Технические процессы ожжижения газов.

Воздух при Т_о и Р_о (точка 1)-сжимается в компрессоре до Р₂ = 10-20 МПа и охлаждается в холодильнике до первоначальной температуры (точка 2).

В момент пуска установки сжатый воздух, поступая в дроссельный вентиль, дросселируется до Р_о, а температура его снижается до Т₄ (точки 2-4). Весь охлаждающий воздух направляется в теплообменник, в котором нагревается, охлаждая следующую порцию воздуха до температуры Т₃ и приблизительно Т₄, но немного ее превышающей. Следующая порция воздуха охлаждается до температуры Т₃ и т.д. В некоторый момент времени воздух охладится до температуры Т₃ и после дросселирования превратится во влажный пар с параметрами точки 4. В отделителе жидкости насыщенный пар отделяется от жидкого воздуха, состояние которого соответствует точке 5. Этот воздух может быть отведен из системы как продукт. Пары в состоянии точки 6 направляются в ТО, где охлаждается воздух высокого давления, а сами нагреваются до Т₇, причем, в идеале Т₇=Т_о.

В установившемся состоянии существует некоторое предельное количество воздуха, которое можно отвести от системы как продукт.

Это объясняется тем, что с увеличением доли отводимого жидкого воздуха уменьшается обратный поток в ТО и тем самым уменьшается степень охлаждения воздуха, проступающего на дросселирование.

Показатели процесса Линда с Р₂=20 МПа, DT_1-7=5^оС. Количество переработанного воздуха: 12,6 кг/кг; удельный расход энергии: теоретически 2,3 кВт час/кг, практически из-за потерь в теплообменниках 3,5-4 кВт час/кг, приблизительно 12-14 МДж/кг.

Процесс Линда используется, когда расход энергии не важен, а решающими факторами являются простота и надежность работы установки. На практике используется чаще другие процессы, включающие в себя элементы процесса Линда.

Процесс Клода.

В процессе Клода предусматривается использование одновременно с дросселированием другого метода охлаждения- адиабатного расширения с отдачей внешней работы, осуществляемого в детандерах. Сжатый воздух после компрессора и холодильника в состоянии, характеризующей точкой 2, поступает в предварительный теплообменник 1, в котором охлаждается до Т₇ и разделяется на 2 потока. Один из них проходит через ТО 11 (основной), ТО- ожижитель III и после охлаждения до Т₃ дросселируется до атмосферного давления. Полученная после дросселирования жидкость в состоянии, характеризующее Т₅, выводится как продукт, а пар в состоянии Т₆ поступает в ожижитель III и далее в ТО II и I, проходя через эти аппараты расширения воздух, нагревается до Т₁₁, охлаждая при этом движущийся на встречу сжатый воздух. Другой поток воздуха поступает после ТО I в детандер IV, в котором расширяется до атмосферного давления, совершая некоторое количество работы. Охлажденный до Т₈ в детандере воздух присоединяется к обратному потоку в Т₈, где температура расширения воздуха такая же. Для каждого значения Р₂ существует оптимальное значение температуры ввода и доли воздуха, вводимого в детандер.

При Р=10 МПа в детандер следует отводить 73% воздуха, при t= 30 ^оС, при Р= 20 МПа – 50% при t >О^оС

Гейландт проанализировал ряд процессов Клода и показал, что наиболее экономичными являются процессы, когда: Т₇ = Т₂ и Т₁₀ = Т₁₁ , тогда теплообменник I становится в этом случае ненужным.

Наибольшее распространение в производстве получил процесс Клода- Гейландта со следующими параметрами:

Р₂ = 16,5 МПа, t₇ = -30-40 ^оС, доля отводимого в детандере воздуха 65-70%. Расход энергии в таком процессе 0,72 кВт час/кг (теоретически) и 1,1 кВт час/кг (практически).

Процесс Капицы

При снижении давления воздуха в процессах с детандером расход энергии увеличивается, увеличивается также количество воздуха, которое необходимо переработать для получения 1кг жидкости, в то же время применение низкого давления воздуха при его ожжижаемости имеет ряд преимуществ.

