Учебный вопрос № 1. Принцип действия регенераторов

В современных крупных воздухоразделительных установках регене­раторы являются основными теплообменными аппаратами, выполняющими одновременно функции аппаратов для очистки воздуха от влаги и двуокиси углерода.

В регенераторах теплообмен между газовыми потоками происходит через теплоемкую массу – насадку регенератора. В течение первой части цикла по каналам, образуемым насадкой, проходит охлаждаемый газ (прямой поток); при этом тепло от газа передается насадке, в результате чего ее температура повышается. Во второй части цикла по тем же каналам насадки, но в обратном направлении, проходит поток нагреваемого газа (обратный поток). Тепло в этот период передается от насадки к газу и темпера­тура насадки понижается. Охлаждаемым газом является воздух, сжатый до давления 0,54–0,64 Мн/м2, содержащий обычно влаги 4-10-4 – 5,4·10-3% и двуокиси углерода 4,6-10-4–5,8-10-4% по весу. Нагреваемыми газами являются азот и кислород. Оба нагреваемых газа поступают в регенераторы под давлением 0,12–0,13 Мн/м2.

Рассмотренная схема позволяет одновременно с процессом теплообмена дочищать воздух от влаги и двуокиси углерода. Примеси воздуха при ох­лаждении прямого потока конденсируются или кристаллизуются на поверх­ности насадки, а при прохождении нагреваемого газа возгоняются или испаряются и уносятся этим потоком из регенератора.

В регенераторах могут быть созданы условия, при которых для выноса всех примесей воздуха, оставшихся на насадке после прохождения прямого потока, достаточно пропустить через насадку часть обратного потока. Условия, обеспечивающие вынос примесей воздуха частью обратного потока, могут быть созданы в регенераторах с каменной насадкой и встроенными змеевиками. В таких регенераторах часть обратного потока (до 40%), про­водящего непрерывно по змеевикам, участвует только в теплообмене. Во­ время первой части цикла тепло охлаждаемого потока передается насадке (большая часть) и потоку в змеевиках. В течение второй части цикла тепло от насадки передается только обратному потоку; часть тепла от обратного потока передается потоку в змеевиках.

Применяются два способа охлаждения насадки регенераторов: холодным обратным потоком и чередованием прямого и обратного потоков.

Способ охлаждения обратным потоком является наиболее эффективным ввиду отсутствия потока, нагревающего насадку. Однако его можно применять, во-первых, когда для получения холода не нужен воздух, прошедший че­рез регенераторы, и, во-вторых, когда имеется возможность пропустить че­рез регенераторы воздух, охлажденный в холодильном цикле.

Необходимое для нормальной работы регенераторов изменение темпера­туры насадки по высоте регенератора устанавливается после подачи теплого потока. Опытным путем найдено, что обычное чередование прямого и обрат­ного потоков следует начинать после того, как температура потока газа в сере­дине регенератора понизится до 170–180° К. Продолжительность охлажде­ния насадки до подачи теплого потока зависит от того, какое количество воздуха из холодильного цикла подается в регенераторы.

Второй способ охлаждения насадки применяют в установках, работающих по циклу низкого давления, в которых холод получается при расшире­нии в турбодетандере воздуха, прошедшего через регенераторы и затем подо­гретого потоком, называемым «петлевым», отобранным из средней части реге­нератора. После турбодетандера весь воздух направляется либо непосред­ственно в регенераторы, либо предварительно подогревается в других ап­паратах блока разделения, а затем подается в регенераторы. По мере охлаж­дения насадки температура прямого и обратного потоков на холодном конце регенератора понижается.

Во время охлаждения регенераторов их тепловая нагрузка значительно меньше расчетной, поэтому второй член в правой части уравнения, представляющий собой потери холода от недорекуперации, мал и его можно не учитывать. Потери холода в окружающую среду также незначительны. При таких условиях количество тепла, отнимаемое от насадки за один цикл, будет прямо пропорционально разности энтальпий обратного и прямого потоков на холодном конце регенератора и количеству воздуха, пропущенному через регенераторы. Разность энтальпий можно увеличить повышением раз­ности температур на холодном конце регенераторов. Однако при этом ухудшаются условия для выноса обратным потоком влаги и двуокиси углерода, оставшихся на насадке после теплого дутья. Поэтому разность температур, а следовательно, и разность энтальпий не должны быть больше определен­ной величины.

Ниже будет показано, что при сокращении продолжительности цикла улучшаются условия возгонки примесей, оставшихся на насадке после теплообмена вследствие увеличения разности температур между газом и насадкой при неизменной разности между средними за полуцикл температурами пря­мого и обратного газовых потоков.

Посредством сокращения во время охлаждения регенераторов продолжительности цикла создаются условия, при которых, во-первых, интенсивно охлаждается меньшая масса насадки и, во-вторых, допускается увеличение разности температур на холодном конце регенераторов. В результате зна­чительно сокращается продолжительность охлаждения части насадки на холодном конце регенераторов до температуры, при которой обычно работает регенератор. Режим охлаждения регенераторов устанавливается опытным путем.