Учебный вопрос № 2. Очистка воздуха от воды и двуокиси углерода в регенераторах

В регенератор обычно подается сжатый воздух, в котором содержится вода в виде насыщенного пара и взвешенных капель и двуокись углерода в виде ненасыщенного пара.

Непременным условием для перехода воды и двуокиси углерода из одной фазы в другую при движении газовых потоков через насадку регенератора является наличие разности между парциальными давлениями примесей в ядре потока р и у поверхности насадки рн. Если р >рн, то на по­верхности насадки происходит конденсация или кристаллизация примесей воздуха. Когда р <рн, идет процесс испарения или возгонки примесей, находящихся на поверхности насадки в виде пленки жидкости или в виде кристаллов. Чем больше разность парциальных давлений, тем интенсивнее протекает процесс изменения агрегатного состояния вещества.

Рис. 1. Зоны кристаллизации возгонки двуокиси углерода

Рассмотрим, как протекают процессы в различных зонах регенератора. Во время теплого дутья температура воздуха выше температуры на­садки, поэтому в любом сечении регенератора парциальное давление водя­ного пара в ядре потока больше, чем у поверхности насадки, т. е. р >рн. При этих условиях в зоне с температурой насадки выше 273°К происходит конденсация воды на поверхности насадки, а в зоне с более низкой температурой насадки – кри­сталлизация. Капельная влага, содержа­щаяся в воздухе во взвешенном состоянии, задерживается на поверхности верхней части насадки. Вследствие повышения темпера­туры насадки во время теплого дутья сечение, в котором начинается кристалли­зация, перемещается к холодному концу регенератора. При этом одновременно с кон­денсацией паров воды происходит таяние льда, образовавшегося в начале дутья. В зависимости от температурного режима регенератора и температуры воздуха на входе зона вымораживания воды составляет 40–60% от высоты регенератора. По характеру изменения агрегатного состояния двуокиси углерода регенератор можно разделить на четыре зоны.

Для первой зоны характерным является то, что в ней хотя и происходят процессы кристаллизации и возгонки, но к концу теплого дутья двуокиси углерода (СО2) на насадке не остается. Кристаллизация СО2 начинается в сечении, где парциальное давление СО2 в ядре потока р немного выше давления насыщенного пара СО2 при температуре насадки. Ниже этого сечения интенсивность кристаллизации на поверхности насадки зависит от разности парциальных давлений в ядре потока и у поверхности насадки.

Вследствие непрерывного повышения температуры газа и насадки в каждом сечении регенератора во время теплого дутья сечение, в котором начинается кристаллизация СО2, непрерывно перемещается к холодному концу регенератора. Выше этого сечения возникают условия, необходимые для возгонки кристаллов, ранее образовавшихся на насадке, так как рн при повышении температуры насадки становится больше парциального давления СО2 в ядре потока.

Следствием процесса возгонки является увеличение парциального давления СО2 в ядре потока и ускорение кристаллизации на нижерасположенной части насадки. По этой же причине в нижерасположенных сечениях кристаллизация СО2 прекращается при более высокой температуре (рис. 1, кривая АВ).

Во второй зоне все процессы протекают так же, как и в нижней части первой зоны. Отличие состоит лишь в том, что кристаллизация занимает большую часть периода теплого дутья, а возгонка происходит не только во время теплого дутья, но и частично в течение холодного дутья. Возгонка кристаллов СО2, образовавшихся в начале теплого дутья привод к тому что концентрация СО2 в воздухе увеличивается (рис. 2). Максимальная концентрация СО2 в воздухе превышает исходную концентрацию на 55– 60%. Вследствие перемещения СО2 из первой зоны во вторую на поверхности насадки в нижней части второй зоны к концу периода теплого дутья оста­нется основная масса СО2, содержащейся в потоке воздуха. Возгонка этих кристаллов во время холодного дутья происходит с различной скоростью. В начале холодного дутья скорость возгонки наибольшая, а в конце, вследствие понижения температуры газа и насадки, – наименьшая.

В третьей зоне кристаллизация СО2 происходит на насадке в течение всего периода теплого дутья, а возгонка – только во время холодного дутья.

Процессы кристаллизации и возгонки в этой зоне протекают значительно медленнее, чем во второй зоне, так как температура газа и насадки здесь ниже и соответственно меньше разность парциальных давлений. Эта зона распространяется от сечения ///—/// до сечения IV—IV (рис. 2). Хaрактер изменения концентрации СО2 в воздухе во время теплого дутья в одном из сечений третьей зоны показан на рис. 2, б.

Рис. 2. Изменение содержания СО2 в воздухе во время теплого дутья в сечении регенератора, отстоящем от холодного конца на 840 мм (а) и на 240 мм (б)

Четвертая зона отличается от остальных тем, что в начале дутья на поверхности насадки конденсируется сжатый воздух. В верхней части зоны сконденсировавшийся воздух немедленно испаряется; окончание испарения последних капель жидкого воздуха на поверхности насадки в нижней части зоны зависит от температурного режима регенераторов. Чем холоднее регенераторы, тем большую часть времени теплого дутья поверхность нижних слоев насадки смочена жидким воздухом. По условиям для возгонки четвертая зона также отличается от других зон. Как показали анализы, проведенные на промышленных и стендовых установках, в газообразном азоте, выходящем из верхней колонны, содержание СО2 настолько мало, что ее не удается определить при помощи имеющихся газоанализаторов. По всей вероятности, СО2 находится в потоке азота только в виде насыщенного пара. В газообразном кислороде СО2 значительно больше (14·10-6÷ 35·10-6 м3 CO2/ м3 О2). При таких количествах СО2 должна быть в виде взвешенных кристаллов и насыщенного пара.

Повышенное содержание СО2 в газообразном кислороде можно объяс­нить тем, что при кипении жидкого кислорода в конденсаторе мелкие кри­сталлы СО2 попадают в газообразную фазу непосредственно или с каплями жидкости и уносятся газовым потоком из кон­денсатора.

Поток азота, подогретый в переохладите­лях и в подогревателе азота, поступает в азот­ные регенераторы ненасыщенным двуокисью углерода. В этом случае возгонка происходит в течение всего периода холодного дутья. В кис­лородных регенераторах условия для возгонки существуют только в начале холодного дутья, пока температура насадки выше температуры обратного потока газа. В обоих случаях мак­симальная скорость возгонки имеет место в на­чале прохождения обратного потока, когда разность температур, а следовательно, и раз­ность, парциальных давлений наибольшая.

Из изложенного выше следует, что в результате переноса СО2 из первой зоны во вторую и частично из второй в третью, про­исходящего во время теплого дутья, основная масса СО2 остается на поверхности насадки в нижней части второй зоны и в верхней части третьей зоны.

Характер изменения по высоте регенератора средней за период теп­лого дутья концентрации СО2 в воздухе показан на рис. 3.

Рис. 3. Изменение средней кон­центрации СО2 в воздухе по высоте регенератора