1).Появляется возможность применения турбомашин, которые легче, не загрязняют воздух смазкой, имеют более высокий КПД, чем поршневые машины.

2).Возможно, применение регенераторов вместо рекуператоров, которые более компактны и позволяют одновременно с теплообменником проводить осушку и очистку воздуха.

Турбодетандеры, разработанные под руководством Капицей, имеют КПД приблизительно h_тд = 0,85, в то время как у наиболее эффективных поршневых систем h_тд<0,6‑0,65.

Воздух сжимается в турбокомпрессоре до Р = 0,5-0,7 МПа и после охлаждения в холодильнике в состоянии т.2 поступает в ТО-регенератор. После охлаждения здесь до Т₇ сжатый воздух разделяется на две части. Первая, составляющая приблизительно 90% подается на расширение в турбодетандер, вторая проходит через ТО II, где происходит дополнительное охлаждение и частичное ожжижение, поступает на дроссельный вентиль. Жидкость после дросселирования отводится с параметрами тю5. Т₇ выбирают таким образом, чтобы воздух после расширения и охлаждения в детандере находился в состоянии близком к сухому насыщенному пару в т.6. Расширенный в турбодетандере воздух вместе с паром выходит из отделителя жидкости проходит в регенеративные ТО, где охлаждается движущийся на встречу поток сжатого воздуха и выводится при Т₉ в атмосферу.

В процессе Капицы детандер работает в таких условиях, когда имеющийся в процессе Клода ТО III становится не нужным, т.к. точки 6 и 8 очень близки, таким образом, процесс Капицы является предельным случаем детандерного процесса,. В котором температура воздуха входящего в детандер и его давление являются предельно низкими, а доля воздуха, поступающего в детандер – максимально высокой.

Процесс ожжижения воздуха по способу Капицы при давлении воздуха 0,6 МПа имеет следующие технико-экономические показатели:

-количество переработанного воздуха 14кг/кг жидкого воздуха;

-расход энергии 0,75 кВт час/кг- теоретически, 1,5 кВт час/кг жидкого воздуха – практически.

Потери в процессе Капицы больше, чем в случае Клода -Гейландта, в связи с тем, что количество циркулирующего воздуха в 2-3 раза больше.

Улучшение показателей процесса Капицы достигается повышением давления до 1,5 МПа, когда сохраняются преимущества, связанные с использованием турбомашин, а наличие циркуляционного воздуха и потери снижаются.

Среди наиболее эффективных процессов охлаждения воздуха:

· коксовый способ охлаждения Пикте;

· комбинированный Герша;

· различные варианты холод газовых машин, работающих по способу Стирлинга.

Эти процессы достаточно эффективны, однако сложны по оборудованию и применяются в установках малой и средней производительности. В крупных кислородных установках применяются главным образом процессы Капицы.

Устройства разделения воздуха

Разделение воздуха по его составной части, основными из которых являются кислород и азот, происходит в ректификационных колонках.

Схема установки однократной ректификации воздуха

В среднюю часть ректификационной колонны поступает разделяемое вещество в виде жидкости, пара или их смеси. В нижней части колонны, где перед началом работы разделяемая смесь находится в виде жидкости расположен трубчатый испаритель, За счет подвода теплоты в испарителе стекающая сверху по тарелкам жидкость испаряется, пары жидкости поднимаются вверх по колонне и попадают в конденсатор, где осуществляется отвод теплоты.

Образующаяся в конденсаторе жидкость стекает по тарелкам вниз, контактируя с восходящим потоком паров.

В испарителе вначале испаряется более легкокипящая жидкость (сжиженный азот), а жидкость остающаяся в испарителе насыщается более тяжелым кипящим комплектом (сжиженным кислородом), температура кипения при этом увеличивается и начинается испарение более тяжелокипящей жидкости. Из верхней части колонны может быть отобран газообразный или жидкий азот, из нижней- газообразный или жидкий кислород.

В такой колонне можно получить чистый кислород и азот, содержащий 7-10% О₂.

Для более глубокого разделения используют установки 2-х кратной ректификации.