предприятиях. Расходы технической воды на производственные нужды сильно колеблются в зависимости от назначения и мощности предприятия, а также характера технологически процессов.
План лекционного занятия: методы промышленного получения продуктов разделения воздуха.Ожижители газов. Ожижение воздуха в квазицикле Капицы.
Цель лекции: изучение процессов ожижения воздуха.
15.1 Методы промышленного получения продуктов разделения
воздуха
Воздухоразделительные установки (ВРУ) - установки для разделения воздуха на компоненты: кислород, азот, аргон, неон, ксенон, криптон.
Газовый состав воздуха на земле одинаков, за исключением углекислого газа, углеводородов и аммиака, концентрация которых на несколько (три и более) порядков меньше, чем содержание кислорода и азота.
Большинство получаемых при разделении воздуха газов представляют собой криоагенты, т. е. газы с нормальной температурой конденсации в широком интервале температур ниже 120 К. Наиболее экономичные способы их выделения их воздуха (газовой смеси) основаны на низкотемпературных методах. К низкотемпературным методам разделения можно отнести кондесационно-испарительный и в некоторых случаях адсорбционно- десорбционный метод.
79
Из конденсационно-испарительных методов в технике низкотемпературного разделения воздуха используется ректификация.
Низкотемпературная ректификация отличается от соответствующего высокотемпературного процесса тем, что для ее проведения необходима система криообеспечения.
Назначение этой системы:
- отвод теплоты из системы разделения воздуха для компенсации теплопритоков и, если это необходимо, ожижение продуктов разделения;
- обеспечение отвода теплоты в процессе ректификации из конденсатора и подвода теплоты в испарителе.
Первоначалом для существующих ВРУ были ожижители воздуха.
Первые ожижители представляли собой четырёхкаскадную систему охлаждения, с несколькими контурами охлаждения на базе аммиака, борного спирта и некоторых фракций природного газа(пропан, бутан, этан).
Первым, кто получил кислород из воздуха путем ректификации был Карл Линде в 1895 году. Он создал криогенный цикл, по которому работала установка разделения, в последующем её назвали установка Линде, а цикл разделения воздуха — цикл Линде. В данном цикле применялся изотермический дроссель эффект, который создавался за счет изотермического сжатия в компрессоре и последующего расширения через дроссельный вентиль. Установка работала по циклу высокого давления P = 10
÷ 15 МПа, с производительностью V
к
= 100 (м³ O
2
)/час и концентрацией x к
=
99,5 ÷ 99,7 % O
2
. Линде впервые создал аммиачную холодильную машину, которую в последующем включил в цикл разделения воздуха (в 1902 год).
Установка низкого давления была изобретена русским ученым Капицей в 1939 году. Установка была предназначена для получения газообразного кислорода и работала по циклу низкого давления P = 0,6 ÷ 0,7
МПа, снижение давления было достигнуто путем применения в цикле турбодетандера, а также увеличением на порядок по сравнением с циклом
Линде (от 3000 м³ воздуха в час и выше) потребляемого воздуха.
15.2 Ожижители газов
Процессы, связанные с ожижением газов, принадлежат к числу весьма энергоемких. Так, например, электрическая мощность установки производи- тельностью 1 т/ч составляет для жидкого кислорода 1200 … 1500 кВт.
Эксергетический КПД таких процессов превышает 20 … 25%, т. е. расход энергии в 4 - 5 раз больше соответствующей идеальной работы.
Характерной особенностью ожижителей в отличие от рефрижераторов является то, что это всегда открытые термодинамические системы. В таких системах вместо цикла совершается квазицикл.
Структура ожижителей газов.
80
Независимо от видовых особенностей, структура ожижителей состоит из ступеней одинакового назначения:
1) Ступень подготовки рабочего тела (СПТ)предназначена для изотермического сжатия рабочего тела при температуре окружающей среды.
Это сжатие может производиться как в одной ступени компрессора, так и в нескольких последовательно включенных ступенях с промежуточным водяным или воздушным охлаждением.
2) Ступень предварительного охлаждения (СПО)предназначена для предварительного охлаждения рабочего тела в регенеративном теплообменнике обратным потоком охлажденного рабочего тела.
