Учебный вопрос № 3. Способы обеспечения незабиваемости регенераторов

Во всех кислородных установках незабиваемость регенераторов достигается уменьшением тем или иным способом разности между средними темпе­ратурами прямого и обратного потоков газов в зоне вымораживания СО2. При сближении температур газовых потоков уменьшается петля гистерезиса и разность между температурами газовых потоков и насадки, т.е. изменяются в благоприятную сторону два фактора, оказывающие наибольшее влияние на интенсивность процессов кристаллизации и возгонки в регенераторах.

Из теплового баланса регенераторов следует, что разность между средними температурами газовых потоков на холодном конце регенераторов и в зоне вымораживания СО2 может быть уменьшена либо отбором из средней зоны регенератора части воздуха, неочищенного от СО2, либо увеличением отношения ε объема обратного потока V*o6 к объему прямого потока Vnp. Соотношение потоков может быть изменено либо по всей высоте аппарата, либо только в нижней части. Увеличение ε также благоприятно влияет на вы­нос обратным потоком примесей, оставшихся на насадке после прохождения прямого потока.

Средние температуры прямого и обратного потоков в зоне выморажива­ния СО2 можно сблизить настолько, что для выноса СО2, оставшейся в регене­раторе после теплого дутья, достаточно будет пропустить через насадку только часть обратного потока (азота или кислорода). Такое сближение температур теплообменивающихся газов целесообразно в том случае, если схема узла регенераторов или конструкция регенератора позволяет осуществить тепло­обмен между сжатым воздухом и потоком, не участвующим в выносе примесей из регенераторов.

В работающих кислородных установках применяют следующие способы сближения температур в зоне вымораживания СО2.

а) Отбор части воздуха из середины регенератора

Для обеспечения незабиваемости регенераторов большая часть воздуха выводится из регенератора при температуре, близкой к температуре насыщенного пара, а меньшая – при средней температуре 150–180°К. В регенераторах большая часть воздуха очищается от влаги и СО2, а меньшая – только от влаги. Такой способ сближения температур в зоне вымораживания СО2 применяют в некоторых установках, работающих по циклу низкого давления.

Опытным путем установлено, что длительная работа регенераторов, с насадкой в виде дисков из гофрированной алюминиевой ленты, возможна при разности температур на холодном конце не более 5–6 град. Из теплового баланса следует, что если в верхней части регенератора соотношение потоков ε близко к единице, то указанная разность температур на холодном конце может быть получена при отборе из средней части 8–10% воздуха.

При выборе места отбора воздуха следует учитывать, что следствием приближения места отбора воздуха к холодному концу регенератора является увеличение разности температур между газами и насадкой в средней части, регенератора, что затрудняет создание условий, необходимых для полной возгонки СО2 в зоне начала кристаллизации этой примеси воздуха.

Другим следствием приближения места отбора воздуха к холодному концу регенератора является увеличение доли воздуха, выводимой из регенератора неочищенной от СО2. Эта доля воздуха очищается от СО2 либо в адсорберах, заполненных силикагелем марки КСМ, либо вымораживанием в переключающихся теплообменниках при теплообмене с потоком, направляемым в турбодетандер.

Рис. 4. Схема узла регенераторов с отбором воздуха из средней части и из­менение средних температур прямого и обратного потоков в Q–Т координатах:

1 – адсорберы СО2 и С2Н2; 2 – вымораживатели СО2; 3 – воздух из середины регенератора

Более совершенной является очистка воздуха от СО2 в адсорбере, так как в этом аппарате одновременно с адсорбцией СО2 происходит адсорбция углеводородов, являющихся взрывоопасными примесями воздуха. При очистке воздуха от СО2 в вымораживателях необходима дополнительная очистка этого потока от углеводородов.

Схема узла регенераторов с отбором воздуха из средней части и изменение температур прямого и обратного потоков в Q–Т координатах показаны на рис. 4.

б) Увеличение отношения объема обратного потока к объему прямого потока

Отношение объема обратного потока к объему прямого потока (ε) может быть увеличено либо подачей в блок разделения части воздуха, очищенного от примесей в специальных аппаратах, либо уменьшением этого отношения в другой паре регенераторов, незабиваемость которой обеспечивается каким-либо другим способом.

Первый способ увеличения применяют в установках, работающих по циклу двух давлений (КТ-1000М, КТ-3600), в которых воздух высокого давления, очищенный от влаги и двуокиси углерода в специальных аппаратах, вводится в блок разделения через теплообменники или через теплообмен­ники и поршневой детандер, а выводится в виде газообразных кислорода и азота через теплообменники и регенераторы. Второй способ увеличения отношения ε применяют во всех воздухоразделительных установках низкого давления, за исключением установок БР-6 и БР-9, для обеспечения незабиваемости кислородных регенераторов.