3) Ступень основного охлаждения (СОО)обеспечивает ожижение рабочего тела. Основными вариантами СОО являются два: дроссельный и
детандерный. Первый из них отличается высоким удельным расходом электроэнергии иприменяется в установках малой производительности.
Значительно экономичнее вариант с расширением воздуха в детандере.
4) Ступень использования охлаждения (СИО)включает сепаратор, позволяющий выводить из установки ожиженное рабочее тело, а пар возвращать в систему.
15.3 Ожижение воздуха в квазицикле Капицы
Более экономичным является ожижитель воздуха, в котором используется дополнительное охлаждение в СПО при помощи детандеров.
В 1939 г. академик П. Л. Капица разработал квазицикл, в котором за счет расширения воздуха в детандере удалось перейти на низкое давление.
Если в квазицикле Линде сжатие осуществляется до 10 … 20 МПа, то в квазицикле Капицы – до 0.5 … 0,7 МПа.
Первым преимуществом низкого давления является использование турбомашин для сжатия и расширения воздуха. Однако это стало возможным только после того , как П. Л. Капица разработал специальный турбодетандер, позволяющий получить и в области, близкой к состоянию насыщения, адиабатный КПД, равный 0,80 … 0,86.
Вторым преимуществом низкого давления является возможность применения вместо теплообменников-рекуператоров более выгодные теплообменники–регенераторы, в которых одновременно с теплообменом происходят и процессы массообмена, т. е. осушка и очистка воздуха от диоксида углерода, паров масел. Кроме того, применение регенераторов позволяет сделать установку более компактной и снизить эксплуатационные расходы.
Схема ожижителя Капицы и изображение квазицикла в Т, s-диаграмме приведены на рисунке 15.1 а и б соответственно.
81
Рисунок 15.1 – Схема ожижения воздуха в квазицикле Капицы и ее изображение в Т, s – диаграмме
Воздух сжимается в турбокомпрессоре I от давления до давления и охлаждается до температуры окружающей среды в охладителе II (процесс 1 – 2). Затем воздух направляется в регенеративный теплообменник III, где охлаждается обратным потоком воздуха (процесс 2 –
8).
После этого сжатый воздух разделяется на две части. Первая в количестве М = 0,90 …0,95 поступает в турбодетандер VII. Вторая часть (1 –
М) газа проходит через теплообменник-охладитель VI, где она конденсируется (процесс 8 – 3) и после дросселирования (процесс 3 – 4) в дросселе IV направляется в отделитель жидкого воздуха V. Полученная жидкость в количестве у отводится из отделителя, а оставшийся воздух вместе с воздухом, поступившим после расширения (процесс 8 – 6) из детандера, направляется в теплообменники VI и III, где нагревается до температуры Т
7
(процесс 6 – 7) и выводится в атмосферу.
Количество получаемого жидкого воздуха на единицу воздуха, поступающего в CПТ, можно получить из уравнения энергетического баланса аналогично квазициклу Линде:
у = ( ΔhТ – Δh
п
– q
из
+ МΔh
д
) / ( q
ож
– Δh
д
), (15.1) где МΔh
д
- холодопроизводительность детандера.
82
Удельный расход электроэнергии на 1 кг ожиженного воздуха определяется затратами работы в компрессоре с учетом работы, возвращаемой детандером:
N
э
= [l
из
/( η
изк
∙ η
эмк
) – МΔh
Д
∙η
эмд
] / у, (15.2) где l
из
- изотермическая работа компрессора;
η
эмд
, η
эмк
– электромеханические КПД компрессора и детандера;
η
изк
- относительный изотермический КПД компрессора.
Из формулы (14.2) видно, что для увеличения у и уменьшения N
э
долю
М направляемого в детандер воздуха следует принимать возможно большей.
Однако максимальное значение М ограничено минимальной разностью температур ΔТ m-n = 3 … 5 К в регенеративном теплообменнике.
В противном случае возрастают потери теплоты от недорекуперации в регенеративном теплообменнике, что приводит к снижению у.