Для регенераторов ε подбирают таким, чтобы с одной стороны регенера­торы не забивались твердой двуокисью углерода, а с другой – недорекуперация была бы наименьшей. Опытами, проведенными в промышленных и полу­промышленных условиях, установлено, что для регенераторов с насадкой в виде дисков из алюминиевой рифленой ленты с характеристикой, приведен­ной в табл. 1, наилучшим соотношением потоков является ε = 1,03÷1,035.

Характеристика насадки опытного регенератора

Таблица 1

Для регенераторов с другим типом насадки или перерабатывающих больше или меньше расчетного количества воздуха, оптимальное соотношение потоков будет иным.

в) Организация петлевого потока по методу тройного дутья

Такой способ сближения температур применяют в установках низкого давления БР-1, БР-5 и БР-1М. Для осуществления тройного дутья необходимо иметь три регенератора. Последовательность прохождения потоков по каждому регенератору следующая:

а) в течение одной трети цикла сверху вниз проходит воздух (теплое дутье), который при теплообмене с насадкой охлаждается и очищается от влаги и СО2;

б) во вторую часть цикла по регенератору пропускается обратный поток (обычно азот), охлаждающий насадку и выносящий примеси, осевшие на насадке во время теплового дутья;

в) после обратного потока через регенератор в том же направлении проходит воздух петли, который дополнительно охлаждает насадку в нижней (холодной) части регенератора, а затем отводится из середины регенератора с температурой 160–180° К через специальные клапаны принудительного действия.

В двух других регенераторах потоки проходят в такой же последовательности, причем в то время как по одному из регенераторов проходит воздух, по другому идет обратный поток, а по третьему – петлевой воздух.

Расположение места отбора петлевого потока относительно холодного конца регенераторов оказывает такое же влияние на теплообмен в регенерато­рах и на их незабиваемость, как и в способе с отбором части воздуха из середины регенераторов.

Для обеспечения незабиваемости регенераторов с тройным дутьем разность температур на холодном конце регенераторов должна быть не более 4–5 град, т. е. меньше чем для обеспечения незабиваемости регенераторов посредством отбора части воздуха из середины регенераторов, так как при тройном дутье ε в нижней части регенераторов значительно меньше.

Петлевой поток при такой разности температур должен составлять 10–12% от прямого потока. Характер изменения средних температур прямого и обратного потоков в Q–Т координатах такой же, как и на рис. 4.

Рис. 5. Схема узла регенераторов с тройным дутьем.

В регенераторах с тройным дутьем иногда организуется так называемая «сквозная петля», при которой часть петлевого потока выводится из регенератора на теплом конце (рис. 5) через специальные петлевые клапаны принудительного действия. Этот поток обычно используется для подогрева чистых продуктов разделения воздуха. Увеличением количества «сквозной петли» по сравнению с количеством чистых продуктов, выводимых через теплообмен­ники, можно повысить количество обратного потока, проходящего через насадку. Сближение температур газовых потоков на холодном конце регене­ратора достигается как увеличением отношения потоков ε, так и отбором пет­левого потока из середины регенератора.

г) Подогрев «петлевого» потока в змеевиках, встроенных в регенераторы

В регенераторах с насыпной насадкой сближение температур в зоне вымораживания СО2 может происходить либо при отборе части воздуха из середины регенератора (способ а), либо при подогреве петлевого потока s змеевиках, встроенных в нижнюю часть регенератора. При наличии встроенных змеевиков в качестве петлевого потока может быть воздух, прошедший через регенератор (прямой поток), или азот из нижней колонны (рис. 6). Петлевой поток проходит по змеевикам обоих регенераторов непре­рывно в течение всего цикла. В регенераторах со встроенными, змеевиками может быть организована так же, как и в регенераторах с тройным дутьем, «сквозная петля».

Рис. 6. Схема узла регенераторов с подогревом «петлевого» потока воздуха или азота в змеевиках, встроенных в регенераторы

Когда количество продуктов разделения воздуха, выводимых по змееви­кам, встроенным в регенераторы, не превышает 20 % от количества воздуха, проходящего по этим аппаратам в качестве прямого потока, незабиваемость регенераторов может быть обеспечена по способу, изложенному в пункте г. Если количество продуктов разделения воздуха, выводимых по змеевикам, более 20 %, для обеспечения незабиваемости регенераторов следует применять способ, описанный в пункте а.