16 Лекция №16. Системы производства и распределения продуктов
разделения воздуха
План лекционного занятия:низкотемпературная ректификация воздуха.Однократная ректификация. Двукратная ректификация.
Цель лекции: изучение процессов низкотемпературной ректификация воздуха.
16.1 Низкотемпературная ректификация воздуха
Охлаждение и ожижение воздуха являются предварительным этапом его разделения, осуществляемого в процессе низкотемпературной ректификации.
Ректификация - это процесс разделения жидких смесей при помощи одновременно и многократно повторяемых частичных процессов испарения и конденсации. Воздух в первом приближении можно рассматривать как бинарную смесь, состоящую из азота и кислорода. Температура кипения и конденсации смеси зависит не только от давления, как для чистых компонентов, но и от состава смеси. Температура кипения азота Та = 77,4 К ниже температуры кипения кислорода Тк = 90,19 К при давлении р = 0,1МПа.
Поэтому чем больше в смеси азота, тем ниже будет температура ее кипения.
Другой характерной особенностью бинарных смесей является то, что пар, находящийся в равновесии с жидкостью, всегда содержит больше вещества с низкой температурой кипения, чем жидкость.
Процесс разделения жидкого воздуха производится в ректификационных колоннах однократной и двукратной ректификации.
83
16.2 Однократная ректификация
Воздухоразделительные аппараты однократной ректификации применяются в установках малой производительности и в установках для производства жидкого кислорода.
На рисунке 16.1 показана схема воздухоразделительной установки с однократной ректификацией воздуха. Для простоты на схеме показан ожижитель Линде, но точно также может быть использован и любой другой ожижитель.
При разделении воздуха часть процесса ожижения, протекающего в отделителе жидкости и дросселе (отмечена штриховой линией), осуществляется совместно с процессом ректификации. Сжатый в компрессоре
I и охлажденный в охладителе II воздух после регенеративного теплообменника III (точка 3') поступает в дроссельный вентиль IV через змеевик VI , расположенный в нижней части ректификационной колонны V .
В змеевике сжатый воздух дополнительно охлаждается и ожижается, так как температура его кипения выше температуры в нижней части колонны
(испарители), где давление над жидкостью 0,14 ... 0,16 МПа.
Полученный жидкий воздух (точка 3) дросселируется до давления в колонне (точка 4) и флегма подается на верхнюю тарелку колонны.
Таким образом, змеевик служит как бы продолжением теплообменника
III.
Рисунок 16.1 - Схема воздухоразделительной установки с однократной ректификацией воздуха
84
Рассматриваемая ректификационная колонна является оттгонной
(исчерпывающей). Она представляет собой нижнюю часть полной колонны, расположенную под уровнем питания.
Верхняя укрепляющая
(концентрационная) часть, необходимая для получения технически чистого легкокипящего вещества (в данном случае азота), отсутствует. Поэтому из колонны (точка 6) отводится не чистый азот, а пар. Равновесный жидкому воздуху в точке 4.
Так как полное равновесие не достигается, то практически пар, отходящий из колонны, является загрязненным азотом, содержащим около 10
...12% кислорода. Поток загрязненного азота отводят через регенеративный теплообменник противотоком по отношения к поступающему воздуху.
В испарителе колонны собирается труднокипящее вещество (в данном случае кислород), которое может быть отведено либо в жидком (точка 5), либо в газообразном виде (точка 8).
Колонна играет также роль отделителя жидкости, и количество отводимого кислорода будет определяться тем же уравнением, что и количество жидкости в ожижителе Линде. В колонне однократной ректификации можно получить до 2/3 кислорода, содержащегося в воздухе, так как около 1/3 его теряется с азотом.
16.3 Двукратная ректификация
Двукратная ректификация позволяет получить практически чистые продукты разделения – азот и кислород. Применяется она в установках большой производительности и осуществляется в ректификационных колоннах, каждая из которых может состоять из нескольких аппаратов. Эти колонны вместе с вспомогательным оборудованием располагаются в отдельном теплоизолированном помещении, называемом блоком разделения.
Основным элементом установки двукратной ректификации (см.рисунок
16.2) служит ректификационная колонна (обведена штриховой линией), которая состоит из трех частей - нижней колонны V, верхней колонны VI и конденсатора-испарителя VII . В малых и средних установках эти аппараты объединены, а в крупных для удобства изготовления, монтажа и эксплуатации устанавливаются раздельно. Нижняя колонна служит для предварительного разделения воздуха на легкокипящий азот и обогащенную кислородом (до 36
... 38%) жидкость. При температуре насыщения и давлении 0,48 ... 0,52 МПа воздух поступает в нижнюю часть колонны (испаритель). Таким образом, колонна V представляет собой концентрационную часть полной ректификационной колонны.
Одна часть полученного азота используется для орошения нижней колонны, другая через дроссельный вентиль IX подается в верхнюю колонну.
Сюда же полностью подается обогащенный кислородом воздух из нижней колонны.
85
Рисунок 16.2 - Схема воздухоразделительной установки с двукратной ректификацией воздуха
Под давлением 0,14 ... 0,16 МПа, необходимым для преодоления гидравлического сопротивления теплообменников при выпуске разделения из установки, происходит полное разделение обогащенного кислородом воздуха на азот и может отводиться либо в газообразном (К
г
), либо в жидком (К
ж
) состоянии. Из верхней части колонны VI отводится газообразный (А
г
) или жидкий (А
ж
) азот.
Теплопередача в конденсаторе-испарителе VII от конденсирующегося в колонне V азота к кипящему в колонне VI кислороду обеспечивается тем, что давление в нижней колонне выше на 1,5 ... 3,0 К, чем температура кипения кислорода. Газообразные продукты разделения - кислород К
Г
и азот А
г из колонны поступают в теплообменник III, в котором нагреваются, охлаждая поступающий воздух.
В некоторых случаях газообразный сжатый из установки получают посредством насоса жидкого кислорода XI. Кислород отбирается из конденсатора-испарителя в жидком виде и насосом прокачивается под необходимым давлением (до 16 или 20 МПа) через теплообменник III, где испаряется, нагревается и подается к потребителю.
Система криообеспечения содержит в СПО детандер IV, в СОО - дрос- сельные вентили VIII ... X.
86
16.4 Классификация воздухоразделительных установок
Воздухоразделительные установки различают по производительности, давлению и составу продуктов разделения. В маркировке установок приняты обозначения: А - азот, К - кислород технологический, Кт - кислород технический, Ар - аргон, ж - жидкий (кислород, азот или аргон). Цифра в маркировке обозначает количество основного продукта в тыс. м./ч (первая буква в марке установки соответствует основному продукту). Например, установка АК-0,135 предназначена для получения газообразного азота (135 м./ч) и технологического кислорода.
Воздухоразделительные установки по производительности делят на три группы:
- малой производительности (30 ... 300 м/ч) для получения кислородачистотой 99,2 ... 99,5%, в которых применяется высокое (10 ... 20
МПа) и среднее (3 ... 5 МПа) давление;
- средней производительности (300 ... 400 м./ч) для получения кислорода чистотой 95 ... 98%, в которых могут применяться либо два давления - высокое, низкое (0,5 ... 0,8 МПа), либо только низкое давление;
- большой производительности (более 4000 м./ч) для получения кислорода чистотой 95 ... 98%, в которых применяется низкое давление.
В состав воздухоразделительных установок входит следующее оборудование: поршневые и турбинные компрессоры и детандеры; кислородные и аргонные насосы, ректификационные колонны, теплообменники, устройства автоматического регулирования и защиты, блоки очистки воздуха.
17
Лекция №17. Системы технического водоснабжения
промышленных предприятий
План лекционного занятия: назначение системы технического водоснабжения промышленных предприятий СТВПП. Классификация систем водоснабжения. Схемы систем производственного водоснабжения. Состав систем технического водоснабжения промышленного предприятия.
Цель лекции: изучение схем производственного водоснабжения.
17.1 Назначение СТВПП
Техническая вода является одним из наиболее распространенных видов энергоносителей. Она используется в технологических процессах и в хозяйственно-бытовых целях практически на всех предприятиях. Расходы технической воды на производственные нужды сильно колеблются в зависимости от назначения и мощности предприятия, а также характера технологически процессов.